化学原理(I)教学拓展材料.ppt

化学原理（I）补充材料,绪论 化学史是人类在长期的社会实践过程中，对获得化学知识的系统的历史回顾。 化学历史的发展，大致可以分为如下几个时期： 1 古代及中古时期（17世纪中叶以前，以实用为目的，化学知识来源于具体工艺过程的经验。主要包括炼丹术、炼金术以及医药化学的萌芽）； 2 近代化学时期（17世纪后半叶到19世纪，1661年玻义耳提出科学元素说，1777年拉瓦锡提出燃烧的氧化学说，1827年道尔顿建立原子论，1869年门捷列夫的元素周期律）； 3 现代化学时期（20世纪以来。X射线、放射性和电子是19世纪末的三大发现）。,国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry Association, IUPAC） 当今化学发展的总的趋势大致是：由宏观到微观，由定性到定量，由稳定态到亚稳定态，由经验上升到理论并用理论指导实践，进而开创新的研究。 关键性问题是： 1 化学反应的性能问题； 2 化学催化的问题； 3 生命过程中的化学问题。,绿色化学,所谓绿色化学又称为环境友好化学，它的中心思想是从源头杜绝有害物质的产生，从根本上消除化学生产过程对环境的污染。它对化学反应（或工艺）从原料到产品提出了一系列保护环境的要求：首先要采用无毒、无害的原料；反应在无毒、无公害的条件下进行；反应具有高选择性，副产品极少（高效率），甚至实现零排放（废料最小化）；最后生产出来的产品是对环境友好的产品。（绿色催化剂，绿色工艺）,1 化学在社会发展中的作用和地位 人类生活的各个方面，社会发展的各种需要都与化学息息相关。 从我们的衣、食、住、行来看，色泽鲜艳的衣料需要经过化学处理和印染，丰富多彩的合成纤维更是化学的一大贡献。要装满粮袋子，丰富菜篮子，关键之一是发展化肥和农药的生产。加工制造色香味俱佳的食品，离不开各种食品添加剂，如甜味剂、防腐剂、香料、调味剂和色素等等。现代建筑所用的水泥、石灰、油漆、玻璃和塑料等材料都是化工产品。用以代步的各种现代交通工具，不仅需要汽油、柴油作动力，还需要各种汽油添加剂、防冻剂，以及机械部分的润滑剂，这些无一不是石油化工产品。此外，人们需要的药品，洗涤剂、美容品和化妆品等日常生活必不可少的用品也都是化学制品。可见我们的衣、食、住、行无不与化学有关，人人都需要用化学制品，可以说我们生活在化学世界里。,目前国际上最关心的几个重大问题-环境的保护、能源的开发利用、功能材料的研制、生命过程奥秘的探索-都与化学密切相关。 化学是一门重要的基础科学，它在整个自然科学中的关系和地位，正如美Pimentel G C在“化学中的机会-今天和明天”一书中指出的“化学是一门中心科学，它与社会发展各方面的需要都有密切关系。”它不仅是化学工作者的专业知识，也是广大人民科学知识的组成部分，化学教育的普及是社会发展的需要，是提高公民文化素质的需要。,2 化学科学的分支：化学学科在其发展过程中还与其他学科交叉结合形成多种边缘学科，如生物化学、环境化学、农业化学、医化学、材料化学、地球化学、放射化学、激光化学、计算化学、星际化学等。 3 化学变化的特征：所有的化学反应都具有两个特点： A 化学反应遵守质量守恒定律（反应体系中物质的总质量不会改变）； B 化学变化都伴随着能量变化。,有机化合物的重要反应类型,一、取代反应；二、加成反应；三、消去反应；四、氧化反应；五、重排反应 六、异构化反应：从一个异构体转变为另一个异构体的反应。例如，正丁烷在溴化铝及溴化氢存在下，在27时可发生异构化反应生成异丁烷。炼油工业中，常常利用烷烃的异构化反应使直链烷烃异构化为带支链的烷烃，以提高汽油的质量。 七、裂化反应：烷烃在无氧的条件下进行热分解的反应，裂化反应是一个复杂的过程。（为了得到更多的乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯、乙炔等基本有机化工原料，常把石油在更高的温度下（700以上）深度裂化的反应称为裂解反应。） 八、聚合反应：在一定条件烯烃键断裂，进行自身加成反应生成聚合物的反应。包括齐聚合反应（生成低聚物）和高聚合反应。 九、还原反应：与氢气、金属氢化物等还原剂作用的反应。 十、脱羧反应：从羧酸失去二氧化碳的反应。,环境化学与环境污染,人类赖以生存的环境由自然环境和社会环境（人工环境）组成。 自然环境是人类生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总称，即阳光、温度、气候、地磁、空气、水、岩石、土壤、动植物、微生物以及地壳的稳定性等自然因素的总和。 而社会环境是人类在自然环境的基础上，为不断提高物质和精神生活水平，通过长期有计划、有目的地发展，逐步创造和建立起来的一种人工环境。 社会环境是人类物质文明和精神文明发展的标志，它随经济和科学技术的发展而不断地变化。,环境化学即生态化学是一门用化学方法研究化学物质在环境中行为及其对生态体系的影响的科学。 自然界是由大气圈、水圈、岩石圈（土壤）和生物圈组成，也即人类生存的环境。 三废即废气、废液与废渣。 一、大气圈的组成 组成现代大气的主要成分是氮气（78.09%）、氧气（20.94%）、氩气（0.93%）及少量二氧化碳（0.03%）等。 