化学与环境教案.pdf
化学与人类课程教案化学与人类课程教案教学内容第第 2 2 章章 化学与环境化学与环境21、28授课教师孙二军授课时间10.14、授课班级08 小教本授课地点二教 108教学目的：1.了解大气污染物的种类、来源及危害。熟悉综合性大气污染现象（光化学烟雾、酸雨、臭氧层的耗减、温室效应）的产生原理及防治对策。2.了解评价水质的指标。了解水的净化方法及原理。了解工业废水的处理方法及应用。教学重点：（1）大气主要污染物，综合性大气污染现象；（2）水质指标，现代化水处理技术，工业废水的处理；教学方法：讲授法教学用具：PPT课时分配：6 课时教学内容：第第 2 2 章章 环境与化学环境与化学Chapter 2 Environment and ChemistryChapter 2 Environment and Chemistry2.12.1 环境污染与绿色化学环境污染与绿色化学2.1.12.1.1 环境与环境污染环境与环境污染环境:包括社会环境和自然环境环境污染;人为因素使环境不断恶化，从而干扰人类正常生活，对人体健康产生直接或间接,甚至潜在的不利影响。自净作用:受污染不强烈的环境经过若干物理、化学的自然作用或生物参与下尚可以恢复到原来状态.2.1.22.1.2绿色化学与清洁生产绿色化学与清洁生产（1）绿色化学及特征1)无毒无害原料,2)经济性的零排放,3)生产出环境友好产品，4)无毒无害反应（2）清洁生产及途径1）采用无污染，少污染,节约资源的新工艺、设备2）无毒无害原料;3)更新产品的结构,4)开展”三废”综合利用，5)达标排放12.2 大气污染及防治2.2.1 大气污染及概况（1）大气的组成对流层 12km 以内，其中 1 2km 以下的地层大气与人类密切相关。平流层 12 50km 又称同温层或臭氧层大气层：中间层热层逸散层清洁干燥的空气，其组成为N2O2ArCO2其他：Ne He Xe Kr H2O3NO2等78.08%20.95%0.93%0.03%0.001%99.99%环境科学对大气组成的分类：1）恒定组分：N2、O2、Ar、Ne、Kr 等气体，2）可变组分：CO2(0.030.033%)、H2O(g)(04%)3）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（2）大气污染概况大气污染大气中有害物质含量超过一定指标，使大气质量恶化对人、动植物、设备财产造成危害现象。空气质量周报（以城市空气中 SO2、NO2和总悬浮颗粒物的浓度为依据换算成空气污染指数即 API 和空气质量级别API05051100101200201300301500 5002空气质量级别空气质量状况优 可正常活动良好 可正常活动轻度污染 不亦长期接触中度污染 接触一段时间可出现不良症状重度污染 影响正常活动重度污染 影响正常活动2.2.22.2.2 大气主要污染物大气主要污染物一次污染物不同污染源直接向大气排放的有害气体和粉尘大气污染物二次污染物大气污染物相互作用或污染物与大气中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。（1）颗粒物（煤烟、粉尘）污染源：煤、石油燃烧（占60%），矿山、金属冶炼等，火山、岩石风化。1）降尘 直径10 m，可因重力很快降落到地面。2）飘尘 直径10 m，以气溶胶的形式长期飘浮在空中，其中 0.55 m 的飘尘对人体危害最大。飘尘的危害：可直接到达人体肺部，造成矽肺、呼吸道疾病。表面积巨大，可吸附污染物，造成粉尘与污染物协同作用（如伦敦型烟雾）颗粒物中的烟黑含有 C、H、O、S 的复杂有机化合物及多种稠环芳烃。如：3，4 苯并芘，一种强致癌物。