化学与环境

第二章化学与环境环境的定义：影响人类生存和发展的各种天然和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜、城市和乡村等。按环境的功能不同，可以把环境分为生活环境和生态环境。水一、水的组成和结构图2-1水分子间的氢键H2O二、地球上有多少水？地球表面的四分之三被海洋、江河、湖泊中的水覆盖，十分之一被冰川覆盖。从太空观察，地球是个美丽的蔚蓝的水球。此外，地层、大气、生物体内都含有水。可供人类饮用的水有多少？可供人类使用的淡水仅占地球总水量的0.65%左右，缺水将是人类面临的最大危机。三、水有什么特性？•水的比热容在所有液态和固态物质中是最大的，为4.2千焦／千克·开•水具有高蒸发热，44KJ/mol•水在4℃时体积最小，密度最大，为1千克／升。冰的结构图2-2冰的结构四、水的重要作用•对调节地表气温，维持地表气温相对恒定具有重要作用•对于水生动、植物的生存有着重要意义•水是生命的源泉水与生命的起源原始大气层的组成：甲烷、水蒸气、氨气等还原性气体组成。原始大气光化学反应：氰化氢和甲醛氨基酸多肽、嘌呤碱、嘧啶碱、核苷酸蛋白质和核酸DNA分子生命的“化学进化”时期从前生命物质到原始生命前生命有机物原始生命五、人体每天需要多少水？人的生命离不开水，成人体内含水量一般约占人体质量的60%左右。一个成年人平均每天补充水2.5—4升；一个60岁的人摄入体内的总水量可达55吨。人体失水2％—5％，就要补充水。如果因流血或出汗过多而丧失10％的水，生理机能就会失调；人体内失水在14％以上时，体内产生的毒物不易排出；丧失22％以上的水，则会导致死亡。中老年人由于体内固有水减少，皮肤干燥无光泽、皱纹增多、易患皮炎、便秘、肾脏病等症。要合理饮水：通常每天要喝8—10杯水(每杯300毫升)；要提倡餐前空腹饮水，即于早、中、晚三餐之前约一小时左右喝一杯水。早晨起床后空腹饮水尤为重要，提倡喝200-400毫升温开水。六、水的净化和软化图2—3水净化过程示意图石灰—纯碱水净化中的化学过程硫酸铝的作用：常用的沉降剂，它在水中会发生水解反应，生成氢氧化铝白色絮状沉淀物，在其沉降过程中吸收水中悬浮物，一并带下，所以能净水。Al2(SO4)3+6H2O→2Al(OH)3+3H2SO4石灰-纯碱的作用：去除钙、镁离子，使水软化。Ca(OH)2+CaHCO3→2CaCO3+H2OCa(OH)2+Mg2++CO32+→CaCO3+Mg(OH)2曝气的作用：除去挥发性物质，带入的氧气可消除水中的不愉快气味，还可以使还原性离子氧化除去。例如，Fe2+→Fe(OH)3;Mn2+→MnO2(H2O)n氯气的作用：对饮水进行消毒，氯气可杀灭病原微生物以及除去汞、锰、氰等有害物质，但氯气本身又会造成污染，会产生多达129种有机化合物，其中三氯甲烷等有致癌作用。我国规定饮水中氯仿CHCl3最高浓度小于60微克／升。许多国家采用ClO2或臭氧消毒饮水。H2O+Cl2→HClO+HCl2HClO→2HCl+O2开水要烧多久最合适？刚煮沸的水中氯代物含量超标，煮沸2-3分钟可使三氯甲烷大部分挥发消失；过度烧过的开水也不宜引用。我国饮用水质量标准我国规定饮用水质量标准为：pH6.5—8.5；Ca2+、Mg2+总浓度小于0.0045摩尔／升；细菌总数小于100个／毫升。七、水的纯化•离子交换法蒸馏法七、水的纯化---蒸馏法•离子交换法•反渗透法八、海水淡化海水淡化是利用物理、化学或生物学方法将海水中溶解的盐(约3.5％)脱除，使其转化为生活用水或工农业用水．•蒸馏法：采用多级闪急蒸馏技术，将一定温度的海水引到一个压力较低的设备中，海水急速蒸发，蒸气急速离开海水，而盐留在海水中。•反渗透法：是一种膜分离技术，使用复合反渗透膜,对海水加压，当压力大于渗透压时，海水中的水分可通过其中的半透膜小孔流向淡水一边，但盐分不能通过，于是海水中的盐分和淡水被分离开了。耗能仅为蒸馏法的1/40。•电渗析法：也是一种用薄膜淡化海水的新技术，它使用的是一种功能性薄膜即离子交换膜。