根据大气的物理性质垂直分布的特点，可将大气层分为对流层、平流层（同温层）、中间层（过渡层）、暖层（热离子层）和逸散层等5个层次。 气温随高度的变化通常以气温垂直递减率表示，即每垂直升高100米气温的变化值。一般地说对流层中的气温垂直递减率平均为0.6 /100 m。,靠近地面1 km处为大气边界层（边界流动层）。这一层受地球表面人类活动影响最大，也是大气污染的主要区域。边界流动层的垂直递减率可以大于零、等于零或小于零。在对流层中下热上冷，空气形成自然对流，有利于污染气体的扩散，否则在“逆温层”则不利于污染质的扩散而造成污染事件。如20世纪10大公害事件中的洛杉矶事件、伦敦事件等都是在逆温情况发生的。 二、大气污染物 一般将大气污染分为两大类：原生污染物（由污染源直接排出的）和次生污染物（由原生污染物与空气进行化学变化后的产物，往往危害性更大）；,按污染物的化学性质可以分成：颗粒物质、含硫化合物、含碳化合物、含氮化合物、CO与CO2、卤族化合物和放射性物质。 1、颗粒物质（水以外的其他固体或液体物质）一般有以下几种： A、 灰尘（粉尘）：是固体物质（二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁及其它各种金属氧化物）经机械粉碎分散在大气中，颗粒尺寸较大，可以自然沉降，在大气中停留时间较短。 B 、雾：是由蒸汽凝聚，颗粒尺寸大于10 m的小液体，比烟的颗粒尺寸大，雾能模糊视线。 C 、烟：由低蒸汽压物质的过饱和蒸汽凝聚而成的小颗粒。颗粒尺寸较小，常见的是燃料燃烧产生的烟。,2 光化学烟雾：向大气中排放的NOx、CO、HC等在出现逆温层的条件下难于扩散而逐步积累，在日光照射下通过复杂反应形成二次污染物如乙醛、臭氧等，以强刺激性烟雾分散在大气中的白色雾状物质，能见度降低。 3 酸雨：一般把pH值低于5.6的降雨称为酸雨。（正常被CO2饱和的水的pH值为5.6） 4 温室效应：平流层中的臭氧能大量吸收紫外光，大气中的水蒸气和二氧化碳能吸收红外光。只有可见光才能到达地球表面。到达地球表面的可见光大部分为地球表面吸收，地球表面吸收了太阳光能量后又以红外辐射的形式返回空间，为近地表大气层中二氧化碳所吸收，使热量难以散发出去。,在交通和能源使用过程中，大量氮氧化物和碳氢化合物排入大气中，在强烈日光照射及低风速、低湿度情况下，这些污染物组分产生化学转化，生成蓝色强氧化性气团，以臭氧为主体污染物，还包括醛类、过氧化氢、小气粒溶胶等复杂化合物，称之光化学氧化剂，所形成的烟雾就是光化学烟雾。光化学烟雾形成机理非常复杂。,2 光化学烟雾(photochemical smog),光化学烟雾的形成,光化学烟雾污染最初(1943年)出现在美国加州的洛杉矾，该市于1949、1950、1952、1953、1954、1960年连续不断地多年爆发光化学烟雾事件，因此这种污染被称作“洛杉矾型光化学烟雾污染”。美国南部和西南部一些城市的大气污染均属此类污染。日本东京地区于1970年和1971年也曾发生过多起光化学烟雾污染事件。以后又向其它一些城市扩展，总共有40005000人受害。继后，欧洲、加拿大南部、墨西哥一些大城市，意大利、澳大利亚、印度、前苏联的一些城市也都曾发生过光化学烟雾污染。,光化学烟雾污染与当地汽车数量的发展往往呈正相关性，如洛杉矾市人口800万，汽车400万辆，每天排放碳氢化物1000 td，氮氧化物433td，一氧化碳4200td，加上适宜的气候条件(阳光、静风及地理条件)，就为光化学烟雾污染创造了基本条件。一般是清晨汽车行驶高峰时产生的尾气污染积蓄于大气中，待中午阳光强时呈现光化学烟雾。,(1)对人眼的刺激危害。洛杉矾市由于光化学烟雾污染刺激而致34的居民患红眼病。1970年东京发生光化学烟雾时有20000多人患眼病。光化学烟雾中PAN(过氧乙酰硝酸酯)为一种强催泪剂，其刺激性为甲醛的200倍；PBN(过氧苯酰硝酸酯)的刺激性又比PAN强100倍，而且，据认为两者都具致癌毒性。除刺激眼睛外，对鼻、咽喉、气管和肺部也都有刺激作用，能促使哮喘症病人发作哮喘，能诱发肺癌，能影响人体的新陈代谢，加速衰老。,(2)对植物的不利影响。可使农作物减产、树叶枯死。例如它能使葡萄减产60以上，也能使柑桔减产。此外，对棉花、烟草、甜菜、蕃茄、菠菜以及饲料作物和观赏植物(花卉等)等都有重大危害。 (3)使大气能见度降低。 (4)能使橡胶制品和塑料加速老化龟裂，并能腐蚀建筑物和衣服等。,3 酸 雨(acid rain),酸雨是指 pH 5.6 的酸性雨水。 酸雨生成的原因与过程大致如下：,(2) 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO,酸雨对水体、森林和土壤都有重要影响，如使石灰岩溶解，海岸线后退，树木枯死，造成的损失很大。1998年我国划定“两控区”，要求严控酸雨和SO2排放。,酸雨的形成,SO3 + H2O = H2SO4,2H2SO3 + O2 = H2SO4,(1) SO2 + H2O = H2SO3,酸雨污染及蔓延的危害：,(1)使土壤酸化； (2)使土壤养分流失，肥力降低； (3)使地表水体(特别是湖、水库)酸化，水生生物 受损害、死亡乃至灭绝； (4)使地下水酸化； (5)使森林、作物、花卉遭受损害，枯萎、死亡； (6)危害人体健康； (7)腐蚀建筑物、金属、名胜古迹等。