化学与环境问题

化学与环境问题生活在21世纪的人们，在享受到了比以前皇帝还要舒适便捷的生活的同时，也被迫承担了相应的代价。我们能够在一天内到达几千公里以外，也能随时随地与另一块大陆上的人们实时通讯。我们能在中午的四川吃到广州今天早上刚捞上岸的海鲜，晚上可以在明亮的灯光下读书玩耍。种地不再像过去那么困难，人们不需要自己下田一只只的捉虫……但与此同时，我们不得不用各种证据说服我们入口的食物没有所谓的添加剂，戴着口罩在满是雾霾的城市里奔波，我们不能再随时随地的在小溪池塘里舀水喝……我们和环境不断的相互影响和作用，由此产生了环境问题。到今天为止，世界上共产生了十大主要的环境问题：1气候变暖2臭氧层破坏3生物多样性减少4酸雨蔓延5森林锐减6土地荒漠化7大气污染8水体污染9海洋污染10固体废物污染而在这其中与化学直接相关的就有6个环境问题（2,4，7,8,9,10），而剩下四个则与化学间接相关（1,3,5,6）。2臭氧层破坏：a)臭氧和臭氧层臭氧（O3）分子是由3个氧原子通过电子吸引结合形成的。这种电价键比氧气中的共价键弱得多，使得臭氧比氧气更具活性。高空中的氧气在紫外光的作用下从普通的氧气构型转变成了臭氧。高空平流层中的氧分子吸收波长为180~240nm的紫外光后解离：O2+紫外线→O+O自由氧原子加入一分子氧气形成臭氧：O+O2→O3地面上，当阳光作用于化石燃料污染物如氮的氧化物（NOx），形成光化学烟雾后，可生成臭氧。少量臭氧可在低空对流层分解，但更多臭氧在波长为200~320nm的紫外辐射下进行光化学反应，解离为氧气：O3+紫外线→O2+O但是氧原子结合臭氧分子的一个氧原子形成了两分子氧气：O+O3→O2+O2大气中约90%臭氧分布在距地表20~30km处的大气平流层中，这一气层称为臭氧层。臭氧层在保护生态环境方面起着十分重要的作用，这可从两方面体现：一方面臭氧层吸收太阳紫外辐射把电磁能变为热能，使平流层大气因吸收太阳短波辐射而增温，使我们行星上的生命得以持续下去。此外由于臭氧层有强烈吸收太阳紫外辐射功能，特别是有效吸收对人类健康有害的UV-B（波长为290~315nm）段紫外线，使地球生命免受伤害。与此同时，让对地球生命无害的紫外线和可见光等太阳辐射通过，支持各种生物生长，构成食物链的基础。同时，透过的少量紫外线可起到杀菌治病的作用。b)臭氧层破坏造成的影响一般认为臭氧层大量损耗后，吸收紫外辐射能力大大减弱，到达地球表面的紫外辐射也会变化。臭氧层形成之前，生物能在水中生活，因为水能反射紫外线，陆地生物不可能出现，因为DNA吸收紫外线，尤其是波长在280~320nm之间。紫外辐射中断DNA复制，致使繁殖失败和死亡。因此，臭氧层的完整是陆生生物存在的先决条件。紫外辐射的相对少量增加会使DNA复制过程中发生突变的几率增加，从而导致癌变，引起皮肤癌等癌症。紫外线同样对光合作用系统有极大破坏，会减少初级生产力，从而影响整个生态系统。近二十年的研究表明，地球大气平流层中的臭氧体积分数正在减少。国际臭氧趋势观察小组提供的1978~1987年高空飞行观测数据显示，南纬39~60°臭氧减少5%~10%，北纬40~64°减少1.2%~1.4%，20世纪80年代中期观测还发现南极上空每到春季（9~11月）臭氧层极薄，与周围相比像是形成一个“洞”，直径达上千公里，形成“臭氧空洞”。而平流层中臭氧减少1%，到达地球表面的紫外线辐射量将增加2%。据现行臭氧层破坏速度推算，到2075年，臭氧将比1985年减少40%，全球皮肤癌患者将达1.5亿，农作物产量将减少7.5%，水产品将损失25%，人体免疫功能也将减退。c)破坏臭氧层的物质臭氧层缺损来源于人类活动，多数科学家认为，人类过多使用氟氯碳类物质是臭氧层破坏的一个主要原因。人工合成的含氯和含溴的物质破坏臭氧层，被称之为破坏臭氧层物质（ODS）。