对气候产生影响，使大气可见度降低，减少阳光的辐射，具有冷却效应。（2）SO2污染源：煤、石油的燃烧（占90%），如火力发电厂、钢铁厂、石油化工厂等。SO2的危害：1）有刺激性的无色气体，空气中浓度为 612ppm 时，可引起鼻腔、咽喉刺激性反应，高浓度时引起支气管炎，窒息。2）破坏叶绿素，使植物叶片枯黄、脱落、树干枯死，水稻减产。3）形成酸雨。3（3）CO主要污染源：汽车尾气的排放。危害：CO 是一种无色、无味、无嗅的气体，可破坏血红蛋白的输氧功能。当空气中 CO浓度达 1%时，可使人 2 分钟内死亡。（4）NOx(氮氧化物)NO、NO2、N2O3、N2O5等主要污染源：1）煤、石油的燃烧，2）汽车尾气的排放。危害：1）刺激呼吸系统。2）使血红素硝基化，从而使人中毒。3）形成酸雨，光化学烟雾（5）碳氢化合物（烃类）2.2.32.2.3 综合性大气污染现象综合性大气污染现象（1）光化学烟雾与汽车尾气1）光化学烟雾的形成机理主要反应：经过一系列的光化学反应，光化学烟雾中的主要产物为：O3、醛、酮、PAN、PAB 等，形成一种具有强氧化性、强刺激性的浅蓝色烟雾。PAN过氧乙酰硝酸酯，具有强烈的刺激性，是一种极强的催泪剂。4PAB过氧苯酰基硝酸酯，刺激性比 PAN 强 100 倍。2）汽车尾气的污染汽车尾气污染物主要有：COxNOxSO2HC 铅化合物、颗粒物、O3等。其中 NO2、NO、CO、烯烃、芳烃等在汽车尾气中所占比例很大。汽车尾气的复杂性和毒性主要取决于一下因素：汽油的组成，内燃机的结构和燃烧过程，尾气的后处理汽油的主要成分为：C5 C12，其中以 C7 C8 为主辛烷燃烧反应：C8H18(l)+12.5O2 8CO2(g)+9H2O(g)辛烷不完全燃烧将产生 200 多种烃类（原来汽油中没有的），汽油中的 CO 主要来自烃类的不完全燃烧，NOx则是在气缸点火的高温瞬间由空气中的 N2和 O2反应生成的。（2）酸雨正常的雨水 pH=67 pH=-lgc(H+)CO2(g)+H2O（g）=H2CO3按平衡计算 pH=5.6酸雨 pH 5.6 的降水酸雨形成中的主要化学过程可表示为：SO2型1）液相催化学反应 SO2+H2O(l)H2SO32H2SO3+O2 2 H2SO42)气相反应 SO2+O2 SO3+OSO3+H2O H2SO4NOx型 2NO+O2 2NO22NO2+H2O HNO3+HNO2酸雨的分布全球：酸雨主要分布在北半球，世界三大酸雨区按时间先后为：欧洲、北美、中国。中国：酸雨主要分布在 长江以南、青藏高原以东、四川盆地等地区。其中有四条线：重庆宜宾贵阳柳州长沙广州上海杭州5酸雨的危害1）使水体、土壤严重酸化，鱼类、农作物受到影响。当 pH 4.8，鱼类就会死亡。2）破坏森林、植物的生长。3）使建筑物、材料、金属制品被腐蚀。（3）温室效应加剧1）CO2与温室效应太阳辐射能量的 99%在波长 1504000nm 400nm 紫外光，400800nm 可见光，800nm 红外光CO2允许太阳的短波辐射透过，在 4300nm 附近有一个强吸收带，从而把热量截留在大气层内，使地表和低层大气变暖，类似于温室中玻璃的作用，故称为温室效应。2）其他温室气体H2OCH4N2OO3CFC 等多原子分子（30 多种）均可吸收长波辐射，产生温室效应。3）温室效应对人类的影响（4）臭氧层耗减1）平流层中 O3的形成6平流层的臭氧时由于氧分子吸收太阳及宇宙射线中的紫外光而形成的。主要反应为：生成反应：O2+h (240nm)2O(激发态氧原子)O+O2 O3分解反应：O3+h (290nm)O2+O消除反应：O3+O 2O2在平流层中始终维持着 O3的生成与分解，使平流层中 O3的含量长期保持在一定的范围内，在 25km 高度，O3的浓度可达 5 1012分子/cm3。