阴、阳离子交换膜交替排列在电渗析法设备的两大电极板之间，组成了多个相互独立的隔室。通电后海水中的盐类物质会被分解成阳离子(Na+)和阴离子(Cl-)，在电磁场的作用下，这些阳、阴离子渗出膜外，于是室内的海水得到淡化。耗能约为蒸馏法的1/20。九、水污染及危害我国自然水资源总量居世界第4位，但人均水资源占有量却为第82位。全国668个城市中，有400多个城市供水不足，平均每年因缺水而损失工业产值2000多亿元。干旱缺水已成为我国农业稳定发展和粮食安全供给的主要制约因素。全国农村也有近5000万人饮水不足。21世纪世界水资源委员会报告指出，全世界一半以上大河已被污染，生态体系遭到严重破坏，由于水危机使2500万人沦为“环境难民”(第一次超过“战争难民”的人数)。预计到2025年，“环境难民”将达7500万。七大水系水质比例滇池绿藻泛滥水体富营养化还能“共饮长江水”吗？大气化学与人类主要参考书1.化学与人类／刘旦初编,19982.化学与现代社会／吴旦主编,20023.化学与人类文明／编者唐玄馨，韩志如,20014.化学与人类文明／王彦广主编,20015.化学与生命[专著]：活起来的分子和原子／杨建民,杨艳艳,李顺意著,20006.化学与社会／唐有祺,王夔主编,19977.化学与现代生活／曹振宇,程顺达编,1990.68.化学与人类／扬著；刘志才等译,19829.化学与社会发展/杨宏秀等编著.200210.化学与我们／张学铭编,1982一、大气的结构温度/K海拔高度/km二、大气的组成包围地球的全部气体称为大气，随地球旋转的大气层叫大气圈，而弥漫于地球周围的混合气体称为空气。大气的组成：干洁空气，水气，悬浮颗粒物。干洁空气的组成：除去水气和杂质的空气，其主要成分是氮气（N2)，占78.09%；氧气(O2)，占20.94%；氩(Ar)，占0.93%；其它各种含量不到0.1%的微量气体(如氖、氦、二氧化碳、氪)。每人每天要呼吸约1万多升空气！三、大气污染大气污染的定义：在干洁的大气中，痕量气体的组成是微不足道的。但是在一定范围的大气中，出现了原来没有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污染。所谓干洁空气是指在自然状态下的大气（由混合气体、水气和杂质组成）•大气污染的原因造成大气污染的原因，既有自然因素又有人为因素，尤其是人为因素，如工业废气、燃烧、汽车尾气和核爆炸等。随着人类经济活动和生产的迅速发展，在大量消耗能源的同时，同时也将大量的废气、烟尘物质排入大气，严重影响了大气环境的质量，特别是在人口稠密的城市和工业区域。•大气污染物的分类大气污染物主要可以分为两类，即天然污染物和人为污染物,引起公害的往往是人为污染物，它们主要来源于燃料燃烧和大规模的工矿企业。颗粒物：指大气中液体、固体状物质，又称尘。硫氧化物：是硫的氧化物的总称，包括二氧化硫，三氧化硫，三氧化二硫，一氧化硫等。碳的氧化物：主要包括二氧化碳和一氧化碳。氮氧化物：是氮的氧化物的总称，包括氧化亚氮，一氧化氮，二氧化氮，三氧化二氮等。碳氢化合物：是以碳元素和氢元素形成的化合物，如甲烷、乙烷等烃类气体。其它有害物质：如重金属类，含氟气体，含氯气体等等。•空气污染指数(AIRPOLLUTIONINDEX）空气污染指数(简称API)是一种反映和评价空气质量的方法，就是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用方便，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。根据我国空气污染的特点和污染防治工作的重点，目前计入空气污染指数的污染物项目暂定为：二氧化硫、氮氧化物和总悬浮颗粒物。