典型的是氟氯化碳（CFCs）及哈龙（Halon）。含氯氟烃（CFCs）作为超制冷剂、烟雾剂、杀虫剂被广泛应用。研究表明含氯氟烃能上升到平流层降解臭氧。CFCs在紫外线照射下分子键结合改变，使得一个氯原子松散的连接在分子上。这种活化的CFCs遇到一个臭氧分子，一个氯原子能脱离下来，从臭氧分子中夺取一个氧原子。Cl-+O3=ClO+O2形成的氧化氯活性仍然很大，当它遇到另一个臭氧分子时，会夺取臭氧分子中的一个氧原子：ClO+O3=ClO2+O2二氧化氯在紫外线作用下裂解成一个自由氯原子和一个氧分子。ClO2+紫外线=Cl-+O2据统计，按这种方式，一个氯分子能裂解100000个臭氧分子。目前，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》规定了95种受控物质。除氟氯化碳和哈龙，还包括：四氯化碳作为一种清洗剂，在大气中经过42年才会分解甲基氯仿1，1，1-三氯乙烷，一种清洗剂，需要5.4年时间才能分解氟溴烃HBFCs，虽不被广泛应用，但是为了防止其新用途，也被列入《议定书》受控物质中含氢氟氯烃HCFCs，作为CFCs的第一种主要替代品开发出来。虽然比CFCs对臭氧破坏要小得多，但仍对臭氧造成一定的破坏，可在大气中存活1.4至19.5年。甲基溴CH3Br，被用于高经济附加值的农作物的熏蒸剂和杀虫剂，农业口商品的检疫处理，全世界年度总消费量约为70000t，大部分应用于工业化国家。4酸雨蔓延a)酸雨的主要成分酸雨是指PH值小于5.6的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水。b)酸雨形成的主要原因酸雨主要是人为地向大气中排放大量的酸性物质造成的。我国的酸雨主要是因大量燃烧含硫量高的煤而形成的，此外，各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因。酸雨形成的主要原因其实还是得归结于我们人类对自然的不断利用，不断开发，工业生产、民用生活燃烧煤炭排放出来的二氧化硫，燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氮氧化物，也排放酸性气体NOx。它们在高空中为雨雪冲刷，与水结合形成了PH值小于7的液体，形成了酸雨。c)酸雨形成的化学公式N2+O2在雷电的作用下生成NO4NO+302+2H2O=4HNO3酸雨多成于化石燃料的燃烧S→H2SO4S+O2（点燃）→SO2SO2+H2O→H2SO3（亚硫酸）2H2SO3+O2→2H2SO4（硫酸）（也可以被认为是SO2先被氧化为SO3，SO3再与水反应生H2SO4）总的化学反应方程式：S+O2（点燃）＝SO2,2SO2+2H2O+O2＝2H2SO4氮的氧化物溶于水形成酸：NO→HNO3（硝酸）2NO+O2＝2NO2,3NO2+H2O=2HNO3+NO总的化学反应方程式：4NO+2H2O+3O2＝4HNO3NO2→HNO3总的化学反应方程式：4NO2+2H2O+O2→4HNO38水体污染a)水污染由有害化学物质造成水的使用价值降低或丧失，污染环境。污水中的酸、碱、氧化剂，以及铜、镉、汞、砷等化合物，苯、二氯乙烷、乙二醇等有机毒物，会毒死水生生物，影响饮用水源、风景区景观。污水中的有机物被微生物分解时消耗水中的氧，影响水生生物的生命，水中溶解氧耗尽后，有机物进行厌氧分解，产生硫化氢、硫醇等难闻气体，使水质进一步恶化。b)分类方法废水从不同角度有不同的分类方法。据不同来源分为生活废水和工业废水两大类；据污染物的化学类别又可分无机废水与有机废水；也有按工业部门或产生废水的生产工艺分类的，如焦化废水、冶金废水、制药废水、食品废水等污染物主要有：（1）未经处理而排放的工业废水；（2）未经处理而排放的生活污水；（3）大量使用化肥、农药、除草剂而造成的农田污水；（4）堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；（5）森林砍伐，水土流失；（6）因过度开采，产生矿山污水。