第一章绿色化学绪论

绿色化学原理和应用

2014年2月

一、课程基本信息

课程名称：绿色化学和应用：3学时/周

二、教材

胡常伟、李贤均编，《绿色化学原理和应用》，中国石化出版社，2002年4月四、主要参考书目1《绿色化学通用教程》，汪朝阳主编

2《绿色化学导论》，仲崇立

编著，北京，化学工业出版社

3《绿色化学与化工》，闵恩泽，吴巍

编著，北京，化学工业出版社

4《绿色化学工艺》，朱宪

编著，北京化学工业出版社

五、本课程学生学习质量评定

对学生实行综合素质评定，包括完成平时作业（每章作业8-10题），开(闭）卷综合考试，平时作业和期末考试综合评分，按比例计入总成绩。其中平时作业占50%，期末考试占50%。

六、讲授内容第一章绪论（4学时）第二章绿色化学（8学时）

第三章设计安全无毒化学品的基本原理和方法（8学时）

第四章设计更加安全化学品的应用（10学时）

第五章绿色化学方法（10学时）

第六章绿色化学的应用（6学时）

第七章绿色化学发展趋势（4学时）第一章、绪论

主要内容有：第一节环境问题：全球气候变暖，核冬天的威胁，臭氧层破坏，光化学烟雾和大气污染，酸雨，生物多样性锐减，森林的破坏，荒漠化

第二节资源问题：能源问题，其他资源问题

第三节健康问题(参阅）

第四节可持续发展问题

本章基本要求：

①了解绿色化学这门新兴交叉学科产生的背景。了解化学学科发展的规律。

②弄清人类社会目前面临的主要挑战，资源和环境的挑战及其化学本质。

③掌握可持续发展观的科学内涵。绿色化学简介引言

绿色化学是适应可持续发展的需要而诞生的一门新型交叉学科。它吸收了当代物理、生物、材料、信息等学科的最新理论和技术，具有明确的科学目标和社会需要。绿色化学又是人们为了节约资源和防止污染而针对化学界提出的一个新概念。它的产生和发展必将对人类健康、社会安定、生态环境等起到重要的积极作用，对人类的可持续发展具有重要意义！

从资源和环境的观点看，绿色化学为我们提供了有效的合理利用自然资源的原理和方法，从化学反应源头上消除污染，而不是治理污染的原理和方法。从经济观点看，绿色化学为我们提供了充分利用资源和能源，降低生产成本，符合经济可持续发展的原理和方法。从科学的观点看，绿色化学是传统基础内容的革新，队要求设计对环境友好，经济可行的绿色产品外，同时需要符合化学反应的原子经济性。

绿色化学已经成为当前化学研究的前沿，是21世纪化学发展的重要方向之一。本书主要以产品的绿色化、原料的绿色化、过程的绿色化为主线，介绍绿色化学的基本原理和实际应用。

绿色化学的提出是从20世纪中叶的“稀释废物来防治环境污染”，到后期的“管制与控制”时代，而在九十年代初期美国首先提出了“源头控制”，即从源头防止废物的生成。

1990年美联邦政府通过了“防止污染行动”的法令，将污染的防止确立为国策，该法案条文中第一次出现了“绿色化学”一词。

1995年美国环保在全美化学学会年会上对绿色化学进行了简述，即“被设计成减低或消除有害物质的使用或产生的化学过程和化学产品”，美国政府还设立了“总统绿色化学挑战奖”．1999年英国皇家化学会创办了第一份国际性《绿色化学》杂志，标志着绿色化学成为化学科学的前沿。至此，全世界掀起了绿色化学的研究热潮。核心内容（绿色化学对化学反应的基本要求）（一）、淘汰有毒原材料，尽量使用可再生材料，从源头上杜绝污染，逐渐摆脱对石油、煤等矿产资源的依赖。（二）、原子经济性。尽可能是参加反应的原子的都进入终端产物，这不但防止了污染，而且也提高了经济效益。（注：原子利用率=（预期产物的摩尔质量/反应物的总摩尔质量）*100%）（三）、合成中尽量不使用和产生有毒害物质。（四）、寻找最佳转换反应和良性循环，使用高选择性催化剂，实现“零排放”，降低副产物，使整个过程只有原料和能量的输出，而产出只有产品。（五）、设计对人类健康无害，对环境无污染的产品

