資源簡介

(共72張PPT)
第八章
化學與可持續發展
第三節
環境保護與綠色化學
現代社會的環境污染問題日益嚴重，而環境污染的治理離不開有關的化學知識。我們的生活中都存在哪些污染問題？那么在化工生產中，有沒有不產生污染的工藝生產？我們怎么可以避免有關的化學污染？這一節課，我們就來學習有關方面的知識。
人類和其他生物生存的生物圈與大氣圈、水圈和巖石圈不斷地進行著物質和能量的交換，共同構成了地球生態系統。通常所說的環境問題，主要是指由于人類不合理地開發和利用自然資源而造成的生態環境破壞，以及工農業生產和人類生活所造成的環境污染。
一
化學與環境保護
環境問題的含義
開發和利用自然資源造成的生態環境破壞
工農業生產和人類生活造成的環境污染
要研究污染物的存在、分布和轉化規律，就需要對污染物的存在形態、含量等進行分析和測定，為控制和消除污染提供可靠的數據。化學工作者所承擔的環境質量監測工作是進行環境質量評價和污染治理的基礎。
工業“三廢”
廢氣 (化學燃料燃燒及工廠廢氣)
廢水 (工業廢水、生活廢水等)
廢渣 (工業垃圾、生活垃圾等)
化學在三廢治理方面有非常重要的作用。
廢 氣
廢 水
廢 渣
除了自然因素，大氣污染物主要來自化石燃料的燃燒和工業生產過程產生的廢氣及其攜帶的顆粒物。這些污染物在太陽輻射等因素作用下，經過復雜變化形成次生污染物(如圖8-21)，在一定的天氣條件下會造成酸雨、霧霾光化學煙霧等污染現象。
酸雨、霧霾、光化學煙霧
由空氣中的顆粒物、硫的氧化物(SO2、SO3)、氮的氧化物(NO、NO2等)、CO、碳氫化合物、氟氯代烴等會形成酸雨、酸霧；臭氧層空洞；光化學煙霧；
霧霾，是霧和霾的組合詞。霧霾是特定氣候條件與人類活動相互作用的結果。高密度人口的經濟及社會活動必然會排放大量細顆粒物(PM 2.5)，一旦排放超過大氣循環能力和承載度，細顆粒物濃度將持續積聚，此時如果受靜穩天氣等影響，極易出現大范圍的霧霾。
酸 雨
光化學煙霧
霧 霾
工農業生產和生活中產生的污水往往含有復雜的成分任意排放會導致土壤和水體的污染，必須經過多步處理才能達到排放標準(如圖8-22)。
污水的處理過程
常用的有物理法、化學法和生物法等。例如，加入硫酸亞鐵、硫酸鋁、聚合氯化鋁等混凝劑，可使污水中的細小懸浮物等聚集成較大的顆粒，然后經沉淀、過濾除去。對其他溶解在水中的污染物，則要根據其化學性質采用中和法、氧化還原法和沉淀法等進行處理。
① 污水的處理方法
② 污水處理級別
二級處理采用生物方法(又稱微生物法)及某些化學方法，除去水中的可降解有機物等污染物，可達到排放標準。
一級處理一般采用物理方法，用格柵間，沉淀池等除去污水中不溶解的污染物。處理后不能排放，一般作為預處理。
三級處理采用化學沉淀法、氧化還原法、離子交換法和反滲透法等對污水進行深度處理和凈化。處理后可用于綠化和景觀用水。
工業廢渣和生活垃圾等固體廢物的處理應遵循無害化減量化和資源化的原則，達到減少環境污染和資源回收利用這兩個重要目的。
思考與討論
(1) 含硫氧化物和含氮氧化物是形成酸雨的主要物質。工業上常利用它們與一些物質發生反應加以控制消除和回收利用。請舉例說明這些方法所依據的化學反應和反應類型。
含硫物質一般用石灰石——石膏法脫硫：
SO2＋Ca(OH)2 ══ CaSO3＋H2O 非氧化還原反應；
2CaSO3＋O2 ══ CaSO4 氧化還原反應。
汽車尾氣催化轉化原理：
2CO＋2NO ═════ 2CO2＋N2 氧化還原反應
催化劑
(2) 含氮、磷元素的大量污水任意排入河流、湖泊和近海水域，會出現水華、赤潮等水體污染問題。你認為在城市和農村出現的這種水體污染各有什么特點 請查閱資料，了解有關的污染及治理情況，并與同學交流。
