人类十大环境危机中的化学——绿色化学的兴起.pptVIP

第二章 人类 十大环境危机 中的 化学困惑 绿色化学的兴起,第二章 绿色化学的兴起,20世纪的高度工业化，为人类带来丰富的物质生活。当人们陶醉在现代文明的舒适享受中时，人类对大自然的破坏已经引起大自然的报复。 蓦然回首，人类发现自己已深陷十大环境危机中：全球变暖（温室效应）、臭氧层破坏、生物多样性减少（物种濒危）、森林锐减、土地荒漠化、大气污染（酸雨蔓延）、水体污染（水资源不足）、海洋污染（海洋生态危机）、固体废物（垃圾越来越多）、人口猛增。,天灾人祸谁之过？,第一节 “可燃冰”未来重要而清洁的潜在能源 第二节 NO昔日“罪魁祸首”，今朝“明星分子” 第三节 氟利昂从“制冷界明星”到“臭氧杀手” 第四节 化肥、农药、医药人口猛增的“功臣”,第二章 绿色化学的兴起,本章思考题,以怨报德何其多！,其中，问题的“主角”典型地涉及化学的有温室效应、臭氧层破坏、酸雨蔓延、人口猛增等几大危机。但这些问题的“主角”真的都是如此“坏”吗？,第一节 “可燃冰”未来重要而清洁的潜在能源,一、温室气体： 1、温室气体的种类,H2O（水蒸气）、CO2、NOX（氮氧化物）、CH4等都是温室气体，但其中最重要的是CO2和CH4。 工业的发展使CO2的排放量增加很多，有学者预测若大气中CO2浓度翻一番，全球将变暖5。 全球变暖的结果是，导致海平面上升、高山雪线上移、厄尔尼诺等现象的产生。,第一节 “可燃冰”未来重要而清洁的潜在能源,一、温室气体： 2、甲烷的危害,虽然大气中CH4的浓度很低，但它在大气中聚热的效果是CO2的25倍。最近200年，大气中CH4浓度增加了一倍以上。在全球变暖的作用中，CH4占5%以上。 由于甲烷在空气中的寿命比二氧化碳短得多，控制其排放对减缓全球增温容易收到明显效果，因此近年来甲烷的排放问题（养牛、种水稻）受到特别的重视。,水分子与甲烷和低分子量的烷烃，如乙、丙、丁烷，在低温、高压环境下形成的类似冰状的固态结晶物质天然气水合物，其大量存在海底和北极永久冻土层内，中国南海、东海也有发现。 常温、常压下，天然气水合物分解为水与甲烷等烷烃，1 cm3的水合物可释放出164 cm3的天然气，极易燃烧，也称为“可燃冰”。,第一节 “可燃冰”未来重要而清洁的潜在能源,二、甲烷及其水合物： 1、可燃冰及其好处,因为“可燃冰” 燃烧时几乎不产生任何残渣或废弃物，被认为是未来重要而清洁的潜在能源。 但是，天然气水合物开发上技术困难。目前，仅俄罗斯进行了工业开发，日本、印度也很重视，中国尚未真正开采出天然的“可燃冰”样品。 同时，温室效应与海洋地质灾害（如海啸）难以预料。,第一节 “可燃冰”未来重要而清洁的潜在能源,二、甲烷及其水合物： 2、可燃冰的风险与挑战,一氧化氮（NO）是长期以来被公认是著名的大气污染物（导致酸雨、危害呼吸系统）之一。 化学家们长期为NO的消除而发愁，近来找到了一种消除NO并生成苯酚的新方法：,第二节 NO昔日“罪魁祸首”，今日“明星分子”,一、NO的危害：,SO2和NOx（氮氧化物）是形成酸雨的重要污染源之一，直接后果是造成大气污染。 大气污染可以直接损害人体的呼吸系统早为人知。近年来，一些研究还表明大气污染与心脏病和癌症等恶性疾病的发病率关系密切。在大气污染严重时，还容易爆发流行性疾病。 现在，世界上已形成三个重大酸雨区：北美、欧洲、亚洲。而亚洲地区的酸雨危害在三个地区中呈后来居上之势。酸雨对农作物直接造成的危害，每年带来几百亿元的损失。,大气污染与酸雨蔓延,然而，自20世纪80年代末，科学家发现，NO居然是一种重要的信使分子： NO可激发人体产生许多生物响应，在各种生化过程中起着关键的作用，如有助于控制血压、免疫调节、神经传递和血小板凝聚抑制等生理功能等（伟哥NO：与性有关的物质）。 因此，对一氧化氮的研究，迅速发展成为一门目前最活跃的生命科学前沿领域。