本课程是在我们已经了掌握、“无机化学”、“分析化学”、“有机化学”等前置课程的基本理论和实验技能的基础上开出的。通过本课的程学习，我们将系统学习绿色化学的基本概念、基本原理和发展规律，并能在今后的工作和生活、生产实践中，运用这些规律去分析问题和解决问题。化学源于炼金术，是一门中心的，实用的和创造性的学科。

化学的方法、结构、化学反应的研究仍在主导其他学科，如：开发天然资源满足人类的生活需要形成了基于化学的产业——创造新物质人类的衣、食、住、行、用及保持健康均离不开化学化学的发展可分为：古代化学、近代化学和现代化学三个时期。

古代化学：17世纪以前，主要从事炼丹、炼金、医用化学、冶金。没有形成理论体系，研制出来的物质和实验器皿，为化学科学的发展做出了重大贡献。

历史上怀疑秦始皇、唐太宗、雍正可能死于服食丹药。近代化学：

17世纪中叶到19世纪末，明确了化学的科学性，创造和建立了化学的理论体系。如波义耳提出了元素的概念；拉瓦锡开创了实验定量分析的科学方法，否定了“燃素说”；道尔顿提出了化学原子的科学概念，创立了“原子学说”。现代化学：

从19世纪末至今，揭示了原子的内部结构和微观离子运动规律，揭示了分子运动本质。

主要成果有：卢瑟福含核原子的“天体行星模型”，量子力学基础上的原子结构模型和化学键理论；

化学的发展高度分化又高度综合，产生了如计算机化学、固体化学、生物化学、高分子化学、合成化学、环境化学等许多边缘学科。20世纪化学工业的贡献1、青霉素的发现和应用

1928年2月13日英国医学家弗莱明发现青霉素。1935年德国科学家钱恩和澳大利亚科学家弗洛里对青霉素进行了分离、提纯和强化，解决生产问题。青霉素——抗生素类药物——制药业蓬勃发展——使人类的抗疾病能力增强，寿命延长2、尼龙的发明

1935年以己二酸与己二胺为原料制得聚合物，又称聚合物66。将这一聚合物熔融后经注射针压出，在张力下拉伸称为纤维。1939年实现工业化后定名为尼龙。尼龙的各种产品从丝袜、衣着到地毯，渔网等，以难以计数的方式出现，是三大合成纤维之一。还有：1921年天然气1930年聚乙烯1939年的顺丁橡胶石油化学工业——改变了人类的生活方式，为材料、计算机等提供了物质保障。

第一节、环境问题环境问题的起因人类在向大自然不断索取以满足自身需要的同时也造成了严重的环境污染。当代全球的十大环境问题是:(1)

大气污染;

(2)

臭氧层破坏;(3)

全球变暖;

(4)

海洋污染;(5)

淡水资源的紧张和污染;

(6)

土地的退化和沙漠化;(7)森林锐减;

(8)生物多样性减少;(9)

环境公害;

(10)

有害化学品和危险废物。其中大部分与化学和化工产品的化学物质有关。关于环境污染的几个案例案例一：DDT，持久有机污染物之一♦

DDT是人所共知的曾是应用广泛的杀虫剂。然而，它在鸟类体内累积后，造成蛋壳变薄，使很多鸟类种群显著减少，如猎鹰，秃鹰，鹗和棕色鹈鹕等。★其它一些持久性多氯代化合物，如PCBs，二恶英，已知是具有雌激素性质，成为环境内分泌干扰物。南极企鹅体内已经检验出DDT