所謂水華(water blooms)，就是淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態現象，是水體富營養化的一種特征，主要由于生活及工農業生產中含有大量氮、磷的廢污水進入水體后，藍藻(嚴格意義上應稱為藍細菌)、綠藻、硅藻等藻類成為水體中的優勢種群，大量繁殖后使水體呈現藍色或綠色的一種現象。也有部分的水華現象是由浮游動物——腰鞭毛蟲引起的。
淡水中“水華”造成的最大危害是：飲用水源受到威脅，藻毒素通過食物鏈影響人類的健康，藍藻“水華”的次生代謝產物MCRST能損害肝臟，具有促癌效應，直接威脅人類的健康和生存。此外，自來水廠的過濾裝置被藻類“水華”填塞，漂浮在水面上的“水華”影響景觀，并有難聞的臭味。
赤潮國際上也稱其為“有害藻華”，又名紅潮。海洋中一些微藻、原生動物或細菌在一定環境條件下爆發性增殖或聚集達到某一水平，引起水體變色或對海洋中其他生物產生危害的一種生態異常現象。
赤潮是在特定環境條件下產生的，相關因素很多，但其中一個極其重要的因素是海洋污染。大量含有各種含氮有機物的廢污水排入海水中，促使海水富營養化。
水華和赤潮的治理：減少工業廢水的排放，使用不含磷的洗衣粉，減少農業化肥農藥的使用
二
綠色化學
長期以來，科學技術為人類帶來了巨大的物質財富，而社會發展卻面臨著越來越大的環境壓力。如何協調資源開發利用與環境保護的關系，實現人類社會的可持續發展 綠色化學的理論和實踐為人類解決環境問題提供了全新的思路。
綠色化學有關概念
核心：利用化學原理從源頭上減少和消除工業生產對環境造成的污染。又稱為“環境無害化學”、“環境友好化學”、“清潔化學”。
綠色化學的理想在于不再使用有毒有害的物質，不再產生廢物，不再處理廢物，這是一門從源頭上減少或消除污染的化學。
綠色化學也稱環境友好化學，其核心思想就是改變先污染后治理”的觀念和做法，利用化學原理和技術手段，減少或消除產品在生產和應用中涉及的有害化學物質實現從源頭減少或消除環境污染(如圖8─24)。
綠色化學的原子經濟性
簡單而言，化學反應就是原子重新組合的過程。因此按照綠色化學的思想，最理想的“原子經濟性反應”就是反應物的原子全部轉化為期望的最終產物，這時原子利用率( 即期望產物的總質量與生成物的總質量之比)為 100%。
原子利用率 ═ ×100%
思考與討論
以乙烯為原料生產環氧乙烷，過去主要使用的是氯代乙醇法，包括以下兩步反應：
CH2═CH2＋Cl2＋H2O → ClCH2CH2OH＋HCl
2ClCH2CH2OH＋Ca(OH)2 → 2H2C─CH2＋CaCl2＋2H2O
O
總的反應可表示為：
CH2═CH2＋Cl2＋Ca(OH)2 → H2C─CH2＋CaCl2＋H2O
O
現代石油化工采用銀作催化劑，可以實現一步完成：
2CH2═CH2＋O2 ──→ 2H2C─CH2
Ag
O
試計算兩種生產工藝的原子利用率。你還能舉出其他原子利用率為 100%的化學反應類型和實際例子嗎 原子利用率與產率相同嗎 請仔細分析和體會綠色化學對化學研究和化工生產提出了哪些新的挑戰。
根據原子利用率公式計算，
第二種方法只有一種生成物，所以原子利用率為100%
第一種原子利用率 ═ ×100% ═ 25.4%
原子利用率100%的有化合反應，加成反應，加聚反應。
如：CaO＋H2O═Ca(OH)2等
原子利用率和產率是不同的，產率是指的是某種生成物的實際產量與理論產量的比值。
開發和利用自然資源，必須遵循減量化 (reduce)、再利用 (reuse) 和再循環(recycle ) 的原則，踐行綠色發展理念，保護生態環境。這關系到人類的生存和可持續發展需要全社會共同努力，為子孫后代留下良好的生存空間和更加美好的未來。