,欧洲、北美和中国已成为当代世界三大主要酸雨区。日本和一些亚洲、非洲以及拉丁美洲的新兴工业化国家，地方性大气污染和酸雨污染也在发展与蔓延。其中，拉丁美洲各国，诸如巴西、哥伦比亚、厄瓜多尔和委内瑞拉也是遭受酸雨危害的国家。,由于二氧化硫的大量排放，中国酸雨污染持续扩展，从20世纪80年代初以来，以重庆、贵阳和柳州为代表的西南地区，以湖南长沙、怀化及江西赣州、南昌为代表的华中地区成为我国酸雨污染最严重的地区，其中心地区的年平均降水pH值低于4.0，酸雨出现的频率也在不断增加，达90以上，已到了“逢雨必酸”的程度。近年来以南京、上海、杭州、福州和厦门为代表的华东、华南沿海地区也已成为我国主要的酸雨地区。华北的北京、天津，东北的丹东和图门等地区也频频出现酸雨沉降。,从发展趋势看，由于中国能源消耗，特别是煤炭消耗的不断增长，致酸物质排放量仍在继续增长，中国酸雨污染在一定时期内仍将呈持续发展趋势。 我国的科研结果表明，中国酸雨中硫酸根与硝酸根的摩尔比约为10：1，因此，中国的酸雨是硫酸型的，主要由人为排放二氧化硫造成。因此，控制二氧化硫排放量是防治中国酸雨污染的关键。,4 温室效应 大气中的CO2和其它微量气体如CH4、N2O、臭氧O3、氟氯烃CFC、水蒸汽等，能让太阳的短波辐射(如可见光、紫外线)自由透过，而对地面增温后所放出的热辐射（属长波红外辐射）却有强烈吸收作用。这些有类似温室(greenhouse)的玻璃屋顶作用的气体被称为温室气体。地球大气温度因温室气体的作用而升高，由此产生的效应称为温室效应。,当前，全球气候变暖及其不利影响已成为人 类广泛关注的重大问题之一。由于人类活动促使 大气中温室气体浓度的大幅度增加，地球表面和 大气的温度不断增高，对生态系统和人类生存环 境已产生十分不利的影响。,洪涝,沙漠化,自然因素包括： 太阳活动、火山爆发、厄尔尼诺(Ehino)现象人为因素有： 城市化、工业化、森林砍伐、过度放牧、土地不合理利用、交通运输排放的气体(如飞机尾气以及汽车尾气)等。,大量研究表明：大气中CO2含量对温室效应起重要作用，其他的温室气体虽然在数量上不及CO2，但其温室效应也是巨大的。例如，一个CH4分子的温室效应为一个CO2分子的温室效应的25倍；而一个氟氯烃类物质的温室效应为一个CO2分子的几千、上万倍。,历史上和目前全球温室气体排放的最大部分源自发达国家，发展中国家的人均排放量仍相对较低，但随着发展中国家社会经济的发展，其在全球排放中所占的份额将会增加。美国是世界上温室气体排放量最多的国家，人均排放量也是世界第一，其次是欧洲国家。 缓解温室效应的措施： （1）设法减少矿物燃料使用量，开发新能源； （2）禁止滥砍滥伐； （3）有效控制人口增长。,5 冷化效应：以硫酸盐气溶胶为主的云层对日光有强烈的散射作用，大大减少了照射到地球表面的日照量，导致了地球表面气温的下降。 6 厄尔尼诺现象：太平洋赤道地区水域周期性变暖、水位明显升高的现象。 7 臭氧层空洞：臭氧对300 nm波长的紫外辐射具有强的吸收作用，臭氧层可以阻挡太阳紫外辐射中最危险的波长，同时也使其它波长减少到可以忍耐的含量。(在300 nm时：O2O3),近20年来，科学家们发现有些地区臭氧层中臭氧的平均浓度夏季减少了1，冬天则减少了4。1984年，科学家首次发现南极上空产生臭氧空洞。臭氧空洞面积达2千万平方公里,比加拿大和中国的面积加起来还大。,破坏臭氧层的化学物质主要归纳为三个方面 (1) 制冷剂氟利昂和灭火剂哈龙 (2) 大型喷气飞机的高空飞行 2004年5月，全球1.6万架商用飞机每年产生 超过6亿吨CO2和约0.3亿吨NOx废气。 (3) 核爆炸,美国 Rowland 于 1974 年首先提出氟利昂等物质破坏臭氧层的理论。氟利昂等物质在短波紫外线的作用下分解成 Cl、Br、HO 等活泼自由基，可作为催化剂引起连锁反应，促使 O3 分解。,其中 O 也是 O3分解产物：,现已明了氯原子来自氟利昂的光化学分解：,、危害人体健康 臭氧层破坏会使照射人体的紫外线过量，能引起皮肤癌和免疫系统的损害，也能引起眼疾的发病率增高。平流层中臭氧浓度减少1，紫外线增加2，皮肤癌发病率增加4。据统计，全球死于皮肤癌者每年逾十万人。,、对植物的不利影响 过量紫外线辐射能改变植物的再生能力及质量，并使植物易受杂草及病虫损害，使生长率下降。,、对水生生态系统的危害 紫外线辐射能危害水生浮游植物以及微生物，从而危及整体水生生态系统与食物链，例如，杀死幼鱼、小虾，导致形成水生生态系统食物链基础的中断等。,从1977年至今，世界各国为保护臭氧层开始采取了世界行动计划。1985年于维也纳签署了保护臭氧层维也纳公约；1987年有制订了蒙特利尔国际公约，禁止使用氟里昂及其它卤代烃。各国都认识到全球臭氧层变化对人类健康和环境可能造成的有害影响，需要对此问题继续从事研究和有系统的观察，以期进一步发展有关臭氧层及其变化可能引起的不利影响方面的科学知识，并决心要保护地球和人类免受臭氧层变化而引起的不利影响。,8 20世纪世界10大公害事件： A 马斯河谷（比利时，1930年）大气污染事件； B 洛杉矶（美国，1940年）光化学烟雾事件； C 多诺拉（美国宾西法尼亚，1948年）大气污染事件； D 伦敦（英国，1952年）烟雾事件； E 水俣病（日本熊本县，19531959年）事件； F 骨痛病（日本富士山县，19551972年）事件； G 四日市（日本四日市，19611970年）哮喘事件； H 米糠油（日本九州爱知县，1963年）事件； I 博帕尔（印度，1984年）农药事件； J 切尔诺贝利（乌克兰，1986年）核事件。