化学与环境教案.docx

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化学与环境教案

 化学与人类课程教案

教学内容

第2章化学与环境

授课教师

孙二军

授课时间

10.14、21、28

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2章环境与化学

Chapter2EnvironmentandChemistry

2.1环境污染与绿色化学

2.1.1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.

2.1.2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

2.2大气污染及防治

2.2.1大气污染及概况

（1）大气的组成

大气层：

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

中间层

热层

逸散层

清洁干燥的空气，其组成为

N2O2ArCO2其他：

NeHeXeKrH2O3NO2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（0.03~0.033%）、H2O（g）（0~4%）

3）不定组分：

煤烟、粉尘、含SNC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

API

空气质量级别

空气质量状况

0~50

51~100

101~200

201~300

301~500

＞500

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅴ

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

2.2.2大气主要污染物

大气污染物

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

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：

①煤、石油燃烧（占60%），

②矿山、金属冶炼等，

③火山、岩石风化。

1）降尘——直径＞10μm，可因重力很快降落到地面。

2）飘尘——直径＜10μm，以气溶胶的形式长期飘浮在空中，其中0.5~5μm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6~12ppm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）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）

2.2.3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。

PAB——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=6~7pH=-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）→H2SO3

2H2SO3+O2→2H2SO4

2）气相反应SO2+O2→SO3+O

SO3+H2O→H2SO4

NOx型2NO+O2→2NO2

2NO2+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

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150~4000nm＜400nm紫外光，

400~800nm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

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+hν（λ＜240nm）→2O（激发态氧原子）

O+O2→O3

分解反应：

O3+hν（λ＜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”。

太阳紫外线分为三个波段：

UV—C（100~295nm）

有害

    O3吸收90%以上

UV—B（295~320nm）

有害

UV—A（320~400nm）

全部通过

2）臭氧层破坏的现状

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+hν→Cl+CF2Cl

Cl引发破坏O3的链反应：

Cl+O3→ClO+O2

ClO+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O3

NOx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+O2

NO2+O→NO+O2

总反应O3+O→2O2

CFC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。

我国冰箱CFC的替代品主要有：

HCFC-1416HFC-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=2NH4HSO3

SO2+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：

2NaOH+SO2=Na2SO3+H2O

Na2CO3+SO2=Na2SO3+CO2

（3）钙法：

用CaOCa（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+CO2

2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O=2CaSO4·2H2O

2.3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-1

298K时高纯水的电导率=5.5×10-6S·m-1

去离子水电导率=1.0×10-4S·m-1

蒸馏水电导率=1.0×10-3S·m-1

自来水电导率=0.5~5.0×10-2S·m-1

工业废水电导率=1S·m-1

天然水体的组成

分类

主要物质

悬浮物

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。

Ca（HCO3）2→CaCO3↓+H2O+CO2

Mg（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。

2.3.2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：

—SO3H—COOH

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：

—NH2—NH（CH3）

树脂水合后：

R—NH3+OH-R—NH2（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。

2.3.3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

HgCdCrPbVCoNiCuZnSn等

水质标准：

＜1mg/dm-3~10mg/dm-3

Hg＜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

2.3.4工业废水的处理

废水处理方法分类

基本方法

基本原理

单元技术

物理法

物理或机械分离过程

过滤、沉淀、离心分离等

化学法

化学反应转化过程

中和、氧化、还原、分解、混凝等

物理化学法

物理化学的分离过程

吸附、萃取、离子交换、反渗透等

生物法

微生物氧化、分解过程

生物滤池、氧化塘、厌氧消化等

（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++nOH-===M（OH）n↓

Ks=c（Mn+）·c（OH-）n

c（Mn+）=Ks/c（OH-）n

氧化还原法

氧化剂：

Cl2、NaClO、Ca（ClO）2、O3、O2等

例pH=8.5~11

NaCN+Cl2+NaOH=NaCNO+2NaCl+H2O

2NaCNO+3Cl2+4NaOH=2CO2+6NaCl+2H2O+N2

还原剂：

铁屑、铜屑、FeSO4、Na2SO3等

例含铬（Cr6+）废水的处理

pH=2~3

6FeSO4+H2Cr2O7+6H2SO4=3Fe2（SO4）3+Cr2（SO4）3+7H2O

2Cr3++3Ca（OH）2=2Cr（OH）3↓+3Ca2+

Cr3+排放标准＜0.5mg/dm3pH=?

•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、NOx、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