高中化学 专题六 从污染防治到绿色化学 第二单元 绿色化学与可持续发展学案 苏教版选修2-苏教版高二选修2化学学案

第二单元绿色化学与可持续发展1．认识什么是绿色化学，理解提出绿色化学的背景和宗旨。2．能举例说明实施绿色化学的生产方针，了解绿色化学生产的典型实例。了解实施绿色化学要在哪些方面对传统化工生产的设计和工艺进行改进。了解什么样的产品才是绿色化学产品。“食”面埋伏绿色食品是指遵守可持续发展原则，按照特定生产方式生产，经专门机构认定，许可使用绿色食品标志的，无污染、安全、优质、营养类食品。区分为AA级和A级。绿色食品是无污染、安全、优质食品的总称。绿色食品分为以下两种：AA级：指生产地的环境质量符合国家规定标准，生产过程中不使用任何有害化学合成物质，按特定的操作规程进行生产、加工，产品质量及包装经检测符合标准，并经专门机构认定，许可使用AA级绿色食品标志的产品。A级：指生产地的环境质量符合国家规定标准，生产过程中允许限量使用限定的化学合成物质，其余条件与AA级相同。思考：产品绿色化的特征是什么？提示：产品的使用不会引起人类的健康问题和环境污染问题，不会对生态环境造成危害；产品失去使用价值后，可以再生循环利用制造新产品，或者可以在环境中降解为无害物质。一、绿色化学的含义1．绿色化学的含义绿色化学要求利用化学原理从源头消除污染，减少或消除在化工产品的设计、生产及应用中有害物质的使用和产生。绿色化学要求化学反应和化学工业过程以“原子经济”(atomeconomy)为基本原则，在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的原料的每个原子，实现“零排放”(Zeroemission)。2.绿色化学的主要原则一些化学家曾提出绿色化学的12条原则，其中关键的是：使用无毒、无害的原料或可再生资源；生产利用的化学反应是原子经济反应，即生产中使用的反应物在反应中被充分利用，反应物中各元素的原子全部转入生成物中；生产过程使用的催化剂是无毒、无害、有高选择性的，使用的溶剂也应是无毒、无害的；生产过程的能耗要低，最好能在常温常压下实现；选择化学生产过程中需要的物质，应尽量使发生化学意外事故的几率和危害性降低到最低程度，得到的产品在不能使用后要可降解成无害物质。二、绿色化学工艺1．原料绿色化现代的许多有机合成工艺使用不可再生的石油炼制产品为原料，在生产过程中，尤其在各种氧化反应阶段，存在较多的污染严重的反应。化学家研究发现可以使用农业性、生物性原材料等可再生资源代替石油产品来制备有机化合物，从而避免生产过程中污染严重的反应，同时解决资源枯竭的问题。2．催化剂绿色化催化剂的使用提高了反应速率、生产效率。化学家研究并利用一些新的催化剂，找到了许多新的合成化合物的反应路线，减少了化学转化的步骤和使用的试剂，避免了反应废物的增加。但是，许多催化剂有剧毒，要求的反应条件较苛刻。如何设计和使用高效无害的催化剂，也就成了绿色化学的重要内容。如一类结晶型的硅铝酸盐，具有均一的微孔结构，能在分子水平上筛分物质，可作为分子筛。分子筛在催化剂领域中占有重要的地位。3．溶剂的绿色化科学家研究发现，温度低于31℃、压强超过7.38MPa时，二氧化碳处于超临界(supercritical)状态；当温度低于31℃时，只要压强足够大，就可以得到液态或固态二氧化碳。超临界二氧化碳和液态二氧化碳扩散速度快，可以很好地溶解相对分子质量比较小的有机化合物，如碳原子数在20以内的脂肪烃、卤代烃、醛、酮、酯等；若再加入适当的表面活性剂，又可以溶解许多工业材料，如聚合物、重油、石蜡、油脂、蛋白质、重金属等。