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化学与环境保护 生物工程学院 张志斌 2007.2,第一章 化学对人类社会的贡献,化学：是研究物质的组成、结构和性质及其变化规律的科学，是与人类生活有密切关系的基础学科。 物质运动能量 微观宏观宇观 分子原子离子,1.1 化学在粮食增产中的作用,化肥农药植物生长调节剂 粮食 1.1.1 化学肥料 肥料三大要素：氮、磷、钾 光合作用： 化肥（N、P、K）肥料（包括农家、有机等）粮食增产,1.1.2 农药 杀虫剂：杀害虫 除草剂：除杂草 第一代农药：天然的 第二代农药：合成的 第三代农药：生物的 无机农药：砒霜、砷酸铅、砷酸钙 有机农药：666、DDT、乐果、敌敌畏,1.1.3 植物生长调节剂 定义：调节植物生理功能的一类化合物（促进、抑制作用） 植物生长调节剂是从天然植物内源激素研究中发展出来的一类农药。,1.2 合理使用能源离不开化学的指导,能源：就是能量的源泉，指能为人类利用，而获得有用能量的各种来源。 例如：。（P5） 化学在能源的研究和利用过程中的作用(P5）：化学反应。,1.2.1 化石燃料的有效利用 化石燃料：石油、天然气、煤 1.2.1.1 煤炭 包括：。（P6） 主要成分：C、H、O （N、S、P。） 1.2.1.2 石油 石油即原油：。（P6）,1。石油的分馏 分馏分馏塔 石油的分馏产品：表1.2(P7) 2。汽油性能的表征辛烷值 辛烷值： 相对辛烷值： 辛烷值90表示什么？,3。重整汽油 重整：把馏分中的烃类分子重新排列而构成新的分子结构（重排） 重整：可以提高汽油的辛烷值。 4。提高汽油辛烷值的方法 加入PbEt4 加高辛烷值的组分（调合辛烷值P10表） 重整 。,裂化：断链提高汽油产量 裂化汽油： 催化裂化： 商品汽油的主要来源： 催化裂化汽油 重整汽油,1.2.1.3 天然气 天然气组分：。？ 天然气是否有毒？ 完全燃烧 不完全燃烧 煤气的成分：。？ 煤气的毒性：？,1.2.2 发展清洁、安全和经济的核能 见书P1012 。 1.2.3 新能源的开发与利用 1. 太阳能：P12 2. 生物能：P13 3. 风能：P14 4. 地热能：P14 5. 海洋能：P14,6. 化学电源：P1417 氢镍电池： 锂电池： 燃料电池：,第三节 化学为人类提供不竭的新材料,定义：材料是用于制造各种有用物品的的物质，是人类生产和生活必须的物质基础。 材料、信息、能源：并称现代社会进步的三大支柱。 分类：结构材料 功能材料,举例：天然高分子材料： 合成高分子材料： 三大合成材料：塑料 纤维 橡胶 人们的衣食住行：都与化学和材料有关 金属材料 陶瓷材料 有机高分子材料 复合材料,第四节 人体的化学反应与新药开发,一、人体中的化学变化 人体中化学反应特点：复杂 反应多 反应快 反应完全,酶人体中化学反应的催化剂 酶的定义：酶是一种蛋白质，是人体反应的催化剂。由细胞产生，但脱离细胞仍有作用。 酶的性质：酶溶于水成胶体溶液，极不稳定，遇热、酸、碱变性。 酶的种类：脂肪酶 蛋白酶 蔗糖酶,化学反应正、逆化学平衡 化学热力学 化学动力学 二、化学与新药的开发 药物：提取的 化学合成的 生化合成的 生物制药：以生物为原料，采用生物学和生物化学的原理和方法，制备具有防病治病价值的药物生产。,习题与思考题： 1. 化学是一门什么样的科学？ 2. 如何看待化学与人类生活和社会发展的关系？,第二章 化学污染与环境问题,内容提要：P9 学习要求：P9,第一节 化学污染,一、环境污染概述 四个圈层： 环境污染的因素：物理的 化学的 生物的,1. 大气污染：主要来自化石燃料的燃烧 化石燃料： 酸雨、温室效应、臭氧层破坏。 2. 水体污染：主要是污水排放 水资源： 淡水： 污水： 3. 固体废物、生活垃圾 。,4。 光和热的污染： 眩光：引起不舒服感觉的一种视觉现象。 眩光污染：在光环境中的眩光。 城市热岛：城市高大的建筑物阻止热浪的疏散。 城市热岛效应： 。,二、化工污染 化学工业的特点：原料、产品种类多，生产工艺多样化。 工业污染占环境污染的70 。 我国的工业废水治理率约20 工业废气治理率约56 工业废渣治理率约50,国外化工污染分三个阶段： 1. 