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第三节 化学与环境污染2019年中国年中国 环境统计公报环境统计公报 2019年，全国废水排放总量556.8亿吨，比上年增加3.7。2019年，全国废气中二氧化硫排放量2468.1万吨，比上年减少4.7。2019年，全国工业固体废物产生量17.6亿吨，比上年增加15.9；工业固体废物综合利用率为62.1，比上年提高1.9个百分点。一、水的概况 水是地球上分布最广泛的物质，约有70的地球被水所覆盖。地球上的水量虽然很大，但能满足人们需要的的淡水确很少,即使将湖泊、河流及下水全部包括也只占总水量的0.62。水是由氢、氧两种元素组成，分子为H2O。纯净的水常温下是一种无色、无味、无嗅的液体。谁的沸点和冰点分别为1000C和00C二、水的化学性质水和金属单质发生氧化还原反应：2H2O+2Na=2NaOH+H2，一般而言，水在常温下和活泼金属反应，生成碱和氢气 在高温下，能和较活泼的金属如：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2（反应需要加热）反应 水和非金属单质发生反应（大多是非氧化还原反应）Cl2+H2O=HCl+HClO 2F2+2H2O=4HF+O2 水能够和氧化物发生反应，生成碱或酸 SO3+H2O=H2SO4 Na2O+H2O=2NaOH 水能够辅助生成酸式盐：CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2 水能够和过氧化物，超氧化物反应，生成氧气 2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2 4KO2+2H2O=4KOH+3O2 水能够和有机物，无机盐发生水解反应：C12H22O11+H2O=C12H24H12 FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HCl 一般情况下是可逆反应，但是由于水解吸热，所以加热能够促进水解，在加热条件下，上述反应能够进行完全，最终生成Fe2O3 水还能够分解 2H2O=2H2+O2（在电解或光照情况下）三、水的净化天然的水中常含有较多的杂质，必须经过净化后才方可做生活用水。净化水水净化的目的：1、除去水中可见的杂质eg.常用物质有硫酸铝（Al2(SO4)3）和明矾（KAl(SO4)212H2O)去杂Al2(SO4)3+6H2O=2Al(OH)3+3H2SO42、消毒城市饮用水通常先砂滤初步除杂质，在通入暴晒池和通氯气消毒。四、水的纯化在化学意义上的纯净水的场合，如配制药液、注射剂、酿酒及化学实验等，一般饮用自来水难以满足要求。制备纯净水的常用方法有：1、蒸馏法 2、离子交换法 蒸馏法(Distillation)原理：该方法根据各种物质的沸点不同，利用冷却收集不同温度下的蒸汽，就可以得到非常纯净的被分离物。离子交换法(ion exchange process)原理：用一种物质（离子交换树脂）将其中的离子取走，则水就得到纯化。离子交换树脂1、阴离子交换树脂（碱性的离子交换树脂）（1）特点：该树脂能与阴离子（带负电荷的离子）发生交换反应。该树脂主要用有机铵盐型的树脂与碱性溶液反应制得。（2）分类：a.强碱性阴离子树脂这类树脂含有强碱性基团，如季胺基(亦称四级胺基)NR3OH(R为碳氢基团)，能在水中离解出OH而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。vb.弱碱性阴离子树脂v这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(亦称一级胺基)-NH2、仲胺基(二级胺基)-NHR、或叔胺基(三级胺基)-NR2，它们在水中能离解出OH而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。v 这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH19)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH进行再生。2024/7/132、阳离子交换树脂（酸性的离子交换树脂）v(1)特点：v该树脂能与阳离子（带正电荷的离子）发生交换反应。v该树脂主要用高分子化合物与浓硫酸发生磺化反应制得。v(2)分类：va.强酸性阳离子树脂v这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。