案例二：黄曲霉毒素由于很多化学品有毒，出现了一些憎化学品的呼声，认为全天然总比化学品为好！其实不然，天然物中也含有有毒化学物质。黄曲霉毒素

当用发霉的花生喂火鸡时造成火鸡发病或死亡才发现了它，已知它是致癌物。案例三：麦角酸

人吃了由黑麦上生长的麦角酸制成的麦角酸衍生物后，即变得发狂。麦角酸案例四：有些商人用黄樟树根提取物作饮料的香味剂，其中就含有黄樟素，它是一种致癌物。当人吃了未处理好的河豚鱼，可能中毒致死，由于它含有河豚毒素，可造成肺脏麻痹而死亡。黄樟素世界各国发生的关于有毒化学品的环境事故1、全世界每年消耗的化石燃料，２０世纪初不足１５亿吨，７０年代初达７０－８０亿吨．2、21世纪的第一个年代为200—300亿吨。3、伦敦烟雾---1952年12月5－8日伦敦城市城市上空2个月后，又有8000多人陆续丧生。4、1984年12月印度博帕尔毒气泄露，造成2000人死亡,受害人数达10余万人,一些人双目失明,终身残废5、1986年4月,乌克兰基辅北部切尔诺贝利核电站4号反应堆爆炸,放射性物质大量外泻,造成31人死亡,237人受放射性伤害.央视《东方时空》：毒患笼罩下的天津癌症村根据村民的不完全统计，自1999年以来，西堤头村和刘快庄村各种癌症患者有232人，平均年龄51岁，最小的才7岁，已经死亡172人，其中肺癌、肝癌和肠癌的患病比例最高。两个村的总人口大约是1.3万，癌症发病率达到了178/万，是全国癌症平均发病率7/万的25倍多。在村庄周围，道路两旁，生产化学制剂、染料中间体、油漆涂料、农药兽药、香精香料等各类化工产品的化工企业一个挨着一个，数量超过了90多个。一、全球气候变暖全球气候变暖是一种“自然现象”。由于人们焚烧化石矿物生成能量或砍伐森林并将其焚烧时产生的二氧化碳等多种温室气体，温室气体主要有二氧化碳、氮氧化物、卤代烃类。据估计，如果按照现在各国二氧化碳排放量增加的速度继续排放，21世纪中叶地球表面的平均温度将升高1.4~1.5℃，两极冰雪将会加速融化，海平面将上升0.25~0.65m。因海平面的上升，风暴潮灾害加剧、洪涝威胁增大，导致海水倒流，海岸内缩，这不但增加了排污难度，也使得江海堤防工程不能满足需要，减灾能力不断降低。

总之，全球变暖的后果，会使全球降水量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。

目前地球温度正在升高，上个世纪全世界的平均温度大约攀升了0.6摄氏度。北半球春天的冰雪解冻期比150年前提前了9天，而秋天的霜冻开始时间却晚了10天左右。20世纪90年代是自19世纪中期开始温度记录工作以来最温暖的十年，在记录上最热的几年依次是：1998年，2002年，2003年，2001年和1997年。气候变暖的因素主要有：1、人为因素2、大气环境污染因素

3、海洋生态环境恶化因素

4、土地遭侵蚀、沙化等破坏因素

5、森林资源锐减因素

6、酸雨危害因素

7、物种加速灭绝因素

8、水污染因素

9、有毒废料污染因素

二、核冬天的威胁

核冬天（假设热核战争后烟尘阻挡太阳辐射到达地面,使地面气温降至-15～-25℃而形成类似冬天的严寒气候）。

1982年，有人提出了有限的核战争所产生的烟尘会导致地球冷却的假设，这个概念被称为“核冬天”。烟尘和其他气体溶胶的大透镜作用烟尘对地球的影响可能会更大核爆炸产生的烟尘大量存在于大气中，使得地球冷却。

“现在的核冬天”

目前，世界上有5万多个核弹头，约达200亿吨梯恩梯当量的核武器，一旦发生核战争，地球上就会出现类似于冬天的核冬天。这个问题引起五位美国科学家的注意。他们经过一年半的研究，于1983年10月正式提出“核冬天效应”的理论。

研究者以美苏使用核武库中40％核武器（50亿吨）在北半球进行核战争为背景建立物理模型，利用公开发表的核武器性能数据建立数学模型，终于得出这样的推论：

三、臭氧层破坏

在距离地球表面15-25公里的高空，因受太阳紫外线照射的缘故，形成了包围在地球外围空间的臭氧层，这臭氧层正是人类赖以生存的保护伞。臭氧层主要有三个作用。

其一为保护作用，臭氧层能够吸收太阳光中的波长300nm以下的紫外线，主要是一部分(波长290～300nm)和全部的(波长＜290nm），保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有长波紫外线和少量的中波紫外线能够辐射到地面。所以臭氧层犹如一件宇宙服保护地球上的生物得以生存繁衍。

其二为加热作用，臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，正是由于存在着臭氧才有平流层的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧气，所以也就不存在平流层。

