大学化学教程8化学与环境

1、第四章 化学与环境主要内容n环境与污染n大气污染n水体污染n绿色化学环境与污染n什么是环境环境与污染n环境污染 生态生态平衡平衡 :生态系统发展到一定阶段，它的生物种类的组成，各个种群的数量比率及能量和物质的输入、输出等都处于相对稳定状态 自净能力：自净能力：自然界的各个生态系统对某些外来的化学物质均有一定的抵抗和净化能力，象人体，但是有限的 环境污染：环境污染：环境中发生有害物质积聚的状态 原因：自然因素和原因：自然因素和人为因素人为因素20世纪化学工业的贡献世纪化学工业的贡献年代产品名称作用1928青霉素 人均寿命大大延长1913合成氨 粮食、果蔬产量提高1941杀虫剂DDT1921乙烯（

2、天然气裂解） 遍及人类的生产、生活的各个方面 1930聚氯乙烯1938尼龙1939顺丁橡胶重大危害重大危害n 农田板结、食品毒化、白色污染、温室效应、臭氧空洞等严重威胁着人类的生存和发展。原有环保措施1措施：治理、罚款、关闭停产2意义：暂时缓解了污染3缺陷：高昂代价改善局部环境，地球环境问题无法解决。 人类面临的环境危机人类面临的环境危机1、温室气体大量排放导致全球变暖 2、臭氧层破坏3、生物多样性减少4、酸雨成灾 5、森林锐减 6、土地沙漠化 7、空气污染 8、淡水资源污染 9、海洋污染 10、垃圾围城最严重的城市病 大气污染n大气圈大气的组成和分类n恒定组分：N2、O2、Ar、Ne、Kr等

3、气体，n可变组分：CO2 (0.030.033%)、H2O(g) (04%)n不定组分：煤烟、粉尘、含S N、C的化合物 （NO2、H2S、SOx）是大气中的主要污染成分 大气污染概况大气污染大气污染大气中有害物质含量超过一定指标，使大气质量恶大气中有害物质含量超过一定指标，使大气质量恶化，对人、动植物、化，对人、动植物、 设备财产造成危害的现象。设备财产造成危害的现象。 * 以城市空气中以城市空气中SO2、NO2和可吸入颗粒物和可吸入颗粒物(PM10)的浓度为依据换算成空气的浓度为依据换算成空气污染指数即污染指数即API和空气质量级别和空气质量级别 空气质量空气质量 日报日报*APIPM10

4、mg/m3SO2mg/m3NO2mg/m3空气质量级别空气质量级别空气质量状况空气质量状况 05051100101200201300301400401500 0.050.150.350.420.500.600.050.150.801.602.102.620.080.120.280.560.750.94 优优 可正常活动可正常活动良好良好 可正常活动可正常活动轻度污染轻度污染 不亦长期接触不亦长期接触中度污染中度污染 接触一段时间接触一段时间可出现不良症状可出现不良症状重度污染重度污染 影响正常活动影响正常活动重度污染重度污染 影响正常活动影响正常活动 大气的主要污染物二次污染物二次污染物大气污

5、染物之间相互作用或污染物与大气大气污染物之间相互作用或污染物与大气中的正常成分作用或因太阳光引起光化学反应等使污染中的正常成分作用或因太阳光引起光化学反应等使污染物转换、产生的新的污染物。物转换、产生的新的污染物。一次污染物一次污染物从不同污染源直接向大气排放的有害气从不同污染源直接向大气排放的有害气体和粉尘等。体和粉尘等。 综合性大气污染n温室效应n臭氧层空洞n酸雨n光化学烟雾温室气体大量排放导致全球变暖温室气体大量排放导致全球变暖 气温上升的原因：人类燃烧煤、石油和天然气，排放大量CO2等温室气体 全球变暖导致水平面上升全球变暖导致水平面上升 Venice 在过去的100年里一直在下沉，共

6、下沉了24cm，近年来下沉速度加快，政府已经开展了各种保护工程。温室效应产生原因n太阳辐射能量的99%在波长1504000nm， CO2在4300nm附近有一个强吸收带n其他温室气体：H2O CH4 N2O O3 CFC等多原子分子等多原子分子（30多种）多种）英国科学家的警告 n21世纪，人类活动将导致地球温度上升1.4到5.8摄氏度，这将对人们的生活产生直接影响。n根据目前的情况，下个世纪，全球气候变暖将使沿海居民面临的干旱、洪灾、酷热等自然风险大大增加。 臭氧层空洞 臭氧减少的危害n太阳紫外线分为三个波段 UVC (100295nm) 有害 O3吸收90%以上 UVB (295320nm