綠色化學是對傳統化學的挑戰，是對傳統化學思維方式的更新和發展，因此，綠色化學的研究內容是從反應原料、反應條件、轉化方法或開發綠色產品等角度進行研究，打破傳統的化學反應，設計新的對環境友好的化學反應。包括：
(1)使用無毒無害的原料；
(2)利用可再生資源；
(3)新型催化劑的開發研究；
(4)不同反應介質的研究；
(5)尋找新的轉化方法；
(6)設計對人類健康和環境安全的化學產品。
科學·技術·社會 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
人工光合作用
據估計，綠色植物等通過光合作用，每年可合成約2×1011t 有機物，這種能力著實令人羨慕，也引發了人們模擬這一奇妙的物質和能量轉化過程的興趣。面對日漸枯竭的化石燃料，面對臭氧層被破壞、全球變暖、空氣污染、酸雨等全球性和區域性環境問題，人們設想利用人工光合作用固定二氧化碳，制造燃料和基本化工原料，
利用陽光發電，光解水制氫氣，等等。人工光合作用研究的目標并不只是簡單地模仿，而是希望“人工樹葉”能夠做得更好，以擺脫自然條件的限制，實現大規模工業化生產。目前，該領域已經取得了一些令人振奮的突破。盡管從實驗室走向工業化生產還有很長的路，很多問題有待研究，如深入研究光合作用的機理，開發新型催化劑，研制高效安全的儲氫材料，但人們探索和創新的腳步不會停歇。
化學與職業 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
環境保護工程師
大氣、水和土壤與人們的生活息息相關，保護環境是我們的共同責任。環境保護工程師的主要工作是預防和治理環境污染，包括對環境問題的調查研究、分析監測、管理監督和對環境污染的控制與治理等。例如，應用光譜分析、滴定分析等化學分析方法對環境中的污染物進行分析和鑒定；研究大氣中PM10濃度、PM2.5，濃度和臭氧濃度；
測定土壤和水樣品的成分，檢測其中的農藥殘留和廢棄物污染等。這些數據、分析和研究，既可作為向公眾發布環境信息、提供生活服務的基礎，也可為政府決策提出相應的環境保護和環境治理方案，為制定政策提供參考。環境保護工程師在一些研究單位和企業從事著與環境保護相關的工作，如規劃和建造污水處理廠、城市資源再生系統，規劃、設計居民區的給排水系統，監控和治理各類生產中“三廢”的排放等。
環境保護是一項關乎國計民生的事業要想成為一名合格的環境保護工程師，必須要有高度的社會責任感，并具備分析化學環境化學、環境微生物學、環境監測、環境質量評價和環境工程等相關的知識。
隨堂練習
1、在日常生活中，下列做法值得提倡的是( )
A. 隨意丟棄廢舊電池
B. 隨手關閉水龍頭
C. 吃露天燒烤
D. 將生活垃圾深埋地下
B
2、我國酸雨的形成主要是由于( )
A．燃燒石油
B．森林失火過多
C．硫酸廠排出廢氣過多
D．燒煤
D
3.下列對廢棄塑料制品的處理方法中最為恰當的是( )
A．焚燒
B．粉碎后深埋
C．傾倒在海洋中
D．用化學方法加工成防水涂料
或汽油
D
4、甲基丙烯酸甲酯是合成有機玻璃的單體，其合成方法之一如下：
CH3OC≡CH＋CH3OH＋A→CH2═C(CH3)COOCH3，
下列說法正確的是( )
A. 已知該反應的原子利用率為100%，則A為CO2
B. CH3OH和甘油互為同系物
C. CH3C≡CH與丙烯的性質相似，則該物質可以發生加成、氧化反應
D. 能與NaHCO3反應的CH2═C(CH3)COOCH3的同分異構體有9種
C
5.下列物質的制備反應中原子利用率最高的是( )
A. 制取Cu(NO3)2 ：CuO＋2HNO3 ══ Cu(NO3)2＋H2O
B. 制取CuSO4 ：Cu＋2H2SO4(濃) ══ CuSO4＋SO2↑＋2H2O
C. 制取氯乙烷：CH2＝CH2＋HCl → CH2Cl─CH 3