其三为温室气体的作用。臭氧层破坏元凶氯氟烃的实用，汽车排放的NOx

化合物同样会分解臭氧.臭氧消耗剂(ODS)的用量发达国家：1986,975.8千吨

1992,424.1千吨

我国1986,47.5千吨

1992,102.7千吨

1993,117.1千吨

用量下降用量增长对人类健康的影响:

降低免疫力；皮肤癌患者的增加，美国：5000人/年死亡，50万患者，澳大利亚：死亡5000/人年（总人口1700万）白内障患者的增加；对于植物的影响:降低农作物的产量品质

四、光化学烟雾和大气污染大量废弃物质不停地排向大气圈，直接污染大气并危及人类的生命。

光化学烟雾——主要是氮氧化合物与烃类物质再紫外线照射下，经过一系列复杂反应后形成的一种大气污染现象。

对人会引起咳嗽、胸痛、恶心、疲乏等，若逐渐积累影响就会损伤到肺功能，影响呼吸道结构，引起炎症。氮氧化物是引发光化学烟雾的主要元凶。

NO2→NO＋O

O+CXHY→CXHYOCXHYO.+O2→CXHYO3.CXHYO3.+CmHn→RCHO+R’CO+O2→O3

五、酸雨1、酸雨：pH值小于5.6的降水。包括雨、雪在内，其酸性成分主要是硫酸，也有硝酸和盐酸等。酸雨主要由化石燃料燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，经过复杂的大气化学反应，被雨水吸收溶解而成。

2、我国有三大酸雨区，主要是硫酸型，分别为：西南酸雨区：仅次于华中酸雨区。华中酸雨区：目前已成为全国酸雨污染范围最大，中心强度最高的酸雨污染区。华东沿海酸雨区：它的污染强度低于华中、西南酸雨区。

许多资料表明形成酸雨的主要物质是:酸性SOX、NOX气体等.

目前,全球有三大酸雨地区：西欧,北美和东南亚。我国长江以南也存在连片的酸雨区域，覆盖四川、重庆、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区，面积达200多万平方公里的酸雨区是世界三大酸雨区之一。酸雨的危害：湖泊酸化,渔业减产,森林衰退,土壤贫脊,粮菜减产,建筑物腐蚀,文物面目皆非

六、生物多样性锐减（一）、生物多样性锐减

生物多样性——是指地球上所有生物——植物、动物和微生物及其他物质构成的综合体。它包括遗传的多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。

据统计，近2000年来，地球上已有106种哺乳类动物和127种鸟类灭绝；濒临灭绝的哺乳类动物有406种，鸟类有593种，爬行动物209种，鱼类242种，其它低等动物更不计其数。

从1950年到1992年，非洲的大象从10万头锐减到1500头。如果偷猎活动不禁止，到下世纪初，非洲大象将灭绝。

据统计，目前全世界平均每小时有两个物种灭绝，照此下去，本世纪末，现有物种1/5将会灭绝，生物多样性保护遭受到严峻的挑战。（二）、生物多样性减少的原因（1）森林滥砍乱伐，碎裂分散（2）草场超载过牧，退化严重（3）对动植物资源过量开发利用及偷猎偷采珍稀濒危动植物（4）不断发展的环境污染（5）干旱、半干旱地区水资源的不合理利用带来的环境变化（6）外来物种的引入（7）渔业资源的过度捕捞导致资源的衰退（8）旅游、采矿等其它活动也对生物多样性产生不利影响（三）、生物多样性的价值

物种为人类提供了食物的来源。作为人类基本食物的农作物、家禽和家畜等均源自野生相型。野生物种是培育新品种不可缺少的原材料。

间接经济价值。固定太阳能、调节水文学过程、防止水土流失、调节气候、吸收和分解污染物、贮存营养元素并促进养分循环和维持进化过程等7个方面。

随着时间的推移，生物多样性的最大价值可能在于为人类提供适应当地和全球变化的机会。七、森林的破坏森林是地球生命之肺森林不仅有生态价值，而且还有很重要的经济价值。如果不严加控制，继续乱砍乱伐，我们将面临无足够的氧气供呼吸用的困境。八、荒漠化