2024/7/13vb.弱酸性阳离子树脂v这类树脂含弱酸性基团，如羧基COOH，能在水中离解出H+而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如R-COO(R为碳氢基团)，能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH514)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。2024/7/13离子交换树脂的吸附选择性 v离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性。各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律，但不同的树脂可能略有差异。主要规律如下：v()对阳离子的吸附 v高价离子通常被优先吸附，而低价离子的吸附较弱。在同价的同类离子中，直径较大的离子的被吸附较强。一些阳离子被吸附的顺序如下：vFe3+Al3+Pb2+Ca2+Mg2+K+Na+H+v()对阴离子的吸附 v强碱性阴离子树脂对无机酸根的吸附的一般顺序为：vSO42 NO3 Cl HCO3 OH v2024/7/13v弱碱性阴离子树脂对阴离子的吸附的一般顺序如下：vOH 柠檬酸根3 SO42 酒石酸根2 草酸根2 PO43 NO2 Cl COO HCO3 v()对有色物的吸附v糖液脱色常使用强碱性阴离子树脂，它对拟黑色素(还原糖与氨基酸反应产物)和还原糖的碱性分解产物的吸附较强，而对焦糖色素的吸附较弱。这被认为是由于前两者通常带负电，而焦糖的电荷很弱。2024/7/13离子交换树脂的应用领域v1）水处理v水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。v2）食品工业v离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。v3）制药行业v制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。v2024/7/13v4）合成化学和石油化学工业v在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。v5）环境保护v离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。v6）湿法冶金及其他v离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。2024/7/13五、水的软化v1、工业用水的分类：软水、硬水v2、硬水是怎样软化的？v3、水的硬度是怎样产生的？v4、硬水与软水的鉴别方法2024/7/13v1、定义v（1）什么是硬水？v硬水（Hard water）是指水中所溶的矿物质成分多，尤其是钙离子、镁离子、铁离子和锰离子。v（2）什么是软水？v软水（soft water）是指含较少可溶性钙、镁化合物的水。天然软水一般指江水、河水、湖(淡水湖)水。2024/7/13v2、硬水的软化v1沉淀法：用石灰、纯碱处理，使水中Ca2+、Mg2+生成沉淀析出，过滤后即得软水，其中的锰、铁等离子也可除去。v2软水剂v（1）Na3PO4：3CaSO4+2Na3PO4Ca3(PO)4+3Na2SO4v （2）六偏磷酸钠：Na4Na2(P03)6+Ca2+Na4Ca(P03)6+2Na+v（3）胺的醋酸衍生物（EDTA）：与Ca2+、Fe2+、Cu2+等离子生成螯合物v3.离子交换法：v（1）原理：用无机or有机物组成一混合凝胶，形成交换剂核，四周包围两层不同电荷的双电层，水通过后可发生离子交换。v阳离子交换剂：含H+、Na+固体与Ca2+、Mg2+离子交换v阴离子交换剂：含碱性基因，能与水中阴离子交换v2024/7/13v（2）常用交换剂：va.泡沸石：水化硅酸钠铝vNa2OZ+Ca(HCO3)2CaOZ+2NaHCO3vNa2OZ+CaSO4CaOZ+Na2SO4vb.磺化煤：v2Na(K)+CaSO4Ca(K)2+Na2SO4v2H(K)+CaSO4Ca(K)2+Na2SO4vc.离子交换树脂v4电渗析法v用直流电源作动力，使水中的离子选择性地透过树脂交换膜而获得软水。v5磁化法v使水流过一个磁场，钙、镁盐类分子间引力减小，不易产生坚硬水垢2024/7/133、水的硬度是由什么引起的：v 水的硬度是由碳酸氢钙或碳酸氢镁引起的，这种硬度叫作暂时硬度。这种水经过煮沸以后，水里所含的碳酸氢钙就分解成不溶于水的碳酸钙，水里所含的碳酸氢镁就生成难溶于水的碳酸镁沉淀。