化工污染的发生期（1890）：主要是酸碱盐污染 2. 化工污染的发展时期（19101950）：主要是煤及其产品。无机有机污染 3. 化工污染的泛滥时期（1950）：主要是石油、天然气。 由原来的煤烟型转化成石油型污染,工业污染分类：无机化学工业污染 有机化学工业污染 按污染物形态：废气、废水、废渣 化工污染物来源：化学反应不完全产生的废料；副反应产生的废料；燃烧过程中产生的废气；冷却水（废水。）；设备和管道的泄漏物；化工生产中排出的废弃物。,三、化肥生产中的污染 1。废气 化肥生产中的废气来源：氨合成中矿物燃料的燃烧以及各个流程中排出的硫氧化物、氮氧化物和CO等。 2。废水 生产氮肥的工厂排出的废水来源：用于制造过程的水；冷却水；用于辅助操作的水。,磷肥生产中会产生大量的废气、废水及固体废弃物的污染。 钾肥的生产中也会产生废水和固体废弃物的污染。,四、农药的污染 农药的污染：农药可污染大气、水体和土壤。 另外，农药的生态效应十分深远，尤其是对生物多样性保护的影响；农药对人体健康的危害，尤其是三致作用（致畸、致癌、致突变）和对生殖性能的影响。,第二节 环境污染事件,一、环境公害 环境问题：人与自然界的关系问题。是人 为的和自然的原因引起环境的破坏和污染，给人类带来灾难。 “公害”：主要指人为原因引起环境的破坏和污染。,公害发展的三个时期： 1。公害发生期煤 足尾事件：p16 2。公害发展期石油、天然气 烟雾事件： 3。公害泛滥期汽车尾气 洛杉矶烟雾事件。,世界环境污染八大公害事件,1. 公害病与公害事件 2. 公害事件之一：日本的水俣事件 3. 公害事件之二：日本的痛痛病 4. 公害事件之三：美国的多诺拉烟雾事件,5. 公害事件之四：比利时的马斯河谷烟 雾事件 6. 公害事件之五：日本的四日气喘病 7. 公害事件之六：日本的米糠油事件 8. 公害事件之七：英国伦敦烟雾事件 9. 公害事件之八：美国洛杉矶烟雾事件,二、重大污染事件 见书 P17 表：20世纪80年代 对环境污染危害较大的 三大工业部门：化工、冶金、轻工 六大企业：发电厂、钢铁厂、炼油厂、石油化工厂、矿山有色金属冶炼厂、造币厂,第三节 人类面临的重大环境问题,一、温室效应和全球气温上升 （1）温室效应： （2）温室效应加剧： 矿物燃烧、森林破坏 ，使CO2不断增加 。 （3）温室气体：水蒸气、CO2、甲烷、CO、臭 氧。,二、海平面上升 据统计： 南北极的冰是世界上江河湖泊总水量的9倍左右。 南极的冰熔化10，海平面将上升49米 温室效应加剧的结果（危害）。,温室效应加剧的结果（危害）。 这将造成： 淹没沿海城市或平原等； 影响播种及降雨量； 变暖的气候有利于病毒生长； 食物污染、变质加剧；疾病的流行会影响人类的健康。,三、土地荒漠化 定义：荒漠化指由于气候变异和人为活动等因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化。 世界防治荒漠化和干旱日：6月17日（1995年6月17日是第一个） 世界环境日：6月5日（1972.6.5-16联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议。1972年6月5日为第一个世界环境日）,四、臭氧层空洞 分布：位于平流层内，离地面约25km高度的地方，其厚度约20km（分布在高约1535km范围内）。 作用：O3吸收=220330nm的紫外线，防止紫外线对地球上生物的伤害。,问题：氮氧化物和氟氢烃（如氟里昂等）及大型喷气机尾气和核爆炸烟尘产生的污染物（如NO和某些自由基等），可以破坏臭氧层，使臭氧层变薄，甚至出现空洞 （南极和北极上空）。 危害：紫外线对生物具有破坏性，可以对人类的皮肤、眼睛和免疫系统造成损伤，使皮肤癌患者增多。强烈的紫外线还将影响鱼类和其它水性生物的正常生长，以及造成全球性气温的变化。,五、酸雨 定义：酸雨是指PH5.6的酸性降水，是大气污染现象之一。有些严重的地方5.0左右，甚至4.0左右。 成分：酸雨中含有许多无机酸和有机酸，绝大部分是硝酸和硫酸。 危害：酸雨可腐蚀建筑物，损毁庄稼，并使水域和土壤酸化，破坏整个生态环境，损害森林，使树叶、树枝枯黄甚至死亡。