7、) 有害 UVA (320400nm) 全部通过臭氧层破坏意味着大量臭氧层破坏意味着大量紫外线紫外线将直接辐射到地面，农作物将直接辐射到地面，农作物受害而减产；破坏海洋生态系统的食物链，导致生态平衡受害而减产；破坏海洋生态系统的食物链，导致生态平衡的破坏。的破坏。臭氧层破坏原因n研究表明，臭氧层破坏与氟利昂分解时产生的氯原子有直接关系； CF2Cl 2 + h Cl + CF2Cl Cl+O3 ClO+O2 ClO+O Cl+O2n大型喷气式飞机飞行中排出的大量NOx、COx和烃类化合物；n核试验的火球将大量的NOx带入高空。 NO+O3 NO2+O2 NO2+O NO+O2酸雨 正常的未被污

8、染的雨水pH值为5.6，pH值5.6的雨水就称为酸雨。全球三大酸雨区美国和加拿大地区、 北欧地区、 中国南方地区 。 主要是由SO2、NOx造成的 我国是硫酸型酸雨n酸雨使水体和土壤酸化，损害农作物和林木生长，危害渔业生产（pH4.8，鱼类就会死亡，腐蚀建筑物、文化古迹和工厂设备，危害人类健康。 n我国重庆、贵州、长江三角洲、珠江三角洲雨水的pH值经常在4左右。 n面积大 n全国每年由于酸雨污染造成的经济损失达200亿元左右。 汽车尾气与光化学烟雾n汽车尾气中的有害成分主要有CO，NOx，碳氢化合物，颗粒物等 n汽车尾气排放标准与三效催化剂n 光化学烟雾现象： 大气中的CH和NOx等一次污染物

9、，在太阳光中紫外线照射下发生化学反应，衍生种种二次污染物。由一次污染物和二次污染物的混合物（气体和颗粒物）所形成的烟雾污染现象，称为光化学烟雾 。又叫洛杉矶烟雾。 新装修的建筑物室内环境质量堪忧n新装修的建筑物室内污染物浓度是室外的100倍，不少人会出现皮肤过敏、头痛、嗓子痛、疲倦等症状。n全世界每年有280万人直接或间接死于室内装修污染n世界上30的新建和重建的建筑物中发现有危害健康的室内空气，装饰材料中有毒材料占68。n室内环境污染已经被列入对公众危害最大的五种环境因素之一。 大气污染的防治与治理技术n加强大气质量的管理，随时进行监测n控制污染源n改革能源结构n加强汽车尾气的治理n植树造林

10、CFC的替代品：的替代品：1）氢氟烃（）氢氟烃（HFC） 2）氟碘烃（）氟碘烃（CF3I） CI键易吸收紫外线而断裂，键易吸收紫外线而断裂， 不会滞留在大气层中。不会滞留在大气层中。3）氢氯氟烃（）氢氯氟烃（HCFC） 对对O3破坏较小，可作为破坏较小，可作为CFC的过渡的过渡 替代品替代品我国冰箱我国冰箱CFC的替代品主要有：的替代品主要有：HCFC-1416 、 HFC-134a 、异丁烷、混合制冷剂、异丁烷、混合制冷剂（CF3I+HFC-152a）SO2的治理的治理1）氨法：）氨法：用氨水为吸收剂吸收废气中的用氨水为吸收剂吸收废气中的SO2，吸收率，吸收率90% 主要反应：主要反应： S

11、O2 + 2NH3H2O = (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2 NH4HSO3 SO2 + 2NH3H2O = NH4HSO32）钠法）钠法：用：用NaOH或或Na2CO3水溶液为吸收剂，吸收率水溶液为吸收剂，吸收率90% 主要反应：主要反应： 2 NaOH + SO2 = Na2SO3 + H2O Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 + CO23）钙法：）钙法：用用CaO Ca (OH)2 或或CaCO3制成浆液为吸收剂，制成浆液为吸收剂， 产物为产物为CaSO4，脱硫率，脱硫率96%主要反应：主要反应： CaCO3 + SO2 + 1/2H2O