,三、水污染 常用处理废水的化学方法： A 混凝（投加电解质）； B 中和（酸碱中和）； C 氧化还原； D 电解； E 萃取； F 吸附（包括离子交换）。 四、废渣处理 垃圾处理一般通过三种途径利用： A 作为辅助燃料代替低硫煤使用； B 在焚化炉内焚化，利用其热能生产蒸汽和发电； C 高温干馏产生气体和残渣，气体可作燃料，残渣冷却后形成玻璃体，可作原料利用。,废水常用处理方法,1.混凝法 常用混凝剂：铝盐、铁盐 作用： 中和胶体杂质的电荷 黏结胶体杂质微粒 吸附胶体杂质 助凝剂：细黏土、膨润土 影响因素:pH、温度、搅拌强度,废水常用处理方法,2.离子交换法 阳离子交换树脂 R-SO3H + M+ = R-SO3 M + H+ 阴离子交换树脂 R-N(CH3)OH + R-N(CH3)X + OH+,3.化学法 （1）沉淀反应 FeS(s) + Hg2+ (aq) = HgS(s) + Fe2+(aq) 常用沉淀剂：Na2CO3、CaO、Na2S （2）氧化还原法 Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ = 2Cr3+ + 6Fe3+ +7H2O 加NaOH，调节pH为6-8，生成Cr(OH)3沉淀 常用氧化剂: O2 (空气)、Cl2、H2O2、O3 常用还原剂： FeSO4、Fe粉、SO2、Na2SO3,4. 电渗析法和反渗透法,反渗透是一种利用高分子膜进行物质分离的过程，可以从水中除去90%以上的溶解盐类及99%以上的胶体、微生物、有机物等。,我国的环境工作方针为：全面规划、合理布局、综合利用、化害为利、依靠群众、大家动手、保护环境、造福人民。 我国九五环保目标的两大举措：A 实现污染物排放总量的控制；B 实施跨世纪绿色工程计划，重点是三河（淮河、辽河、海河）、三湖（滇池、巢湖、太湖）水污染防治和SO2污染与酸雨控制。（环境质量指数EQI）,为了我们共同的家园 请珍惜地球，保护环境！,水处理剂,为了不同的目的，常常需要一些化学剂处理水，这些化学剂总称为水处理剂。常见有缓蚀剂、防垢剂、杀菌剂、除氧剂、除油剂、絮凝剂等。 防垢剂是指能防止或延缓水中无机物质形成垢沉积的化学剂。一种好的防垢剂应满足高效、无毒、能与其他处理剂配伍、使用方便、来源广、成本低等要求。主要有下列几个类型：缩聚磷酸盐（链状的多聚和环状的聚偏）、膦酸盐、氨基多羧酸盐、表面活性剂和聚合物。 能将垢从结垢表面出去的化学剂称除垢剂。碳酸钙垢除垢剂（盐酸、螯合剂）、硫酸钡垢和硫酸锶垢除垢剂（螯合剂、冠醚）、硫酸钙垢除垢剂（螯合剂、氯化钠、垢转化剂）、硅酸钙垢除垢剂（垢转化剂和螯合剂）和铁垢除垢剂（盐酸、螯合剂）。,杀菌剂 为了防止由细菌（油田水中常见的细菌为硫酸还原菌SRB、铁细菌IB和腐生细菌TGB）引起的金属腐蚀、地层堵塞和化学剂变质，可使用杀菌剂。少量加入就能杀死细菌的化学剂。一种好的杀菌剂应满足高效、广谱、低毒、稳定、无臭、无刺激性、能与其他处理剂配伍、使用方便、来源广、成本低等要求。 除氧剂 水中的溶解氧可以增加金属的腐蚀，也可使溶于水中的化学剂（如聚丙烯酰胺）氧化变质（如降解减粘）。能除去水中溶解氧的化学剂、均为还原剂。常见有亚硫酸盐、甲醛、联氨、硫脲、异抗坏血酸和氢气。,除油剂 从油井产液中脱出的污水总含有一定数量的原油（一般小于1克每升）。为将污水回注地层，必须将油含量降至30毫克每升以下。常见有阳离子型聚合物、有分支结构的表面活性剂。 絮凝剂 由于固体悬浮物主要为粘土颗粒，它们表面带负电，互相排斥，所以它们不易聚结、下沉。絮凝剂应像除油剂那样起两个作用：中和固体表面的负电性（混凝剂：主要用无机阳离子型聚合物）；使失去电性的固体悬浮物迅速聚结、下沉（助凝剂：主要用有机非离子型和阴离子型的水溶性聚合物）。,水驱与化学驱 目前原油采收率不高，一次采油可采出10%25% 的地下原油，二次采油可采出15%25%的地下原油，即一次猜疑加二次猜疑可采出25%50%的地下原油，还有许多原油留在地下采不出来。 可用各种驱油剂提高原油采收率。驱油剂是指为了提高原油采收率而从油田的注入井注入油层将油驱至采油井的物质。 二次采油时向地层注入的水就是驱油剂。以水作驱油剂的驱动叫水驱。 由于便宜、易得，能大量使用，所以水是重要的驱油剂。但是以水作驱油剂也有许多缺点。例如水的粘度一般比油低，在不均质油层中易沿高渗透层指进入油井；水与油不互溶，它与油接触的地方形成界面，在多孔结构的油层中，这些界面的存在会产生许多不利于采油的毛细管效应；水与地层中的粘土作用，产生粘土膨胀、微粒运移，减小地层的渗透率；此外，水的洗油能力不高，特别是在亲油地层。,为了克服水的缺点，可在水中加入各种化学剂。在水中加入各种化学剂后的驱动叫化学驱。 由于加入水中的化学剂主要为聚合物、碱和表面活性剂，所以化学驱通常分为聚合物驱、碱驱和表面活性剂驱。 聚合物驱用的化学剂 聚合物驱的主剂是聚合物，它通过提高水的波及系数提高原油采收率。 有两类聚合物已用于现场。 