1998年，NO被时代杂志评为“明星分子”。,第二节 NO昔日“罪魁祸首”，今日“明星分子”,二、NO的神奇：,1、NO中的哲学： 关键是一氧化氮的量自然界的辩证法！在许多组织中，尽管其真正的释放量目前尚难于检测，但已确知会释放出不同浓度的一氧化氮，且浓度的变化与机体的生理机能紧密相关。 2、NO中的疑惑： 硝化甘油炸药（电影垂直极限） 药物（心机梗塞）诺贝尔的疑惑？,第二节 NO昔日“罪魁祸首”，今日“明星分子”,三、NO的困惑：,高空臭氧层的存在，使人类免受紫外线的侵害，为人类的正常生存提供了必不可少的保障。因此，臭氧层被称为地球的“保护伞”。 但是卫星预测资料显示，高空臭氧（O3）生成和消亡的自平衡关系，已被人类活动（如氟利昂大规模使用、核爆炸和喷气式飞机高空飞行）所破坏，其浓度正在降低。 臭氧层的破坏，将使紫外线等短波辐射增强，导致皮肤癌患者增加，同时对自然生态系统带来严重影响。维护臭氧层的平衡，已成为一个全球性的环境问题。,第三节 氟利昂从“制冷界明星”到“臭氧杀手”,一、臭氧层破坏的后果：,氟利昂作为制冷剂（空调、冰箱中）、抛射剂（气雾剂产品中）等，在工业生产中具有重要地位，它还可作为发泡剂（发泡塑料制造）、清洁剂（电子产品清洗）和灭火剂。 氟利昂的发现，曾一度被认为是元素周期表应用的重要成果。,第三节 氟利昂从“制冷界明星”到“臭氧杀手”,二、氟利昂制冷界的“昔日明星” 1、氟利昂的用途与发现,（2）结构：根据氯氟烃的英文名称Chloro-fluoron- carbon，取其字头组成缩写CFC，用CFC代码作为氯氟烃的统称。,第三节 氟利昂从“制冷界明星”到“臭氧杀手”,二、氟利昂制冷界的“昔日明星” 2、氟利昂的种类与结构,（1）种类：氟利昂是饱和碳氢化合物的卤（氟、氯、溴）代物的总称。其种类有数十种，其中F12和F22（R12和R22）为中压中温制冷剂，具有无色、无味、基本无毒、不燃烧、不爆炸、不腐蚀金属等特点，是极其安全的制冷剂。,氟利昂到达大气上层后，在紫外线照射下分解出自由氯原子，氯原子与臭氧反应，使臭氧分解，具体反应过程为： 起点：CFCl3+紫外线自由氯原子（Cl） a. Cl + O3 ClO + O2 b. O3 O + O2 （光照下的可逆反应） c. ClO + O Cl + O2 净反应：2 O3 3 O2 由于氯原子在发生上述反应后能重新分解出来，所以高空中即使有少量氯原子，也会使臭氧层受到严重破坏（每个氯原子能催化破坏数千个到10万个臭氧分子）。,第三节 氟利昂从“制冷界明星”到“臭氧杀手”/ 三、氟利昂成为“杀手”的秘密,第四节 化肥、农药、医药人口猛增的“功臣”,一、固氮功臣是非多哈伯,二、虫口夺粮靠什么农药,三、人间七十已不稀医药,植物的生长需要氮（N）、磷（P）、钾（K）元素。 将空气中的氮气（N2）高效转化为植物生长所需的氮元素这一过程称之为“固氮”。 一般固氮多为生物固氮。生物固氮（天然）是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程，但远远不能满足人类的需要。 因此，化学固氮（人工固氮）的研究对于解决粮食问题具有十分重要的意义。,1、化学固氮的意义,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,德国化学家哈伯，一生致力于化学平衡及气体反应等方面的研究。1918年，他提出借热化学循环来求出晶体点阵能的方法，被称为哈伯循环。 哈伯最大的贡献，是1909年在卡尔斯鲁厄任教期间所完成的氨（NH3）合成法。他采用了过渡金属锇为催化剂，并使未反应的气体原料循环使用、首次取得具有工业化价值的合成氨方法，并立即为德国巴登苯胺纯碱公司所采用。 因此，哈伯获得了1918年诺贝尔化学奖。