这些沉淀物析出，水的硬度就可以降低，从而使硬度较高的水得到软化。v水的硬度是由钙和镁的硫酸盐或氯化物引起的，这种硬度就叫作永久硬度。永久硬度不能用加热的方法软化。天然水大多同时具有暂时硬度和永久硬度，因此，一般所说水的硬度是指上述两种硬度的总和。2024/7/134、鉴别硬水和软水的方法：v方法1：取一杯热水，把肥皂切碎投入其中，肥皂能完全溶解，冷却后成为一种半透明液体（肥皂较多则成冻），即为软水;若冷却后水面有一层未溶解的白沫则为硬水。白沫越多，水的硬度越大。v方法2：还可以用烧杯加热，在杯壁留下较多水垢的是硬水。因为硬水是含有较多的可溶性钙，镁物质的水，加热后，这些可溶性的钙镁物质转化成不可溶性的物质，沉淀杂质多的是硬水，杂质越多，水的硬度越大。2024/7/13美丽的大海2024/7/13六、海水淡化地球上存在大量的海水，在缺乏淡水资源时，如生活在无淡水源的小岛上和长期在海上航行等，海水淡化意义重大。同时，海水含有3.5的盐类化合物，淡化海水不仅能补给淡水，而且还能廉价获得某些化合物。目前海水淡化技术有两类：蒸发和凝固分离水和盐；电化学手段分段分离水和盐。七、水体污染水体的污染引起水体污染的原因有自然污染和人为污染两类。（1）自然污染是有自然界的原因造成的。（2）人为污染是指人类生活过程中排放到水源排放到水源中的污染物。水体中人为无机污染主要是是重金属，多数来自相关生产或消费企业的排放和农业及医疗用药。水体中人为有机污染物种类繁多，主要来自在相关生产和消费企业的排放或事故泄露燃料不完全燃烧、农药施用及医疗废弃物等。知识链接-日本水俣病事件知识链接-二噁英二恶英包括210种化合物，这类物质非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物体内积累。自然界的微生物和水解作用对二恶英的分子结构影响较小，因此，环境中的二恶英很难自然降解消除。它包括210种化合物。它的毒性十分大，是氰化物的130倍、砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称。国际癌症研究中心已将其列为人类一级致癌物。环保专家称，“二恶英”，常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中，主要的污染源是化工冶金工业、垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。日常生活所用的胶袋，PVC（聚氯乙烯）软胶等物都含有氯，燃烧这些物品时便会释放出二恶英，悬浮于空气中。八、化学与大气污染 1、大气的概况：大气的组成成分：氮气（78.09）氧气（20.95）氩气（0.93）三者共占大气的99.9%以上，此外还有少量的CO2、水蒸气、臭氧、稀有气体等可变组分（随季节、气象及人们生产活动的影响而变化）。v大气圈定义：通常把随地球旋转的大气层称为大气圈。特征：该层高度可达104km，总质量约5500Mt。v对流层定义：把影响地球气候的大气层称为对流层。特征：该范围约为海平面上11.2km处。该层的大 气密度最大，占整个大气层总质量的95%左右。主要成分：N2、O2、Ar及CO2。2024/7/13v平流层定义：对流层上方约50km左右范围成为平流层。主要成分：N2、O2 及 O3等。特征：该层内大气的透明度较好，气流也稳定，几乎不存在水蒸气和尘埃，也极少出现云、雨、风暴等天气现象。分层：平平 流流 层层约80-85km左右中间层中间层非均匀质层非均匀质层宇宙空间宇宙空间2024/7/132、大气污染v定义：大气的污染是指在任何大气条件下，某些物质的浓度高于它们的正常标准，并对人和动物产生危害作用。v大气污染源有：生活污染源、工业污染源、交通运输污染源等等，其中人为排放的大气污染物有数十种之多。2024/7/13v大气污染物的分类：v（1）一次污染物（原发性污染物）：直接从各类污染源排出的物质，包含反应性物质和非反应性物质。v（2）二次污染物（继发性污染物）：不稳定的一次污染物发生化学反应生成的一系列新的污染物。v大气的污染物主要有八类：v硫化物、碳的氧化物、氮的氧化物、烃类化合物、卤素及其化合物、颗粒物质、农药及放射性物质2024/7/133、酸雨现象v自然界正常的雨和雪呈弱酸性，pH约为5.6。原因：CO2+H2O=H2CO3=H+HCO3-v酸雨形成的原因：可能是因为雨水中含有一定数量的稀硫酸和稀硝酸积极少部分其他弱酸。v酸雨的危害：（1）危害人体的健康；（2）使水体酸化；（3）破坏土壤和植被；（4）腐蚀金属、尤其、皮革、纺织品以及其他酸钙的建筑材料。