,危害具体表现在如下几方面（书P22）： （1）森林毁灭 （2）湖泊酸化 （3）农作物减产 （4）人体健康受损 （5）建筑物腐蚀,六、森林萎缩 森林的作用： 森林通过光合作用，吸收大气中的CO2，产生游离的O2，供人和其他动物及植物呼吸之用。被称为“天然的超级肺”。 全球和我国的森林萎缩状况见书P23,七、生物多样性丢失 到20世纪末，全球有100多万种生物被灭绝。 生物多样性包括物种、基因和生态环境的多样性，其中物种的数量是衡量生物多样性丰富程度的标志。 具体内容参见书P2325,八、灾害与国际减灾 1。自然灾害（P25） 2。人为灾害（P2526） 3。世界末日论与国际减灾10年（P2627）,九、环境纠纷和生态战争 1。资源纠纷（P2728）：争夺矿物资源，如石油。 2。转移污染（P28）：转移污染严重的企业到发展中国家。 3。生态侵略（P2829）：掠夺发展中国家的自然资源和初级产品。,习题与思考题,1. 简述环境污染的主要来源。 2. 什么是“八大公害事件”？ 3. 20世纪80年代以来的重大环境污染事件有哪些？ 4. 当前人类面临哪些重大环境问题？ 5. 如何解决化学对人类社会的贡献与化学污染对环境和生态破坏的矛盾？,第三章 环境与可持续发展,内容提要：P30 学习要求：P30,第一节 环境与可持续发展的概念,一、环境与环境科学 环境： 社会环境： 自然环境：由四个圈层组成 环境科学：是涉及自然科学、工程科学、医学和社会科学的一门边缘学科。 环境科学研究的目的：P31 环境科学研究的对象：P31,二、可持续发展 可持续发展：是既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展。（参见P31） 可持续发展理论的主要内容： 可持续发展不否定经济增长 可持续发展以自然资源为基础 可持续发展以提高生产质量为目标 可持续发展应体现环境资源的价值 可持续发展的实施以适宜的政策和法律体系为条件,第二节 可持续发展的形成,一、两座里程碑 1。1972年斯德哥尔摩人类与环境大会（1972.6.5-16）：环境与污染问题 联合国针对世界性的资源危机和环境恶化趋势，召开的会议，发表了人类环境宣言（见P33）,2。1992年巴西里约热内卢世界环境与发展首脑大会（1992.6.3-14)：环境与发展问题 参见书P3435 二、我们共同的未来与可持续发展 世界上的石油储量：维持4060年 世界上的天然气储量：维持5060年 世界上的煤炭储量：维持220年 可持续发展：满足当代人的需求，不损坏后代人需求的发展。,三、可持续发展的基本理论三种生产的和谐 1、三种生产及其联系 物质生产：获取资源 人的生产：消费资源 环境生产：产生资源 2、三种生产的调和 参见书P37,第三节 可持续发展的实施,一、里约热内卢会议的伟大成果21世纪议程 1、保护大气层 2、改善陆地环境 3、净化海洋环境,二、中国对可持续发展的重大贡献 1、中国21世纪议程内容简介： （主要内容见书P39） 2、中国可持续发展战略的实施（见书P39） ： 建立和健全可持续发展的法制 行业和地方制定规划的具体推进,3、中国致力于加大环境治理的力度（见书P40） 4、中国积极参与环境与发展领域的国际合作（见书P41）,习题与思考题,1、什么是可持续发展？ 2、可持续发展理论有哪些主要内容？如何协调三种生产力？ 3、简述1972年斯德哥尔摩人类与环境大会以及1992年巴西里约热内卢世界环境与发展首脑大会对环境可持续发展的重要贡献。 4、中国对可持续发展有哪些贡献？,第四章 化学反应的基本原理,内容提要：P42 学习要求：P42,第一节 化学热力学基础,热力学：是研究自然界各种形式的能量之间相互转化的规律，以及能量转化对物质的影响的一门科学。 化学热力学：是把热力学的基本原理用来研究化学现象以及和化学有关的物理现象的一门科学。,热力学第一定律： 能量守恒和转换定律在热力学上的表现。 它指明热是物质运动的一种形式。 并表明：外界传递给一个物质系统的热量等于系统内能的增量和系统对外所做的功的总和（即第一类永动机是无法制造的）。 