c)案例水俣病：1956年日本熊本县水俣镇一家氮肥公司排放的废水中含有汞，这些废水排入海湾后经过某些生物的转化，形成甲基汞。这些汞在海水、底泥和鱼类中富集，又经过食物链使人中毒。当时，最先发病的是爱吃鱼的猫。中毒后的猫发疯痉挛，纷纷跳海自杀。没有几年，水俣地区连猫的踪影都不见了。1956年，出现了与猫的症状相似的病人。因为开始病因不清，所以用当地地名命名。1991年，日本环境厅公布的中毒病人仍有2248人，其中1004人死亡。由此可见，化学正在被与各色各样的环境问题联系在一起。化学的发展在不断促进人类进步的同时，在客观上使环境污染成为可能，但是起决定性的是人的因素，最终要靠人们的认识不断提升来解决这个问题。一些著名的环境事件多数与化学有关，诸如臭氧层空洞、白色污染、酸雨和水体富营养化等；另一方面把所有的环境问题都归结为化学的原因，显然是不公平的，比如森林锐减、沙尘暴和煤的燃烧等。这当然与化学没有树立好自己的品牌有关系，在最早的化学工艺流程里面，根本没有把废气和废渣的处理纳入考虑范围，因此很多化学工艺都是会带来环境污染的。现在，有些人把化学和化工当成了污染源。人们开始厌恶化学，进而对化学产生了莫名其妙的恐惧心理，结果造成凡是有“人工添加剂”的食品都不受欢迎，有些化妆品厂家也反复强调本产品不含有任何“化学物质”。事实上，这些是对化学的偏见，监测、分析和治理环境的却恰恰是化学家。绿色化学是应对挑战的必然：科学不但要认识世界和改造世界，还要保护世界。化学也如此，为了应对化学所面临的挑战，提倡绿色化学是刻不容缓。绿色化学的概念：绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学或清洁化学，是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则,即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子，在始端就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放和零污染，是一门从源头阻止污染的化学。绿色化学不同于环境保护，绿色化学不是被动地治理环境污染，而是主动的防止化学污染，从而在根本上切断污染源，所以绿色化学是更高层次的环境友好化学。绿色化学的核心内容：原子经济性是绿色化学的核心内容，这一概念最早是1991年美国Stanford大学的著名有机化学家Trost（为此他曾获得了1998年度的“总统绿色化学挑战奖”的学术奖）提出的，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。他用原子利用率衡量反应的原子经济性，认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中。绿色化学的原子经济性的反应有两个显著优点：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地减少了废物的排放。原子利用率的表达式是：原子利用率=（预期产物的式量/反应物质的式量之和）×100%如无公害氧化剂过氧化氢的制备可采用乙基蒽醌法，即由氢和氧在2-乙基蒽醌和Pd为催化剂作用下直接合成，2-乙基蒽醌复出并可循环使用。此反应原子利用率为100%，体现了原子经济性，减少废物的生成和排放,是典型的零排放例子。解决环境问题并不仅仅依靠国家人民的自觉性，更多还是应该从源头上解决问题。化学造成的问题最后还是要回到化学上来解决。