,2、哈伯的历史贡献,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,1918年的化学奖颁给了哈伯，科学史上引起了无数的争议：因为他在第一次世界大战期间发明了毒气最早的化学武器氯气（Cl2），使战争中死于毒气的人不计其数。 当时，许多科学家都不屑与之为伍。战后，哈伯自己也感到罪孽深重，以致于怕被人认出来而蓄起了胡子，并到外国去避了一段时间的风头。 但是，因哈伯是犹太人，二战中他被祖国德国“抛弃”而被迫流亡瑞士，最终客死他乡。科学、爱国与正义的冲突？,3、哈伯的个人遗憾,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,肥料有助于改善土壤有助于产生营养物，诸如氮等，对农作物的生长是必不可少的。 化肥在为世界增长的人口，特别是像印度这些人口剧增的国家，在提供食物方面发挥了很大的作用。 但是，环境专家抨击使用化肥，因为供水可能因此受到污染；再者，大量的能源耗于氨的生产。 因此，农业、经济、人口与环境之间的矛盾，使化学固氮的过去与未来都充满了困惑。,4、如今化肥是非多,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,农药的使用是农业增产的重要因素，是解决世界上60亿人口温饱问题的有力措施。 据统计，世界谷物生产每年因虫害损失14%，病害损失10%，草害损失11%。我国的农作物从种植到储藏，因病、虫、草、鼠的危害，粮食最少损失10%15%，棉花约15%，水果、蔬菜20%30%。 农药的使用可以挽回大部分的损失，在农业抵抗病虫害方面起着积极的作用。,1、惊人的数字,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /二、虫口夺粮靠什么农药,历史上曾经发生过很多次大灾害，都是由于缺乏有效的防治手段的结果。 例如，1845年由于马铃薯晚疫病大流行所造成的震惊世界的爱尔兰大饥荒，18701880年间由于葡萄霜霉病大流行所导致的法国葡萄种植业的崩溃以及葡萄酒酿造业的倒闭，我国历史上十多次由于“南螟北蝗”造成的全国大饥荒等，都是由于缺乏有效的防治手段的结果。,2、历史上的灾害,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /二、虫口夺粮靠什么农药,由于世界人口激增，粮食生产仍低于需求，在一些贫困国家，仍有很多人在挨饥受饿，平均每3.6秒就有一个人饿死。所以，农药作为植物保护的重要手段，今后还是必要的。 此外，杀虫剂在疾病载体控制，以及健康和生命保护的卫生项目中，也起着决定性的作用。例如，疟疾问题中的疟蚊的防治，农药挽救了世界各地数以百万计人的生命，而且今后还将如此。 总之，农药也是最重要的对付饥饿和保护人类生命的武器之一。然而，由于农药毒性引起的负面影响也非常严重。,3、任重而道远的农药,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /二、虫口夺粮靠什么农药,1900年，在美国出生的一名男子的期望寿命只有47岁（中国33岁左右）。 但是，2000年出生在这个国家的一名男子的期望寿命大约是75岁（中国72岁左右） 。 这个难以置信的进步，可以主要归功于药物化学家的贡献，其中最重要的当数抗菌素的开发。,1、年龄与药物的关系,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,19世纪20年代，细菌感染常导致人生病死亡。 此时，随着染料工业的发展，化学家开始合成许多用于布料的染料，包括某些带有称做氨磺酰基官能团的化合物。 德国科学家Gerhard Domagk发现一家染料厂的工人较少因细菌感染患病，因此他决定对多种人工合成的染料化合物进行试验，观察其中是否有可以杀死细菌的化合物。 