一类聚合物为部分水解聚丙烯酰（HPAM）和另一类为生物聚合物（XC）。还有羟乙基纤维素（HEC）和硬葡萄聚糖（SG）。,碱驱用的化学剂 碱驱用的主剂是碱。它通过与原油中酸性物质反应产生表面活性剂来起提高原油采收率作用。所用的碱包括氢氧化钠、原硅酸钠、硅酸钠、氨和碳酸钠等。碱驱的重要助剂是盐，主要是氯化钠。 表面活性剂驱用的化学剂 表面活性剂驱用的主剂是表面活性剂。它主要通过降低油水界面张力，提高毛管数来起提高原油采收率的作用。常见有石油磺酸盐和石油羧酸盐。助剂有助表面活性剂（醇和醇醚）和电解质（多用氯化钠）。牺牲剂：碱性物质、多元羧酸及其盐、低聚物与高聚物和木质素磺酸盐。,表面活性剂 1 表面活性剂：那些少量存在就能大大降低表面张力的物质。这时由于活性剂能大大减小表面的净吸引力引起的。（活性剂分子总是由亲水的极性部分和亲油的非极性部分组成） 2 表面活性剂的分类：A 阴离子活性剂解离后起活性作用的部分是阴离子，其又分为盐型（羧酸盐型R-COONa和磺酸盐型R-SO3Na）、酯盐型（硫酸酯盐型R-OSO3Na和磷酸酯盐型R-OPO3Na2）；B 阳离子活性剂解离后起活性作用的部分是阳离子，其又分为胺盐型RNH3Cl、季胺盐型R4NCl和吡啶盐型R-pyCl；C 非离子活性剂在水中不解离，分为酯型R-COOR、醚型R-O-R、胺型R-NR2和酰胺型R-CONR2；D 两性活性剂这类活性剂起活性作用的部分带有两种电学性质，可分为非离子-阴离子型R-ORSO3Na、非离子-阳离子型R4NCl和阴离子-阳离子型R3N+-CH2CH2COO-。 按电学性质分类外，活性剂还可按分子量分为低分子活性剂和高分子活性剂。高分子活性剂也象低分子活性剂那样可分为阴离子高分子活性剂、阳离子高分子活性剂、非离子高分子活性剂和两性高分子活性剂等。,3 活性剂的几个重要作用： A 起泡作用（活性剂使泡沫易于产生并在产生后有一定稳定性的作用）； B 乳化作用（活性剂使乳状液易于产生并在产生后有一定稳定性的作用）； C 增溶作用（活性剂使难溶的固体或液体的溶解度显著增加的作用，其是溶质集中在胶束内部）； D 润湿反转作用（活性剂使固体表面的润湿性向相反方向转化的作用）； E 洗净作用（活性剂使一种液体将其他物质从固体表面洗脱下来的作用，它是一种综合的作用，它包括活性剂的润湿反转作用、乳化作用和增溶作用） 4 活性剂的HLB值：为了决定HLB值，选择亲油活性剂油酸的HLB值定为1，将亲水活性剂油酸钠的HLB值定为18。,油层的化学改造 油层之所以要改造，是由于油层的采收率低。油层的化学改造有两个途径，提高波及系数（主要的方法是减小驱油剂的流动速度）和提高洗油效率（主要方法是改变岩石表面的润湿性和减小毛细管现象的不利影响）。 改造油层的三种方法：A 化学驱油法（聚合物驱、活性剂驱、碱驱）；B 混相驱油法；C 热力采油法。 1 聚合物驱：也叫稠化水驱或增粘水驱。一般使用的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），其分子量为5至8百万，水解度为530%，浓度为250500 ppm的范围。 2 活性剂驱：它主要通过降低油水界面张力，提高毛管数而起提高原油采收率的作用。,驱油用的活性剂体系有活性水（活性剂浓度小于临界胶束浓度的活性剂体系）、胶束溶液（活性剂浓度大于临界胶束浓度但小于2%的活性剂体系）、微乳状液（活性剂浓度大于2%，水含量大于10%的活性剂体系）、溶性油（活性剂浓度大于2%，水含量小于10%的活性剂体系）。表面活性剂驱用到两种助剂：助表面活性剂、电解质；还有牺牲剂（自己消耗来减少表面活性剂损耗的廉价化学剂，有A 碱性物质；B 多元羧酸及其盐；C 低聚物与高聚物；D 木质素磺酸钠）。,3 碱驱：目前碱驱主要用NaOH、Na2SO4和Na2CO3。在碱水溶液中，还需加入适当数量的盐（如氯化钠），使碱与原油的酸性成分反应生成的活性剂有所需的亲水亲油平衡。碱驱用的碱溶液的最大效率的pH值在1113的范围。 4 混相驱：混相注入剂是那些注入油层，在一定条件下能与地层油混相的物质。如A 贫气（C2C6的烃气含量小于30%的气体）；B 干气（C1的烃气含量大于98%的气体，干气属贫气）；C 富气（也叫湿气，C2C6的烃气含量在3050%的气体）；D 液化石油气（LPG，C2C6的烃气含量大于50%的气体）；E 二氧化碳；F 氮气。 5 复合驱：仅指两种或两种以上化学驱主剂组合起来的驱动，如碱（A）+表面活性剂（S）+聚合物（P）叫三元复合驱。复合驱通常比单一的驱动有更高的采收率。,采油化学剂的应用越来越广泛，其发展趋势为： 1 扩大化学剂的来源：采油化学剂的原料来源目前已由石油扩大至煤、页岩、微生物和工业废液等领域。 2 发挥化学剂的多种效用：化学剂常有多种效用，如十二烷基三甲基氯化铵有杀菌、缓蚀、粘土稳定、防止蜡的析出和抑制酸化淤渣生成等作用。化学剂的多种效用正在开发之中。 3 利用化学剂的协同效应：采油化学剂多是复配使用的。复配化学剂的使用效果往往优于同条件下单一化学剂的使用效果，减少它的用量并扩大它的使用范围。 4 发展在苛刻条件下使用的化学剂：苛刻条件是指超出正常状况下的条件，如高温、高矿化度、高含水、高粘度、高含蜡、高粘土含量、低渗透等。这些条件对化学剂提出了严格的要求，因而需发展一系列在苛刻条件下使用的化学剂。 