D.制取溴苯：C6H6＋Br 2 → C6H5Br＋HBr
C
練習與應用
1.下列做法值得提倡的是 ( )
A. 選用回收廢紙制造的紙箱
B. 選用一次性筷子、紙杯和塑料袋
C. 將生活垃圾進行分類處理
D. 選乘公共交通工具出行
ACD
2. 我國酸雨的形成主要是由于 ( )
A. 森林遭到亂砍濫伐，破壞了生態環境
B. 大量燃燒含硫化石燃料
C. 大氣中二氧化碳的含量增大
D. 汽車排出大量尾氣
B
3. 下列廢舊塑料制品的處理途徑不恰當的是 ( )
A. 焚燒回收熱能 B. 深挖填埋
C. 制成再生制品 D. 裂解為化工原料
B
4.甲基丙烯酸甲酷是合成有機玻璃的單體。舊的合成方法是：
(CH3)2C ══ O＋HCN → (CH3)2C(OH)CN
(CH3)2C(OH)CN＋CHOH＋H2SO4
→ CH2═ C(CH3)COOCH3＋NH4HSO4
新的合成方法是：
CH3C≡CH＋CO＋CH3OH → CH2═C(CH3)COOCH3
與舊方法相比，新方法的優點是( )。
A. 原料無爆炸危險
B. 原料都是無毒物質
C.沒有副產物，原料利用率高
D. 對設備腐蝕性小
C
5.空氣質量是政府和公眾普遍關注的問題。
(1)目前，環保部門監測和公布的大氣污染物主要有哪些物質
可吸入性煙塵顆粒，二氧化硫，二氧化氮，一氧化氮；
(2)在汽油中加人某種含鉛化合物可以提高汽油的抗爆震性能，但我國已明令禁止生產、銷售和使用含鉛汽油，其主要原因是什么
鉛是重金屬元素，隨汽車尾氣排出會污染空氣；
(3)控制城市空氣污染可以從哪些方面考慮 舉例說明有哪些切實可行的措施。
開發清潔能源，減少化石燃料的燃燒提倡坐乘公交車，減少私家車使用，禁止燃放煙花爆竹、焚燒樹葉雜草。
6. NO是大氣污染物之一。目前有一種治理方法是在400 ℃左右、有催化劑存在的條件下，使NH3與NO反應生成無污染的N2和H2O。請寫出該反應的化學方程式。
6NO＋4NH3 ══════ 5N2＋6H2O
催化劑
400℃
7. 某城鎮的生產和生活區的分布情況如下圖所示，河流中a、b、c、d處某次水樣抽測結果如下表所示。
(1)導致b、c處水樣pH變化的原因可能是____________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
b處水樣pH變化的原因：石灰廠產生的生石灰進入河流，然后與水反應生成氫氧化鈣，所以導致pH增大；
c處水樣pH變化的原因：火力發電廠產生的二氧化硫擴散到大氣中形成酸雨，然后流入到河流
(2) d處魚類大量減少，產生這種現象的原因可能是__ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
化肥廠產生的廢水流入河流，導致水體富營養化，藻類大量繁殖，從而使得水體缺氧，所以魚類大量死亡
8. 某地區已探明蘊藏著豐富的赤鐵礦(主要成分為Fe2O3，還含有SiO2等雜質)、煤、石灰石和土。現擬在該地區建設大型煉鐵廠。
(1)隨著鐵礦的開發和煉鐵廠的建立，需要在該地區相應建立焦化廠、發電廠、水泥廠等，形成一定規模的工業體系。請據此確定下圖中相應工廠的名稱：
A________、B________、 C________、 D________。
發電廠
焦化廠
煉鐵廠
水泥廠
(2) 以赤鐵礦為原料，寫出高爐煉鐵過程中得到生鐵的化學方程式。
Fe2O3＋3CO2 ══════ Fe＋3CO2
高溫
(3) 從“三廢”利用和環境保護等角度考慮，該地區的企業在生產中應采取哪些措施(寫出兩種措施即可 )
發電廠的煤研石和粉煤灰作為水泥廠的原料、建立污水處理系統。
本課結束
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