UQW （ UQW ）,热力学第二定律： 它有不同的表述方式： （1）热量总是从高温物体传到低温物体，不能作相反的传递而不带有其它变化。 （2）功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所受的热量转变为功（即无法制造第二类永动机）。 （3）在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统的熵的数值增大（即熵增加原理）,热力学第三定律： 即能斯特（Nernst）热定理：当温度趋向于绝对零度时（273.16），体系的熵趋向于一个固定的数值，而与其它性质如压强等无关。 另一种表述：绝对零度不可能达到；不可能用有限个手续使物体冷却到绝对零度。,永动机：不可能实现的空想发动机。 第一类永动机：不消耗任何能量就能永远做功的机器。（违反热力学第一定律） 第二类永动机：能在没有温度差的情况下，从某一巨大物质系统（如海水、空气）不断吸取热量而将它转变为机械能的发动机。（违反热力学第二定律）,化学热力学研究的主要内容： （1）化学和物理变化中的能量转化问题。 （2）化学和物理变化进行的方向和限度。 即： 热一：过程的能量转换 热二：过程的方向限度,一、基本概念 1、系统与环境 敞开系统、封闭系统、孤立系统 2、状态和状态函数 状态：体系的热力学状态（始态、终态 ） 状态函数（性质）：确定体系状态的宏观性质的物理量（m,T,P,V,c,n,E,mol,) 包括： 容量性质（广度性质）：其数值与体系中物质的数量成正比，具有加和性（V，m，mol，U。）。 强度性质：其数值与体系中物质的数量无关，不具有加和性（P，T， ， 。）。,强度性质容量性质/容量性质 如 m/V 3、过程和途径 理想气体状态方程式：pV=nRT 4、聚集状态和相 气体： 液体： 固体：,5、化学方程式的一般形式 aA+bB=gG+dD 反应式通式： 反应速率表达式： 标准摩尔焓变： 标准摩尔熵变： 标准摩尔吉布斯函数变： （见书P4445）,二、化学反应热效应 1、热力学第一定律 （1）能的意义 （2）能的互变 (3) 能量的传递 （4）热力学第一定律 UQW Q：吸热反应为正值，放热反应为负值 W：环境对系统做功为正值，系统对环境做功为负值（膨胀功0，压缩功0）,2、化学反应热效应 化学热力学： 热化学： 反应的热效应： （1）恒容反应热（V0）：QvU （2）恒压热效应：Qp H= UP V 焓的定义：HUPV H UP VQp （3）热效应的测量 QCmT,3. 化学反应热效应的计算 因为化学反应前后的总内能不同，所以总是伴随有能量的变化，通常以热的形式与环境交换。即是反应的热效应。 因为体积功热效应（热量），因此，研究化学反应的能量主要考虑热量。 放热反应： 吸热反应：,（1）热化学方程式 定义：涉及热效应的化学反应方程式。 写法： 注意事项： 符号： 状态： 正负值： 数值表示： 见书P49,（2）标准摩尔生成焓和反应的标准摩尔焓变 1)物质的标准摩尔生成焓 化合物的生成焓（fHm）：在一定条件下，由稳定单质生成1mol化合物时的等压反应热。 规定：稳定单质的生成焓为零。,物质的标准摩尔生成焓（fHm)：在标准态下，由稳定单质生成单位物质量的纯物质时反应的焓变。 规定： 稳定单质的标准摩尔生成焓为零。 fHm(稳定单质）0 水合H+的浓度c=1mol.dm-3的标准摩尔生成焓为零。 即 fHm (H+ ，aq，298.15K)=0,标准态：指在标准压力p下物质的确切聚集状态。 标准压力选定： p 100kPa；标准态的温度T不具体指定，一般用298.15K。 对于气体：其标准态就是它的分压为100kPa的状态。 对于溶液：其标准态就是处于标准压力p下，溶液的浓度c=1mol.dm-3的状态。 对于液体和固体：其标准态就是处于标准压力p下的纯物质。,2)反应的标准摩尔焓变（ rHm ） 在标准条件下，反应的摩尔焓变叫反应的标准摩尔焓变。 计算公式见书P50： 注意事项见书P51：6点,三、化学反应的方向 1.自发过程：无需外界干涉即可自动发生的过程。 例子：见书P53 2.Gibbs函数 （1）Gibbs函数与自发过程 在等温、等压只做体积功的条件下，凡是系统Gibbs函数减少的过程都能自发进行（热力学第二定律的一种表达式）。 