5 强化化学剂的作用机理研究：为了促进化学剂应用的发展，化学剂的作用机理如驱油机理、调剖机理、堵水机理、防蜡机理、防垢机理、粘土稳定机理、缓蚀机理、酸化、压裂用添加剂作用机理等的研究，日益引起人们的重视。,化学试剂 我国化学试剂生产是解放后才发展起来的一门新兴工业。化学试剂无论在工矿冶金、学校教育等部门均是不可缺少的物质，它在科学研究中被称为新的文房四宝（图书、仪器、资料、化学试剂）之一。（旧文房四宝：笔、墨、纸、砚）。 随着科学研究和新兴部门的建立，必将促进化学试剂工业的发展。 化学试剂的分类 1 按组成分类：无机化学试剂、有机化学试剂； 2 按用途分类：通用化学试剂、专用化学试剂。 目前，化学试剂的生产正向着高纯和超纯方向发展，这不仅是为了提高产品质量，更重要的是为了满足电子工业、光学工业的需要。,化学试剂的等级标准 一般来说，专用化学试剂只有一种级别，如光谱纯试剂、指示剂等。 所谓化学试剂的等级规格是对通用化学试剂来说的，我国通用化学试剂的等级标准为：,如：500 g 硫酸铜 分析纯（红色） copper(II) sulfate pentahydrate Chemical Reagent 分子式：CuSO45H2O 分子量：249.68 CuSO45H2O含量不少于99.0% 杂质最高含量 水不溶物 风船牌 665-88 天津化学试剂三厂 批号 990529,材料化学 化学是材料发展的源泉。所谓材料是指人类利用化合物的某些功能来制作物件使用的化学物质。化学与材料科学保持着相互依存、相互促进的关系。 无机材料包括金属材料和无机非金属材料（如陶瓷材料等）。材料按用途可分为结构材料（利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门）和功能材料（利用材料的热、光、电、磁等性质，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域，最新发展为智能材料而具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能-21世纪材料）。,按材料的成分和特性可分为金属材料（合金材料）、陶瓷材料（由硅酸盐变为纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物，即无机非金属材料）、高分子材料（塑料、合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等）和复合材料（金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成）。 也可把材料分为传统材料（工艺成熟）和新型材料（具有特殊功能，如高温超导材料、工程陶瓷、功能高分子材料等）。,合成高分子材料：1 塑料：在一定温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。可分为通用塑料（聚乙烯：适合做食品包装袋、奶瓶的高压聚乙烯和适合做强度、硬度较高的低压聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯）、工程塑料（聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS塑料）、特种塑料（在高温、高腐蚀（聚四氟乙烯）或高辐射时使用）和增强塑料。2 合成纤维：聚酯纤维（涤纶，的确良）；聚酰胺纤维（尼龙或锦纶）；聚丙烯腈纤维（腈纶）；聚乙烯醇纤维（维伦）；聚氯乙烯纤维（氯纶）；聚丙烯纤维（丙纶）。3 合成橡胶：通用橡胶（丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶）；特种橡胶（耐高温如硅橡胶、耐低温、耐油如聚硫橡胶、耐化学腐蚀和具有高弹性如氟硅橡胶）。 新型高分子材料：功能高分子；高分子膜；高分子吸附剂；生物医药高分子（高分子药物、医用高分子、仿生高分子）；交换型高分子。,0.1 nm 1 nm 100 nm 1 m 微观 团簇 纳米 介观 宏观 microscopic cluster nanoscopic mesoscopic macaoscopic 纳米和团簇具有奇特的光、电、磁、热、力和化学等性质。例如纳米铁的抗断裂应力比普通化学铁高12倍；纳米金的熔点是330（金块为1063）；纳米银的熔点是100（银块为960.8）；纳米TiO2在200可以转变为高温的金红石结构。纳米科技是在纳米尺寸范围内对物质进行研究和应用，使人类认识和改造物质的手段直接延伸到原子。,材料科学中的硬化学(Hard Chemistry)和软化学(Soft Chemistry)： 硬化学的概念类似于极端条件下的化学，即在超高温、超高压、强辐射、无重力、仿地、仿宇宙等条件下探索新物质的合成，并原位、实时地研究其反应、结构和物性。例如自蔓延高温合成(self-propagating high temperature synthesis)或固体火焰燃烧(solid flame combustion)反应，反应物是采用一些高分散状态、具有巨大的化学能、可以燃烧产生高温并迅速发生反应的物质；产物则是一些耐高温的固体化合物（氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物、硫属化物等）。