12、 = CaSO31/2H2O + CO2 2CaSO31/2H2O + O2 + 3H2O = 2CaSO42H2O水资源n地球上总的水体积大约为14亿km3，其中只有2.5%是淡水。n大部分的淡水以永久性冰或雪的形式封存于南极洲和格陵兰岛或成为埋藏很深的地下水。n能被人类所利用的水资源不足淡水总量的1%水资源短缺n墨西哥城在含水墨西哥城在含水土层之上，城中土层之上，城中2千万居民的用千万居民的用水大多来自地下，水大多来自地下，长期循环造成塌长期循环造成塌陷。该城中部分陷。该城中部分地区比地区比100年前年前下降了下降了9米。米。我国水资源状况严重缺水区严重缺水区缺水区缺水区供需基本平衡或有余

13、区供需基本平衡或有余区水体污染n固体悬浮物质n无机污染物n有机污染物n水体的“富营养化”水体无机污染n无机无毒物：酸、碱、一般无机盐、氮、磷等植物营养物质，主要来自矿坑废水、化纤、造纸、酸雨等；n无机有毒物：重金属、砷、氰化物、氟化物等，来自对重金属的开采、冶炼、加工等。重金属污染的特点n微量浓度即可产生毒性(一般为110毫克/升，汞、镉为0.010.001毫克/升)；n难以被微生物降解，在微生物作用会转化为毒性更强的有机金属化合物(如甲基汞)；。n被生物富集，通过食物链进入人体，造成慢性中毒。有机污染物n有机无毒物：碳水化合物、脂肪、蛋白质等；：碳水化合物、脂肪、蛋白质等；n有机有毒物：苯酚

14、、多环芳烃、多氯联苯、有：苯酚、多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药等。机氯农药等。有机污染物n耗氧污染物：含大量有机物的废水大量有机物的废水 在水中进行生物氧化分解过程中，需消耗大量溶在水中进行生物氧化分解过程中，需消耗大量溶解氧，一旦水体中氧气供应不足，会使氧化作用解氧，一旦水体中氧气供应不足，会使氧化作用停止，引起有机物的厌氧发酵，散发出恶臭，污停止，引起有机物的厌氧发酵，散发出恶臭，污染环境，毒害水生生物。染环境，毒害水生生物。n持久性有机污染物 长期残留、生物蓄积和高毒性：8类农药、氯苯、二噁英和呋喃持久性有机污染物的危害n这些物质长期与人类和动物接触，会渐渐这些物质长期与人类和动物接触，

15、会渐渐引起内分泌系统、免疫系统、神经系统出引起内分泌系统、免疫系统、神经系统出现多种异常。现多种异常。与大中城市毗连的海域、海湾、入海河口处的污染比较严重 水体的富营养化n原因：磷和氮化合物过量 危害：水道堵塞、水体生色、破坏水体中的生态平衡等n与农田施用大量化肥、生活污水、热污染源的流入有关环境污染与癌症 n环境污染导致生活环境中的致癌物质越来越多。1991年至2000年，我国城市居民中的癌症死亡率上升了18.31，农村居民中死亡率上升了11.03。ESI的排名敲给中国人的警钟 n2002年在纽约举办的年度世界经济论坛公布了142个国家的环境可持续能力排行榜。芬兰列在排行榜之首，美国第45位

16、，我国第129位，阿拉伯联合酋长国最后一位。n在名列世界前列的快速经济发展的同时，是否应该考虑一下我们的建设和经济发展方式是否超出了环境的承载能力？我们需要为子孙后代保留些什么？ 绿色化学绿色化学（green chemistry）n20世纪是人类对资源和环境破坏最严重的100年。20世纪70年代，和平与发展成为共同主题，战争已不再是威胁世界的第一危机，取而代之的是环境危机。 21世纪人类不得不面临新的环境问题。为了从根本上预防和治理环境污染，必须依靠近年在国际上引起极大关注的化学新领域绿色化学。绿色化学是针对传统的化学工业对环境造成的化学污染，于1990年前后由美国科学家首先提出来。先后命名为

17、“清洁化学”、“环境良性化学”、“原子经济学”等。 环境保护的警世之作环境保护的警世之作寂静的春天寂静的春天n1962年，美国女科学家Rachel Carson所著Silent Spring出版，书中详细地叙述了DDT等杀虫剂对各种鸟蛋的影响，使鸟类数量急剧减少，使原来花红叶绿、百鸟歌唱的春天变得“一片寂静”。nDDT(双对氯苯基三氯乙烷) 1939年被发明，1941年上市。昆虫一碰到它，便因神经系统麻痹而被杀死。 将它喷酒在农作物上，或喷酒在带菌昆虫赖以繁殖的沼泽类地区，会收到良好的灭虫效果。n人们发现有些昆虫对DDT产生了抗药性，药效不如从前明显，且DDT能在动物体内积累。n卡逊预言化学杀