1932年，他找到了一种叫做Prontosil（百浪多息）的红棕色的染料，有效地治愈了受细菌致命感染的老鼠。,2、磺胺药物的偶然发现（上）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,于是，他用此药对一位因患细菌性血中毒已处于无望状态的孩子进行了试验，使她得以康复。 在此启发下（Domagk因此获得了1939年诺贝尔生理医学奖），化学家制备了许多含有氨磺酰基的新型药物，即磺胺药物。 磺胺曾经广为使用，现在有时仍用于临床。某些药物可以杀死细菌而不伤害人畜的发现，开辟了一个主要的新研究领域，于是许许多多性能更好的抗菌化合物就此不断地被创造或发现出来。,2、磺胺药物的偶然发现（下）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,生物化学方面的研究已经弄清楚了磺胺能够杀菌而对人无毒的原因人和细菌的生物化学是不同的。 细菌要制造叶酸的基础维生素，而磺胺能够阻碍细菌中制造叶酸的酶；没有叶酸，细菌基因不能存活。 但人体内没有这种酶。从某种意义上来看，因为人在生物化学方面的缺陷，反而使人得到安全。这种缺陷是，我们不能制造一种重要的维生素（但是我们可以从食物中获取叶酸）。,3、磺胺药物的神奇机理（上）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,人类利用自己的聪明，使细菌“上当受骗”而亡。,3、磺胺药物的神奇机理（下）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,磺胺药物的发现，开创了今天的抗生素领域，但是这还不是化学对健康的第一个贡献。 例如，用于表皮创伤的消毒剂，如碘（I2）或苯酚（C6H5OH）比磺胺药物还要早些，此外还有麻醉剂。 酒精（C2H5OH）是最早的麻醉剂之一，过去曾经用过让患者在疼痛的手术之前先使之酒醉的办法。 后来发现，乙醚（C2H5OC2H5）更加有效，从而使无痛外科手术和牙科手术成为可能。,4、更多的药物离不开化学（上）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,自那以后，又发明了许多更好的麻醉剂，包括像普鲁卡因（Novocain）这样的局部麻醉剂在内。如果没有麻醉剂，现代的外科手术是不可能实现的。 目前，用来治疗人类各种疾病的药用化合物已基本齐全，但是对于许多重要的疾病还不是完全有效，因此有许多的工作是旨在征服它们的。,4、更多的药物离不开化学（下）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,人人都希望自己病了有药吃，但许多人却不喜欢制药的人化学工作者； 类似地，人人都期望自己的孩子受良好的教育，但却不愿意自己的孩子去做教师！ 有意、无意的自私行为！ 可怜的中国教师！可怜的中国人！可怜的人！可怜的！,5、吃药后的反思（上）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,中草药所含化学成分很复杂，每一种中草药都可能含有多种成分。在这些成分中，有一部分具有明显生物活性并起医疗作用的，常称为有效成分，如生物碱、甙类、挥发油、氨基酸等。 但是，中药的药用只是在华人中得到认可。因为中药有效成分的用量并没有一个明确的标准尺度，故国际上并不明文认可它的医学价值。 中药应定量化，现代化！,5、吃药后的反思（中）,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀医药,关于药物更多的忧虑与困惑： A、人口老年化严重：保健离不开药物（脑白金） B、人类免疫力下降：对个人是医学上的奇迹，对全体呢？你吃不吃药？ C、人口的持续猛增：计划生育