已有500多种化合物用这种方法合成出来，而且反应可以大量、快速地进行，一旦点燃反应物，立刻就获得产物。起始反应时间约为0.53 s，自蔓延速率约为0.110 cm/s，燃烧温度在15003500 K。,例如利用这种方法，采用Cu、BaO、Y2O3和O2作为反应物，可以成公斤地合成出高温超导材料YBa2Cu3O7-x。又如利用爆炸冲击波中的化学反应，也可以制备得到一些常规反应条件下无法得到的材料。 软化学是在温和的反应条件下和缓慢的反应进程中，以可控制的步骤，一步步地进行化学反应，以制备材料。例如溶胶-凝胶方法是经过源物质分子的聚合、缩合团簇胶粒溶胶凝胶热解等步骤，可以制备得到具有指定组成、结构和物性的纳米微粒、薄膜、纤维、致密或多孔陶瓷、复合材料等，也可以直接形成器件。软化学方法制作材料和器件，已形成新的产品和产业。一切好的材料都是来源于化学，而只有好的材料才能赋予器件以优异的功能。,富勒烯（Fullerene）的发现： 1985年等提出C60是由60个C原子构成球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相邻。也称为足球烯。 C60是球形分子，分子中有30个双键，因此可以合成各种化合物。 下表列出了已合成的各种掺杂C60的超导体已进入高温超导行列。A3C60是通过C60和金属之间的扩散反应完成的。 A3 K3 K2Rb Rb2K Rb3 Cs3 Tc/K 19.28 21.80 26.40 29.40 30,C60 ：科学家于1985年发现的碳的一种同素异形体，它是由60个碳原子构成的分子，形似足球。,AxC60 超导体,能源,一、能源、环境、材料和信息被称为人类社会发展的四大支柱。所谓能源是指提供能量的自然资源。根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期和石油时期。 柴草时期 从火的发现到18世纪产业革命期间，树枝杂草一直是人类使用的主要能源。陶器是人类用火制造出来的第一中自然界不存在的材料。 煤炭时期 煤炭的开发始于13世纪，而大规模开发并使其成为世界的主要能源则是18世纪中叶的事了。煤是发热量很高的一种固体燃料。它的主要成分是C，还有一定量的H和少量的O、N、S和P等。 石油时期 第二次世界大战之后，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然气，每吨原油产生的热量比每吨煤高一倍。（标准煤的发热量定为29.26 MJ/kG）。,二、能源的分类和能量的转化 能源品种繁多，按其来源可以分为三大类： A 来自地球以外的太阳能，除太阳的辐射能之外，煤炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能； B 来自地球本身，如地热能，原子核能（核燃料铀、钍等存在于地球自然界）； C 由月球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量，如潮汐能。,能源工作者常用的分类方法：能源有一次能源：A 常规能源-可再生能源（如水能）；非再生能源（如煤炭，石油，天然气，核裂变燃料）。B 新能源-可再生能源（如太阳能，风能，生物质能）；非再生能源（如核聚变燃料，油页岩，油砂）。二次能源：A 煤制品-洗煤，焦炭，煤气。B 石油制品-汽油，煤油，柴油，燃料油，液化石油气。C 电力，氢能，余热，沼气，蒸汽等。 三、煤炭及其综合利用 经地质学家、煤田学家、化学家们的共同努力，现代的成煤理论认为煤化过程是：植物泥炭（腐蚀泥）褐煤烟煤无烟煤，这个过程称煤化作用。烟煤和无烟煤是老年煤，形成的时间最长，含碳量高，发热量高；而褐煤和泥煤则比较年轻，含碳量较低，发热量也较低。,煤炭的结构,缺点： 热效率低一般2030%，蜂窝煤50%左右； 燃烧受各因素(炉子、煤的形状、质量等)影响大； 产物污染空气温室效应、空气粉尘、酸雨等； 固体垃圾煤灰、煤渣的处理和利用（浪费问题） 运输问题煤炭分布不均，运输是一个大问题！ 问题：如何使煤转化为清洁的能源？如何提取分离煤中所含的宝贵的化工原料？ 办法：煤的气化、煤的焦化、煤的液化！,无烟煤的含碳量为8595%，烟煤7085%，褐煤5070%，泥煤约50%。目前，煤的平均化学组成为C135H96O9NS。 煤的气化 让煤在氧气不足的情况下进行部分氧化，使煤中的有机物转化为可燃气体，以气体燃料的方式经管道输送到车间、实验室、厨房等，也可以作为原料气体送进反应塔。根据煤气的不同用途，需调节煤的空气、水和空气的比例，改进汽化炉的结构，控制反应温度和压力等条件以达到强化需要的反应，抑制不需要的反应的目的，作为燃料用的煤气实际是H2，CO，CO2，CH4，N2（由空气带入）的混合气体，它若作为化工原料对气体纯度有一定的要求，则对条件的控制要求更高，并还要适当地分离提纯。,煤的焦化（干馏） 把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，煤分解生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。