18、虫剂的生产和应用，会殃及很多有益生物，连人类自己也不能幸免。科学家和生态学家得出结论，使用DDT弊多利少。n1971年，美国环保署成立，1972年正式立法宣布禁止使用DDT 。环境保护经历的三个时期 (1) 20世纪中期以前稀释药物来防治污染时期 导致20世纪世界范围内的八大公害事件。 1930年 比利时马斯河谷烟雾事件 SO2废气1943年 美国洛杉矶光化学烟雾事件 汽车废气，二次污染1952年 英国伦敦烟雾事件 SO2废气1953年 日本水俣病事件 甲基汞1968年 日本北九州米糠油事件 多氯联苯1972年 日本富山县骨痛病事件镉中毒1984年 印度博帕事件 甲基异氰酸酯1986年 瑞士莱

19、茵河化学药品事件 硫化物、磷化物、汞（2）20世纪中期至80年代末末端治理时期 n各国政府相继立法限制废物的排放浓度和排放量，废水、废气和废渣必须经处理后才能排放。 n有毒有害物质仍源源不断地被排放到环境中；另一方面，处理污染物所需费用十分巨大。（3）20世纪九十年代以后污染预防为主，末端治理为辅时期 1990年，美国颁布了污染防止法案，将污染防止确定为美国的国策。绿色化学在这一背景下应运而生。 目标：改变现有化学化工生产的技术路线，实现从“先污染，后治理”向“从源头上根除污染”的转变。绿色化学的定义n利用化学原理在化学品的设计、生产和应用中消除或减少有毒有害物质的使用和产生，设计研究没有或尽

20、可能少的环境负作用、在技术上和经济上可行的产品和化学过程，是在始端实现污染预防的科学手段。 绿色化学的主要特点是“原子经济性” 反应的“原子经济性”概念最早是由美国Stanford大学的M.M.Trost教授提出绿色化学研究的中心问题n采用无毒、无害的原料；n在无毒无害的反应条件(催化剂、溶剂)下进行；n具有“原子经济性”，即反应具有高选择性，极少副产品，甚至实现“零排放”；n产品应是环境友好的。绿色化学的可行性n无疑在技术上、经济上都极为困难。它需要我们更新观念，改革化工设备和工艺。近几年，绿色化学这一“预防化学污染”的新观点逐步被人们认识、接受。 美国为此专设了“总统绿色化学挑战奖”，奖励

21、有更大突破的绿色化学成果。绿色化学在中国 n科学家们建议国家把绿色化学列入重点支持的重大基础研究领域： 对我国的环境至关重要的一些工业，如煤炭、石油、化工、造纸、制革、酿造和制药中的绿色化学开展基础研究； 在“原子经济性”和可持续发展的基础上研究合成化学和催化化学的基础问题，即绿色合成和绿色催化等； 综合利用现代生物技术和化学化工技术的绿色生化工程，如生物煤炭脱硫、微生物造纸、新生物煤炭脱硫和新生物质能源等；绿色化学的主要研究内容n一:设计对人类健康和生存环境更安全的目标物质关键利用化学构效关系和分子改性以达到效能和毒性之间的最佳平衡。 绿色化学不仅重视新化合物的设计，同时要求对多种现有化工产

22、品重新评价和设计。例如：联苯胺是个很好的染料中间体但具有极强的致癌作用。但变为二乙基联苯胺后既保持了染料的功能，又消除了致癌性。n二.着眼于基本原料的改变生产己二酸的传统原料苯、环己烷及丁二烯等 利用酶作催化剂，葡萄糖己二酸n三：逐步用良性试剂淘汰有毒试剂例如，Dow化学公司由于将100的二氧化碳代替氟氯烃用作聚苯乙烯泡沫塑料的发泡剂。 又如关于氯氟烃类（CFCs）化合物及其替代问题 。氯氟烃类化合物被认为是破坏高空臭氧层以及牵涉到温室效应的主要污染物。因此，除了减少排放、分解、回收和再利用之外，最彻底的办法是开发新的可以取代它们的化合物。“Freon”(氟里昂)是杜邦公司的产品二氟二氯甲烷(