Gibbs判据：见书P54,(2)化学反应的标准摩尔Gibbs函数变rGm 标准态反应的Gibbs判据：见书P54 定义：在标准态下，由稳定单质生成1mol该物质的反应的标准摩尔Gibbs函数变称为该物质标准摩尔生成Gibbs函数。记为fGm(298.15K)。 规定：fGm(稳定单质）0 fGm (H+ ，aq，298.15K)=0 计算公式见书P55：（4.17),3. 混乱度与熵 自发过程的方向：混乱度（无序度）增大的方向（即熵增加的方向，这是自然界物质运动的基本规律）。 标准摩尔熵Sm和标准摩尔熵变 Sm 热三：在绝对零度时，任何纯净的完整晶态物质的熵等于零。 定义：单位物质的量的纯物质在标准条件下的规定熵叫做该物质的标准摩尔熵，记为Sm 熵值大小比较：见书P56（） 注意事项：见书P57,4. 反应自发进行方向的判断 GH公式：见书P58 （1）反应自发进行方向的粗略判断：见书P59 （） （2）化学反应的G的计算及自发进行方向的判断：见书P59 查表法计算： 标准熵法计算（近似GH公式）： 转向温度的计算：见书P60,第二节 化学反应速率,一、化学反应速率的表示法：见书P62 二、浓度对化学反应速率的影响： 1.质量作用定律：见书P6263 2.反应级数：见书P63 三、温度的影响和Arrhenius公式 1.经验规律： 2. Arrhenius公式：见书P6465,四、化学反应速率理论 1.碰撞理论： 2.过渡状态理论：见书P6667 五、提高反应速率的方法：见书P6768 1.增大浓度（或气体压力） 2.升高温度 3.降低活化能,第三节 化学反应进行的程度和化学平衡,一、化学平衡 1.化学平衡的特征：见书P68 2.平衡常数的表达式： 注意事项： 3.平衡常数（K）与反应的标准摩尔Gibbs函数变（rGm）： rGm RTlnK,二、弱电解质的解离平衡 1.一元弱酸、弱碱的解离平衡：见书P71 2.多元酸的解离平衡 3.同离子效应与缓冲溶液 （1）同离子效应：见书P73 （2）缓冲溶液及其pH的计算：见书P74 （3）缓冲溶液的应用、选择与配制：见书P76,三、配离子的解离平衡 1.配位化合物的组成和命名：见书P7778 2.配离子的解离平衡：见书P7879 四、沉淀溶解平衡 1.溶度积的概念：见书P80 2.溶度积与溶解度的关系：见书P81 3.溶度积规则及其应用 （1）溶度积规则：见书P83 （2）分步沉淀和共同沉淀：见书P8485,第四节 电化学原理 及其应用,一、原电池与电极电势 1.原电池：见书P8485 2.电极电势： P8586 （1）电极电势的产生 （2）标准氢电极 （3）标准电极电势的确定,3.原电池的电动势与Gibbs函数变的关系 rGm nFE 4.浓度对电极电势的影响（Nernst方程式）：见书P88 二、电极电势的应用 1.判断氧化剂、还原剂氧化还原能力的相对强弱：见书P8990 2.判断氧化还原反应进行的方向：见书P90 3.判断氧化还原反应进行的程度：见书P91,三、电解及其应用 1.电解的基本原理：见书P92 2.分解电压：见书P9293 3.电解产物的判断 4.电解原理在工程实际中的应用：见书P9395,习题与思考题,115题 全做,第五章 大气污染及其控制,大气： 大气组成： 大气污染： 大气污染防治：,第一节 大气圈的结构和组成,一、大气圈的结构（见书P98100） 对流层： 平流层： 中间层： 热成层： 逸散层,二、大气的组成 1.原始大气的组成：见书P100 2.当代大气的组成：见书P101102,第二节 大气污染的形成与发展,一、大气污染的发展变迁史 见书P102104 二、重大的大气污染事件 见书P104106 三、我国的大气污染状况与特征 见书P106107,第三节 大气污染的控制,一、大气污染源及主要污染物 见书P107108 二、控制大气污染的必要性 见书P108 三、大气污染防治的基本途径 见书P109,第四节 臭氧层空洞的形成及保护对策,一、臭氧层空洞对人类的威胁 见书P109110 二、臭氧层空洞的形成 见书P110113 三、保护臭氧层的全球对策 见书P113,第五