有低温（500600）、中温（750800）和高温（10001100）干馏之分。煤经过焦化加工，使其中各成分都能得到有效利用，而且用煤气作燃料要比直接烧煤干净得多。 煤的液化 煤炭液化油也叫做人造石油。煤的平均分子量大约是石油的10倍，煤的含氢量比石油低得多。所以煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢（450480，1230MP）可以得到多种燃料油。 煤既是能源，也是重要的化工原料。我国是世界上最大的耗煤国家，但70%的煤都是直接烧掉，既浪费资源，也污染环境。积极开展煤的综合利用是十分重要的方针。,四、石油和天然气 石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉。石油是国家现代化建设的战略物质，许多国际争端往往与石油产品有关。 石油七姐妹：美国的埃克森、得士古、加州标准、海湾、飞马（美孚）和英国石油、壳牌等石油公司。 石油输出国组织欧佩克（OPEC，13国）：沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、科威特、委内瑞拉（南美）、阿尔及利亚、厄瓜多尔、加蓬、印度尼西亚、利比亚、尼日利亚、卡塔尔和阿拉伯联合酋长国。,天然气的主要成分是甲烷，也有少量乙烷和丙烷，它和石油伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大概伴有1000 m3的天然气。 石油中所含化合物种类繁多。必须经过多步炼制，才能使用。主要过程有分馏、裂化、重整、精制等。在石油工业中，把常压蒸馏和减压蒸馏叫做一次加工，这时物理变化，而裂化、重整和加氢控制等则叫二次加工，它们都属于化学变化过程。 石油和煤成分的比较,无机成因 无机成因学派的论据主要有： 1）通过无机途径（如金属碳化物和水）可以形成一定量的烃类； 2）火山喷出的气体和熔岩流中含有烃类； 3）许多天体上存在烃类，如木星、天王星等的气圈中含有甲烷； 4）生命起源于烃类。,【几种学说】 1）碳化物说：门捷列夫创立（1876）。地球形成时期，温度很高，使碳和铁变成液体，互相作用而变成碳化铁。由于比重大，留在地球深处，地表水沿地壳裂缝向下渗透与碳化铁作用产生碳氢化合物。 3FemCn + 4mH2O mFe3O4 + C3nH8m 碳氢化合物又沿着裂隙上升到地壳。冷凝下来形成石油，并在孔隙性岩层中聚集而成油气藏。,2）宇宙说：1889年俄国学者索科洛夫提出：他认为碳氢化合物是宇宙固有的，地球处于熔融阶段时即已处在气圈中，随着地球的冷却，被吸收凝结在地壳中，当这些碳氢化合物沿裂缝溢向地表的过程中便可形成油气藏。 3）岩浆说：1949年苏联学者库德梁采夫认为组成烃类的碳和氢存在于包括地球在内的天体中，地球的岩浆中的碳和氢在高温高压作用下有可能结合起来形成各种烃类。他还认为依靠石油，地球上才产生了生物，石油不是来自于有机物质，恰恰相反，有机物却来源于石油。,无机成因的弱点是脱离了地质条件来讨论石油的成因，而且将宇宙中发现的简单的烃类与地球上组成复杂的石油等同起来。,生成石油与天然气的原始物质既有动物又有植物，而异的等生物为主；生成油气的环境既可以是海相也可以是陆相。,有机成因：大多数人认同。,因地热或地压等作用变成石油,石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中,生油的原始物质：石油是地质时期中生物遗体（或称有机残体）在适当条件下生成的。一般认为形成成绩无中有机质的最重要的生物有四种：浮游植物、浮游动物、高等植物和细菌。其中一些低等生物，繁殖迅速，产量巨大。它们死亡后，只有少部分由于在乏氧环境中，被泥沙埋藏而保存下来，最后转化为石油。,石油必须经过多步炼制才能使用。主要过程有 分馏、裂化、重整、精制。 分馏烃的沸点随碳原子数增加而升高，在加热时，沸点低的烃类先气化，经过冷凝先分离出来；温度升高时，沸点较高的烃在气化冷凝，借此可以把沸点不同的化合物进行分离，这种方法叫分馏。所得产品较馏分。 裂化用分馏的方法只能分离出原油的1/31/4的有用的轻油，分子量大的烃类必须采用催化裂化法，使分子变小。,二、石油的炼制,分馏塔示意图,石油分馏主要产品及用途,五、核能（原子能） 普通化学反应的热效应来源于外层电子重排时键能的变化，而原子核及内层电子并没有变化。另外还有一类反应的热效应却来源于原子核的变化，这类反应称核反应。有核衰变（原子核不稳定，能自发地放出辐射，而变成另一种原子核的过程），核裂变（原子弹，原子核受轰击时而分裂为质量相差不多的两种核素并释放大量热量和几个中子的过程），核聚变（氢弹：由2个或多个轻原子聚合成一个较重的原子核并释放大量热量的过程，由于核聚变反应是在极高温度下进行的核反应，也称热核反应。1 g 核燃料经核聚变后所产生的能量约为核裂变相应能量的4倍）。,1 g镭(Ra)在衰变过程中释放的能量是1 g镭和足量氯气(Cl2)起反应生成RaCl2时所释放能量的50万倍。1 g铀235(U)发生裂变时释放能量为8107 kJ，1 g氘(H)发生聚变时释放的能量是6108 kJ，而1 g煤完全燃烧时释放的能量仅为30 kJ。核反应过程中由于原子核的变化，而伴随着巨大的能量变化，所以核能也叫