正是由于 O3的生成与分解反应，吸收了太阳光中的大部分紫外线，被称为“生命之伞”。UVC(100295nm)有害 O3吸收 90%以上太阳紫外线分为三个波段：UVB(295320nm)有害UVA(320400nm)2）臭氧层破坏的现状全部通过南极臭氧洞的形成北极上空臭氧逐年减少臭氧层破坏已从两极向中纬度地区扩散3）臭氧层耗减对环境、生态的影响4）臭氧层破坏的机理氯氟烃破坏 O3氯氟烃中用量最大的是氟里昂（CF2Cl2），其对 O3破坏的机理为：光分解产生 Cl 原子 CF2Cl2+h Cl+CF2ClCl 引发破坏 O3的链反应：Cl+O3 ClO+O2ClO+O Cl+O2总反应：O3+O 2O2一个 Cl 原子可破坏 10 万个 O3分子除氟里昂外，其他卤代烷烃如：CF3Br(哈龙)、CCl4(氯仿)、CH3Br（甲基溴）等 同样会破坏 O3，且 Br 破坏 O3的能力比 Cl 更强。NOx破坏 O3NOx来自核爆炸、超音速飞机、航天飞机、氮肥的使用、微生物的转化等。NO+O3 NO2+O2NO2+O NO+O2总反应 O3+O 2O2CFC 的替代品：1）氢氟烃（HFC）不含 Cl，但制冷效果较差。2）氟碘烃（CF3I）C I 键易吸收紫外线而断裂，不会滞留在大气层中。3）氢氯氟烃（HCFC）对 O3破坏较小，可作为 CFC 的过渡替代品。7我国冰箱 CFC 的替代品主要有：HCFC-1416 HFC-134a 异丁烷 混合制冷剂（CF3I+HFC-152a）5 大气污染的防治与治理技术（1）加强大气质量的管理，随时进行监测。（2）控制污染源。（3）改革能源结构。（4）加强汽车尾气的治理。（5）植树造林。SO2的治理（1）氨法：用氨水为吸收剂吸收废气中的 SO2，吸收率 90%，主要反应：SO2+2NH3 H2O=(NH4)2SO3(NH4)2SO3+SO2+H2O=2 NH4HSO3SO2+2NH3 H2O=NH4HSO3（2）钠法：用 NaOH 或 Na2CO3水溶液为吸收剂，吸收率 90%，主要反应：2 NaOH+SO2=Na2SO3+H2ONa2CO3+SO2=Na2SO3+CO2（3）钙法：用 CaO Ca(OH)2或 CaCO3制成浆液为吸收剂，产物为 CaSO4，脱硫率 96%主要反应：CaCO3+SO2+1/2H2O=CaSO3 1/2H2O+CO22 CaSO3 1/2H2O+O2+3H2O=2CaSO4 2H2O2.3 水污染及其治理水是生命的源泉，是人类赖以生存的物质资源。多少世纪以来，人们普遍认为水资源是大自然赋予人类的，取之不尽，用之不竭。因此不加爱惜，任意浪费，但近年来越来越多的人们警觉到水并不象人们想象的那么丰富，很多地区出现的水荒已经造成了对经济发展的限制和人们生活的影响。地球上的水 97 是海水，陆地水不足 3，而大部又以冰川形式储存在两极，真正可供人类饮用的淡水资源不足 1（0.3），实际上，可供人类利用的水资源是降水所形成的地面水和地下水。2.3.1 评价水质的指标(1)电导率：表示水的导电能力，间接反应出水中含盐量的多少。单位 S m-1298K 时 高纯水的电导率=5.5 10-6 S m-1去离子水电导率=1.0 10-4 S m-1蒸馏水电导率=1.0 10-3 S m-1自来水电导率=0.55.0 10-2 S m-1工业废水电导率=1 S m-1天然水体的组成分 类悬浮物主 要 物 质细菌、病毒、藻类及原生动物，泥沙，粘土等颗粒物胶体物质硅、铝、铁的水和氧化物胶体物质，粘土矿物胶体物质，腐殖质等有机高分子溶解物质氧、二氧化碳、硫化氢、氮等溶解气体，钙、镁、钠、铁、锰等离子的卤化物，碳酸盐、硫酸盐等盐类，其他可溶性有机物（2）硬度：水中钙、镁离子含量的总和暂时硬度（碳酸盐硬度）钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐。8Ca(HCO3)2 CaCO3+H2O+CO2Mg(HCO3)2 MgCO3+H2O+CO2永久硬度（非碳酸盐硬度）钙、镁的硫酸盐、氯化物等。（3）耗氧量：水中发生的化学或生物化学氧化还原反应所消耗的氧化剂或溶解氧的量。生化耗氧量（BOD）微生物作用所需的氧。化学耗氧量（COD）CODCr（K2CrO7为氧化剂）。CODMn（KMnO4为氧化剂），由称为高锰酸盐指数。2.3.22.3.2水的净化水的净化 澄清与消毒 软化:化学软化,离子交换法离子交换法离子交换法 用离子交换剂除去水中阴、阳离子的方法。离子交换树脂 人工合成的有机高分子聚合物阳离子交换树脂（氢型）活性基团为酸性基团如：SO3HCOOH简写成：R SO3HR COOH阴离子交换树脂（羟型）活性基团为碱性基团如：NH2NH（CH3）树脂水合后：R NH3+OH-RNH2（CH3）+OH-除盐:离子交换，电渗析,反渗透电渗析法基本原理：1）在外电场作用下，电解质溶液中的阴、阳离子定向迁移。阴离子 正极，阳离子 负极2）离子交换膜的选择性透过阴 离 子 交 换 膜 允 许 阴 离 子 透 过，阳 离 子 交 换 膜 允 许 阳 离 子反渗透法反渗透：在溶液的液面加上一个额外的压力，使其大于溶液的渗透压，则溶液中的溶剂分子就会透过半透膜进入纯水中。92.3.32.3.3 水的污染水的污染我国水环境面临三大问题：水体污染，水资源短缺，洪涝灾害。水污染类型（1）酸碱盐污染如：氯化物、硫化物、氰化物等（2）重金属污染Hg Cd Cr Pb V Co Ni Cu Zn Sn 等水质标准：1mg/dm-3 10mg/dm-3Hg 0.001mg/dm-3，Cd 0.01mg/dm-3（3）有机物污染（4）水体富营养化（5）热污染2.3.42.3.4 工业废水的处理工业废水的处理废水处理方法分类基本方法物理法化学法生物法基本原理物理或机械分离过程化学反应转化过程微生物氧化、分解过程单元技术过滤、沉淀、离心分离等中和、氧化、还原、分解、混凝等吸附、萃取、离子交换、反渗透等生物滤池、氧化塘、厌氧消化等物理化学法物理化学的分离过程（1）物理法（2）化学法中和法1）调节废水的 pH 值2）让重金属离子生成氢氧化物沉淀Cd2+Ca(OH)2=Cd(OH)2+Ca2+Hg2+Ca(OH)2=Hg(OH)2+Ca2+Mn+n OH-=M（OH）nKs=c（Mn+）c（OH-）nc（Mn+）=Ks/c（OH-）n氧化还原法氧化剂：Cl2、NaClO、Ca(ClO)2、O3、O2等例 pH=8.51110NaCN+Cl2+NaOH=NaCNO+2NaCl+H2O2 NaCNO+3Cl2+4NaOH=2CO2+6NaCl+2 H2O+N2还原剂：铁屑、铜屑、FeSO4、Na2SO3等例 含铬（Cr6+）废水的处理pH=236 FeSO4+H2Cr2O7+6H2SO4=3Fe2(SO4)3+Cr2(SO4)3+7 H2O2Cr3+3 Ca(OH)2=2Cr(OH)3+3 Ca2+Cr3+排放标准 0.5mg/dm3 pH=?物理化学法:吸附,萃取，膜法 生化法教学后记本章要求掌握：环境污染概况。资源综合利用。清洁生产。可持续发展。大气污染及其防治。大气主要污染物（烟尘、SO2、NO x、CO、HC 等）综合性大气污染现象（酸雨，温室效应，臭氧层的破坏，光化学烟雾）。大气污染的防治。水的净化，水质指标，现代化水处理技术，水的污染，工业废水的处理。工业固体废弃物的治理11