我国空气指数的分级标准目前我国所用的空气指数的分级标准是：(1)空气污染指数(API)50点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值一级标准；(2)API100点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值二级标准；(3)API200点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值三级标准；(4)API更高值段的分级对应于各种污染物对人体健康产生不同影响时的浓度限值，API500点对应于对人体产生严重危害时各项污染物污染指数污染物浓度InTSPSO2NOx5001.0002.6200.9404000.8752.1000.7503000.6251.6000.5652000.5000.2500.1501000.3000.1500.100500.1200.050表2-1污染指数API分级限值污染指数污染物浓度APITSPSO2NOx5001.0002.6200.9404000.8752.1000.7503000.6251.6000.5652000.5000.2500.1501000.3000.1500.100500.1200.0500.050空气污染指数(API)空气质量级别空气质量状况对健康的影响对应空气质量的适用范围0～50Ⅰ优可正常活动自然保护区、风景名胜区和其它特殊保护的地区51～100Ⅱ良可正常活动居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区101～200Ⅲ普通(轻度污染)长期接触，易感人群症状有轻度加剧，健康人群出现刺激症状特定工业区201～300Ⅳ不佳(中度污染)一定时间接触后，心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群中普遍出现症状300Ⅴ差(重度污染)健康人除出现较强烈症状，降低运动耐受力外，长期接触会提前出现某些疾病表2-2空气污染指数及对应的空气质量级别(仅供参考)四、大气污染的危害一：大气中二氧化碳的含量增加：燃料中含有各种复杂的成分，在燃烧后产生各种有害物质，即使不含杂质的燃料达到完全燃烧，也要产生水和二氧化碳，正因为燃料燃烧使大气中的二氧化碳浓度不断增加，破坏了自然界二氧化碳的平衡，以至可能引发“温室效应”，致使地球气温上升。二、臭氧层破坏臭氧层是地球最好的保护伞，它吸收了来自太阳的大部分紫外线。然而近二十年的科学研究和大气观测发现：每年春季南极大气中的臭氧层一直在变薄，事实上在极地大气中存在一个臭氧“洞”三、酸雨酸雨通常指pH值低于5.6的降水。温室效应的成因大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应”。“臭氧洞”形成机理南极“臭氧洞”的成因目前尚无定论，其中最为令人信服的当是污染物质学说。此外还有：美国宇航局汉普顿芝利中心Callis等人提出南极臭氧层的破坏与强烈的太阳活动有关；麻省理工学院的Tung等人认为是南极存在独特的大气环境造成冬末春初臭氧耗竭，根据大气动力学说，指出大量氯氟烃化合物的使用，以及南极初春没有足够阳光产生大量氧原子，并因此提出了不需要氧原子的循环机理。酸雨的成因随着工业化和能源消费增多，酸性排放物也日益增多，它们进入空气中，经过一系列作用就形成了酸雨。酸性排放物包括：硫氧化物(SO2，SO3);氮氧化物(NOx)人们对酸性排放物已经有了控制，但仍然还有酸雨现象。大气尘埃可能是造成酸雨问题的另一原因。酸雨的成因最近的发现表明，酸雨是比原来的想象要复杂得多的一种现象。研究得到的结果表明了大气中存在着的碱化合物出乎意料地起着关键性作用。碱通过中和酸性污染物而对酸雨的作用进行抵消。我们发现，人们把全部注意力都集中到大气中的酸性物质，掩盖了碱排放也已经有所下降这一事实。看来有许多因素正在减少大气中这些碱的含量，从而加剧了酸雨对生态的影响。具有讽喻意味的是，在这些因素中有几个正是各国政府为改善空气质量而采取的措施。大气中的大多数碱都能在称为大气尘埃的空中粒子中找到。这些尘埃粒子富含碳酸钙和碳酸镁等矿物质，这些矿物质溶于水中就起碱的作用。大气尘埃粒子由多种来源共同形成。燃料的燃烧，以及水泥生产、采矿和金属冶炼等工业活