因此，可以用超临界二氧化碳或液态二氧化碳代替工业有机溶剂。4．产品绿色化当今社会的各个生产、生活领域已经离不开化学产品，但化学产品对人类自身的危害、对生态环境的破坏也是不可忽视的。唯一的出路是生产和使用对人类和环境无害的化学产品。人们渴望对人类和环境无害的绿色化学产品。绿色化学产品的特征是：产品的使用不会引起人类的健康问题和环境污染问题，不会对生态环境造成危害；产品失去使用价值后，可以再循环利用造成新产品，或者可以在环境中降解为无害物质。现在，已有多种绿色化学产品问世。例如，化学杀虫剂的新品种——二酰基肼，它能模仿昆虫体内一种蜕化素的作用，引发昆虫蜕皮，调节昆虫发育，从而扰乱昆虫的生长发育，使昆虫停食死亡。同时，它对其他动植物则是安全的，而且用量低，是目前最安全、最具选择性、最有效的昆虫控制剂之一。思考：绿色化学的核心内容是什么？提示：绿色化学的核心内容包括：“原子经济性”；避免使用或产生有害、有毒的化学药品或溶剂；物质可再生，循环使用。一、绿色化学的原则绿色化学主要是关于环境的化学。绿色化学的12项原则：(1)防止——防止产生废弃物要比产生后再去处理和净化好得多。(2)讲原子经济——应该设计这样的合成程序，使反应过程中所用的物料能最大限度地进到终极产物中。(3)较少有危害性的合成反应出现——无论如何要使用可以行得通的方法，使得设计合成程序只选用或产出对人体或环境毒性很小最好无毒的物质。(4)设计要使所生成的化学产品是安全的——设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能，还应具有最小的毒性。(5)溶剂和辅料是较安全的——尽量不用辅料(如溶剂或析出剂)，当不得已使用时，尽可能应是无害的。(6)设计中能量的使用要讲效率——尽可能降低化学过程所需能量，还应考虑对环境和经济的效益。合成程序尽可能在大气环境的温度和压强下进行。(7)用可以回收的原料——只要技术上、经济上是可行的，原料应能回收而不是使之变坏。(8)尽量减少派生物——应尽可能避免或减少多余的衍生反应(用于保护基团或取消保护和短暂改变物理、化学过程)，因为进行这些步骤需添加一些反应物同时也会产生废弃物。(9)催化作用——催化剂(尽可能是具有选择性的)比符合化学计量数的反应物更占优势。(10)要设计降解——按设计生产的生成物，当其有效作用完成后，可以分解为无害的降解产物，在环境中不继续存在。(11)防止污染进程能进行实时分析——需要不断发展分析方法，在实时分析、进程中监测，特别是对形成危害物质的控制上。(12)特别是从化学反应的安全上防止事故发生——在化学过程中，反应物(包括其特定形态)的选择应着眼于使包括释放、爆炸、着火等化学事故的可能性降至最低。二、绿色化学产品设计思路设计绿色化学产品，要使所设计化合物的分子具有特定的功能，没有危害人类健康和环境的性质，能在环境中较快降解。物质的性质取决于它的结构，要设计符合上述要求的化合物，就要研究某种化合物能产生特定功能的机理；研究有机化合物中具有特定功能的基团；研究怎样避免设计的化合物轻易地进入人体，被人体吸收，或在被吸收后是无害的，或产生的危害可以很快被消除；研究怎样减少需要配合使用的辅助物质。目前，下列绿色化学产品的设计思路已被广泛接受：(1)设计不使用易挥发的有机溶剂，以水溶液或非挥发性有机溶剂为介质的涂料。(2)设计的颗粒状或粉状的产品，微粒直径应大于10μm，避免随人的呼吸进入呼吸系统，引起危害。(3)设计可被微生物降解的塑料，如由乳酸聚合生成的聚乳酸树脂。(4)开发清洁能源，如生产异构化烷烃含量高的清洁汽油(它具有高的辛烷值，即抗爆性强)，取代加有含铅化合物的汽油。