2024/7/134、温室效应v又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。v它会带来以下列几种严重恶果：1、地球上的病虫害和传染疾病增加；2、海平面上升；3、气候反常，海洋风暴增多；4、土地干旱，沙漠化面积增大。2024/7/13第一张照片：海水回落。第二张照片：远处形成白色海浪。第三张照片：海浪越来越大 第四张照片：海浪冲向海滩。2024/7/13印尼海啸第五张照片 第六张照片：海浪冲上了海滩。2024/7/13京都议定书京都议定书v 为了促进各国完成温室气体减排目标，议定书允许采取以下四种减排方式：一、两个发达国家之间可以进行排放额度买卖的“排放权交易”，即难以完成削减任务的国家，可以花钱从超额完成任务的国家买进超出的额度。二、以“净排放量”计算温室气体排放量，即从本国实际排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量。三、可以采用绿色开发机制，促使发达国家和发展中国家共同减排温室气体。四、可以采用“集团方式”，即欧盟内部的许多国家可视为一个整体，采取有的国家削减、有的国家增加的方法，在总体上完成减排任务。2024/7/135、臭氧层空洞（ozonosphere hole）2024/7/13现在普遍认为臭氧层的破坏是由卤代烃类引起的。v原理：CFClFFCFFF+Cl紫外线O2紫外线2OO2O3O+ClO+Cl O2Cl O3+ClO+O22024/7/13v1985年和1987年分别通过了维也纳保护臭氧层公约和蒙特利尔议定书。v规定：要控制两类八种物质的生产：（1）氯氟烃，包括CFC-11、CFC-12、CFC-13、CFC-14、CFC-15；（2）溴氯氟烃，包括1211、1301、2402等，这类化合物常用4个数字来表示，分别代表C、F、Cl、Br。1211是一氯一溴二氟甲烷。2024/7/136、化学在防治环境污染中的主要作用（1）分析测定，确定毒物的存在与否及量的大小；（2）运用化学的方法使环境中的污染物得以消除或者污染物在进入环境之前就被除去。v如：化学法防治SO2污染法。2024/7/13九、绿色化学九、绿色化学v绿色化学的主要特点是：1充分利用资源和能源，采用无毒无害的原料；2在无毒、无害的条件下进行反应，以减少向环境排放废物；3提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所消纳，实现“零排放”；4生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。2024/7/13第四节 化学与海洋资源的开发利用v海洋是生命的摇篮，海水不仅是宝贵的水资源，而且蕴藏着丰富的化学资源。v海洋资源指的是与海水水体及海底、海面本身有着直接关系的物质和能量。v海洋资源的利用途径：v 从海洋里提取卤素的矿产资源；v 从海水里提取药物等生物资源。2024/7/131、从海水中提取卤素v（1）氯碱工业电解海水 2NaCl+H2O=Cl2 +2NaOH+H2 （2）1929年Stine海水中提取溴 3Br-+3Cl2+C6H5NH2=C6H2Br3NH2+3H+6Cl-(3)1939年Heath酸吸收法从海水中提取溴 Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4 现在也采用类似从油井中制碘的方法，化学方程式如下：2NaI+MnO2+3H2SO4=MnSO4+2NaHSO4+2H2O+I22024/7/132、从海水中提取药物头孢菌素类头孢呋辛酯片2024/7/13第五节第五节 拓展知识拓展知识v1、电子组态：v由n,l表示的一种电子排布方式。v如：碳（C）1s2 2s2 2p2v 铁（Fe）1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2v其中：vvn n(主量子数主量子数):决定体系能量的高低，其取值为：1，2，3，vvl l (角量子数角量子数):决定电子的轨道角动量绝对值M的大小和“轨道”的形状，其取值为：0，1，2，n-1。2024/7/13v应用光谱学的习惯表示：vl =0,1,2,3,v v s p d f 2024/7/132 2、原子轨道、原子轨道2024/7/132024/7/132024/7/132024/7/132024/7/132024/7/13人体组织蛋白酶K43、蛋白质2024/7/13新红外线蛋白质的结构，小图是活体小鼠发出的红外线 2024/7/13
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