由于气候变化和人类经济活动在内的各种因素影响所造成的干旱、半干旱和干燥、亚湿润地区的土地退化。造成结果：地球可利用土地减少。荒漠化是目前人类急待解决的一大突出的环境问题。①狭义的荒漠化（即沙漠化）指在脆弱的生态系统下，由于人为过度的经济活动，破坏其平衡，使原非沙漠的地区出现了类似沙漠景观的环境变化过程。沙漠化土地还包括了沙漠边缘风力作用下沙丘前移入侵的地方和原来的固定、半固定沙丘。由于植被破坏发生流沙活动的沙丘活化地区。②广义荒漠化

指由于人为和自然因素的综合作用，使得干旱、半干旱甚至半湿润地区自然环境退化（草场退化、水土流失、土壤沙化等以某一环境因素为标志的具体的自然环境退化）的总过程。荒漠化的两种类型（按气候区分类为热带荒漠与温带荒漠）

热带荒漠：位于热带沙漠气候区。受副热带高压控制，盛行下沉气流，降水少。

温带荒漠：位于温带大陆性气候区，深居内陆距海远。

当前我国荒漠化形势

根据全国沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化调研结果表明，我国荒漠化土地面积为262.2万平方公里，占国土面积的27.4％，近4亿人口受到荒漠化的影响。

据中、美、加国际合作项目研究，中国因荒漠化造成的直接经济损失约为541亿人民币。

形成荒漠化的因素（特例：以西北地区荒漠化为例）一、自然因素（不能改变）①

干旱，蒸发量大于降水量，深居内陆，距海远，海洋水汽难以到达。四周高山环绕，有青藏高原阻挡。②风多风大。

③接近冬季风源地（西伯利亚），地形起伏小，无高山阻挡，使大风长驱直入。④植被稀少，植被覆盖率低。⑤土质疏松，多沙漠（此为荒漠化的基础）二、人为因素（可改变）——对应的解决措施

人为因素的根本原因：

人口增长快，人地矛盾突出。解决的根本措施：控制人口数量，提高人口素质，实行生态移民政策。

第二节资源问题

一、能源问题石油：尚可开采约40年天然气：尚可开采约60年煤：尚可开采约220年近二百年来，人类利用煤、石油及天燃气作为能源，使生产力提高近200倍，主要用途为：

1、作为火力发电厂的燃料，提供电力。

2、作为开动工厂中各类机器的动力。

3、作为各种交通工具（飞机、汽车、轮船、大车）的动力。

4、作为各种化工产品的原料以制造化肥、农药、医药、染料、合成塑料、合成纤维、合成橡胶等。

二、其他资源问题如土地资源、矿产资源和生物资源等。土地资源为全大约60%的人口提供了生计。但由于人类人口的迅速增长，加之人类生存的各种需要，土地越来越少。矿产资源的开发和不合理利用对工业的发展造成严重影响，同时还造成了严重的环境污染。因土地资源、矿产资源是不可再生资源，最终会面临枯竭。

生物资源：在人类的寿命范围内属于可再生资源，但是，在生物资源的使用上有一个使用速度与再生速度相对平衡的问题，若消耗速度大于再生速度，生物资源也会枯竭。

资源枯竭后，人类靠什么生存？从何谈发展？第三节健康问题（参阅教材P5页）古人为求长寿求仙拜神修身养性炼丹寻药不可取

现代医药顽疾需新药抗衰老延寿命减少副作用避抗性增疗效、萨立多胺其R-异构体是一种有效的镇静剂而其S-异构体则是一种极强的畸胎剂第四节可持续发展问题

一、可持续发展的定义：

可持续发展是既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展称为可持续发展。

可持续发展主要包括社会可持续发展，生态可持续发展，经济可持续发展。

可持续发展概念的提出

最先是在一九七二年在斯德哥尔摩举行的联合国人类环境研讨会上正式讨论。

1980年国际自然保护同盟提出：“必须研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系，以确保全球的可持续发展。

随后，中国政府编制了《中国21世纪人口、资源、环境与发展白皮书》，首次把可持续发展战略纳入我国经济和社会发展的长远规划。

可持续发展主要包括社会可持续发展，生态可持续发展，经济可持续发展。

可持续发展的五点思想：参阅教材P7页1、可持续发展思想强调的是发展，把消除贫困当作是可持续发展的一项不可缺少的条件。

2、可持发展思想把环境保护作为发展过程的一个重要组成部分，作为衡量发展质量、发展水平和发展程度的客观标准之一。3、