拓展思考：如何理解原子经济性？提示：“原子经济性”是绿色化学的核心内容之一，即充分利用反应物中的各个原子，因而既能充分利用资源，又能防止污染。如无机化学中的化合反应、有机化学中的加成反应等，就是原子利用率百分之百。再如用稀盐酸和石灰石制取二氧化碳，由于在收集气体的过程中不可能会没有排放，就不是绿色化学。知识点绿色化学【例题1】下列做法中不符合“绿色化学”思想的是()。A．以水性涂料代替油性涂料B．以无磷洗涤剂代替含磷洗涤剂C．实验后的有毒有害物质应分类收集，统一处理D．在通风橱中制取氯气时不用NaOH溶液吸收尾气解析：A项，关于水性涂料和油性涂料问题：水性涂料水为稀释剂，油性涂料就会以甲苯、二甲苯、醋酸丁酯等有机溶剂为稀释剂，二者用途不同，比如，用在工业建筑大楼、办公大楼内外墙，水性的较好；金属机件上、管道、罐体会用到防腐隔热的油性涂料，但是后者由于用到有机溶剂来溶解稀释，会污染环境。B项，含磷洗涤剂会导致水体富营养化。D项，在通风橱中制取氯气，多余氯气仍然会排入大气中，因此要进行尾气处理。答案：D【例题2】“绿色化学”是当今社会人们提出的一个新概念。在绿色化学中，一个重要的衡量指标是原子利用率。其计算公式为：原子利用率＝eq\f(期望产品的摩尔质量,化学方程式计算所得产物的摩尔质量)×100%。如在反应aA＋bB=cC＋dD中，若C为期望产品，则制备C的原子利用率为：eq\f(c×MC,c×MC＋d×MD)×100%(其中MC、MD为分子摩尔质量)。现在工业上用乙基蒽醌制备H2O2，其工艺流程的反应方程式为：则用乙基蒽醌法制备H2O2的原子利用率为______。A．12.6%B．12.5%C．94.1%D．100%解析：本题考查物质制备中的原子利用率计算。若将上述两步反应相加，得总反应式：H2＋O2=H2O2，即乙基蒽醌在制备H2O2的反应中充当催化剂，而不是反应物，因此原子利用率是100%。答案：D点拨：解答本题时，容易根据第一个化学反应计算原子利用率为eq\f(34,34＋236)×100%＝12.6%，从而误选A项。错误原因是忽视第二个化学反应，没有对H2O2的制备原理进行分析，不能根据H2O2制备的总反应进行分析和计算。1绿色化学提倡化工生产应提高原子利用率。原子利用率表示目标产物的质量与生成物总质量之比。在下列制备环氧乙烷的反应中，原子利用率最高的是()。A．CH2=CH2＋B．CH2=CH2＋Cl2＋Ca(OH)2→＋CaCl2＋H2OC．2CH2=CH2＋O2→D．＋HOCH2CH2OCH2CH2OH＋2H2O解析：本题以工业制备环氧乙烷的4种方法为例，以介绍“绿色化学”和判断“原子利用率”，是信息迁移型试题，考查自学能力。由于C项反应式只有一个生成物，其原子利用率为100%，所以本题不用计算比较立即可得到答案为C。答案：C2绿色有机合成是指采用无毒、无害的原料、催化剂和溶剂，选择具有高选择性、高转化率，不生产或少生产对环境有害的副产品合成。下列是BHC公司新发明的布洛芬(Ibuprofen)绿色合成方法。试回答下列问题：(1)反应③属于羰基合成，反应①②分别所属的有机反应类型是________、________。(2)反应①的化学方程式为_________________________________________________。(3)与布洛芬互为同分异构体的芳香族化合物中，其结构可表示为的酯类，X的结构有______种(填数字)。(4)某学生提议用Reppe反应一步合成布洛芬，并使原子利用率100%，已知：RCH=CH2＋CO＋H2Oeq\o(→