23、 F12)的商品牌号氯氟烃类（CFCs）及其替代化合物 氢氯氟烃类 （HCFCs）氢氟烃类 （ HFCs ）碳氢化合物 （HCs）过渡产品臭氧层破坏系数均为零；在产品防燃防爆的安全性和适应在用设备等方面有优势。臭氧层破坏系数均为零；温室效应系数；在溶水性、冷凝压力、蒸发压力、排气温度和真空度要求等指标方面及制造成本上有较大优势；美国、日本广泛使用欧洲各国四:全面改变反应条件n1997年度“总统化学挑战奖”的学术奖授予BCH公司。该公司开发了一种合成布洛芬的新工艺。n布洛芬是一种广泛使用的非类固醇类的镇静、止痛药物。n传统生产工艺包括6步化学计量反应，原子的有效利用率低于40；新工艺采用3步催化

24、反应，原子的有效利用率达80(如果考虑副产物乙酸的回收则达到99) 。绿色化学的另一个方面 设计、生产和使用环境友好产品n环境友好的可降解物质环境友好的可降解物质塑料塑料一一. 塑料的分类和用途塑料的分类和用途 根据塑料对热的变化情况可以分为热固性塑料和热塑性塑根据塑料对热的变化情况可以分为热固性塑料和热塑性塑料两大类：料两大类： 热塑性塑料受热时软化热塑性塑料受热时软化,冷却后形成一定形状的制品冷却后形成一定形状的制品,再加热再加热又可软化，具有可逆性。又可软化，具有可逆性。 热固性塑料加热时高分子链发生交联热固性塑料加热时高分子链发生交联,一旦成型后再加热也一旦成型后再加热也不会软化，不具

25、有可逆性。不会软化，不具有可逆性。二二. 传统塑料对环境的危害传统塑料对环境的危害n1.残留塑料地膜导致农作物减产。n 2.自然界中长期堆放的废塑料，易传染各种疾病。废塑料中溶出的助剂还会污染土壤和地下水。n 3. 塑料废弃物难以降解，在自然界的降解周期约为50-400年，进入生活垃圾中的废塑料制品很难处理。n 4.散落在环境中的“白色垃圾”对市容、景观的破坏。n 5.塑料废弃物进入河流、湖泊和海洋航道，影响航运，使水质变坏，并影响水电站正常运行。可降解塑料可降解塑料n降解塑料是指在保存期内各项性能可满足使用要求，而使用后在自然环境条件下能降解成对环境无害的物质的塑料。例如：例如：聚乳酸（聚乳

26、酸（PLA）n性能：性能： 生物降解性、生物相容性和生物可吸收性 降解后不会遗留任何环保问题n制备方法：制备方法： 1.以微生物发酵产物乳酸为单体合成 2.环状二单体丙交酯聚合而成n应用应用 聚乳酸可以被加工成力学性能优异的纤维和薄膜，其强度大体与尼龙纤维和聚酯纤维相当，可作为医用材料。农药n 农药是指具有杀虫、杀菌、杀病毒、除草农药是指具有杀虫、杀菌、杀病毒、除草等功能的化学药物。等功能的化学药物。n现代农药还包括植物生长调节剂。现代农药还包括植物生长调节剂。1994年，年，美国环保局又将转基因作物列入农药的范美国环保局又将转基因作物列入农药的范畴。畴。n20世纪以来，世界人口增长的速度逐渐

27、加快。1930年为20亿，1960年达到30亿，1974年达到40亿， 1987年达到50亿，1999年突破60亿。n 农药是防治病虫害、提高粮食单产的重要物质。由于使用化学农药有效控制了农作物的病、虫、草害，全世界每年挽回农作物总产量3040的损失 二. 农药的危害n1. 农药引起的急性中毒2.农药对环境和土壤的污染 农药的大量使用，不当滥用，以及农药的不可降解性，已对地球造成严重的污染，并由此威胁着人类的安全。n 3.农药对生态的破坏n 传统化学农药结构稳定，导致害虫、病菌的抗药性。农药用药量的增加还会杀死有益生物，破坏了自然界的生态平衡 n4.农药对粮食和果蔬的污染 n由于化学农药残留量超标，影响了我国农产品出口贸易。 绿色农药是指对防治病菌、害虫高效，而对人畜、农作绿色农药是指对防治病菌、害虫高效，而对人畜、农作物安全，在环境中易分解、在农作物中低残留或无残留的农药。物安全，在环境中易分解、在农作物中低残留或无残留的农药。 绿色农药杀虫剂n第一代杀虫剂是有机氯、有机磷