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SchoolofChemicalEngineering 大学化学陈建钧chenjianjun 1 2 第一章气体 大气污染与防治第二章化学反应的基本规律第三章水溶液和水污染及其处理第四章物质结构基础第五章化学与能源第六章化学与材料第七章化学与生命第八章化学与生活 大学化学教学内容 3 参考资料 4 第1章气体 大气污染与防治 4学时 第2章化学反应的基本规律 10学时 第3章水的污染及其处理 6学时 第4章物质结构基础 10学时 第4章化学与能源 6学时 教学内容及学时分配 5 1 1气体定律1 1 1理想气体状态方程式1 1 2道尔顿分压定律1 1 3真实气体状态方程式 范德华方程式1 2大气及大气污染1 2 1大气的组成和层次1 2 2大气污染1 3大气污染的防治1 3 1环境空气质量标准1 3 2大气污染的防治方法 6 Contents 第一章气体大气污染与防治 物质可以以固态 液态 气态等状态存在 物质所处的状态取决于它的温度 压力 密度 组成等状态参数 通常所说的气体 固体或液体是指常温常压下的聚集状态 空气是人类和一切生物赖以生存的必要条件 了解大气污染原因 提出防治措施 是工程技术人员的重要任务之一 7 1 1 1理想气体状态方程式 8 理想气体分子间作用力极小 可忽略不计 理想气体分子占有的体积与分子运动空间相比可忽略不计 1 理想气体分子的特征 所谓理想气体 是人们经过长期观察研究自然界的气体以后 所提出的一种假想的气体模型 假定气体的分子是一些弹性的 本身不占有体积的质点 且分子相互之间不存在作用力 对理想气体 有如下关系 气体的状态方程是描述气体压力 温度 体积和物质的量之间的关系式 2 理想气体状态方程 9 分体积 相同温度下 组分气体具有和混合气体相同压力时所占的体积 混合气体总体积等于各组分气体分体积之和 1 1 2道尔顿分压定律 体积分数 某组分气体的分体积与总体积之比 10 摩尔分数 某组分气体 物质的量 与混合气体的总 物质的量 之比 1801年 Dalton指出 混合气体的压力等于各组分气体的分压力之和 分压力是指某一组分气体在同一温度下 它单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力 2 分压定律 11 分压定律示意图 推论 混合的理想气体与单一的理想气体的状态方程式有相同的形式 12 例 空气中N2和O2的体积分数分别为79 和21 计算在5 8 105Pa下 空气中N2和O2气的分压力各为多少 解 由得 13 例 16g的氧和28g的氮盛于10L容器里 设温度为27 试计算 1 这两种气体的分压 2 混合气体的总压 3 这两种气体的分体积 解 根据 14 例 温度为294K时 在容积为1 00dm 3的容器中 盛有10 的盐酸溶液0 100dm 3 现在加入0 654gZn 并塞紧瓶口 反应完全后 计算瓶中的压力 设瓶内温度在反应前后不变 瓶内空气 水蒸气 HCl气体的总压力为1 0 105Pa 反应前后它们的分压都不变 解 由方程式可知 在这个反应体系中 HCl过量 反应生成H2的物质的量为反应瓶内H2的分压为反应瓶内的总压为 15 温度一定时 某些真实气体在高压下 其可压缩性比理想气体要小 而在低压下 反而比理想气体更容易压缩 这种偏离理想气体的性质 表明真实气体分子占有体积 分子之间存在着相互作用力 1 1 3真实气体状态方程式 范德华方程 16 1873年WanderWalls等考虑到真实气体与理想气体发生偏差的两个因素 提出一个可用于真实气体的状态方程 范德华方程 17 1 2大气及大气污染 18 大气圈包围在地球之外 构成大气圈的物质总称为大气 它是空气 水蒸气和杂质组成的混合物 空气成分以氮 氧 氩为主 按体积计 氮为78 09 氧为20 95 氩为0 93 三者共占的体积在99 9 以上 成为大气的主要成分 此外 大气中还有少量的CO2 稀有气体以及臭氧等 1 2 1大气的组成和层次 人类生活在大气圈中 靠空气中的氧来生存 所以大气与生命的关系极为密切 一般成年人每天需要呼吸约10 12m3的空气 相当于一天食物质量的10倍 饮水质量的3倍 一个人可以几周不吃食物 几天不喝水 但断绝空气却几分钟都不行 可见空气对维持生命的重要性 而清洁空气则是健康的重要保证 19 大气上层含有的物质与下层迥然不同 由于下层区的组成相对均匀 因而有一种分层法是把大气分成均质层和非均质层 最常用的分层法 是按照温度随海拔高度变化的情况来划分 2 大气的主要层次 20 1 2 2大气污染 21 大气污染 大气中的有害物质含量超过了一定的指标 使大气质量恶化 对人体 动植物 设备财产造成危害的现象 那些达到一定浓度以后 能对人体或设备发生物理 化学作用 影响 破坏人体 设备的正常功能 引起暂时或永久性病变或破坏的物质叫做大气污染物 大气污染物的种类很多 目前已产生危害或已受到人们注意的污染物大致有100种 目前的大气污染物除粉尘外 还有SO2 CO NOx CHX O3 1 大气污染概况 22 2 大气污染源 23 汽车 飞机 火车等交通工具排放的尾气 工业污染源 生活污染源 交通污染源 工矿企业的生产过程和燃料燃烧过程中 排放的有害物质 人类为了满足生活的需要 使用家庭炉灶及取暖设备等排放的有害物质 对能见度和气候的影响 3 大气污染的危害 24 对人体健康的影响 对动植物的伤害 对器物和材料的影响 一是人体表面接触后受到伤害 二是食用含有大气污染物的食物和水中毒 三是吸入污染的空气后患了种种严重的疾病 一是使生物中毒死亡 二是减缓生物正常发育 三是降低生物对病虫害的抵抗力 大气污染物对仪器 设备和建筑物等有腐蚀作用 气溶胶是指悬浮在大气中的各种液态或固态微粒 固体微粒有烟黑 粉尘 重金属及其化合物等 液体微粒有水滴和酸滴等 通常所说的烟 雾 尘等都是气溶胶 烟是引起大气污染最明显 最常见的毒物 烟黑是燃烧不完全而产生的小黑颗粒 含碳 氢 氧多种元素 有的烟黑带有多种稠环芳烃 公认的致癌物 气溶胶污染物 几种主要大气污染物 25 粉尘直径大于10 m为落尘 小于10 m为飘尘 落尘容易自行沉降 飘尘会长期漂浮在空中 特别是直径5 m以内的飘尘比细菌还小 可以在人畜的肺部沉积 甚至由肺泡进入血液而被输送到全身 有的飘尘粒子本身就是重金属或非金属氧化物 表面还会吸附一些致癌性极强的芳烃化合物 所以世界各地都视飘尘为大气污染之首 26 大气中的硫氧化物SOx 主要指SO2和SO3 它们主要来自含硫燃料 煤 石油 的燃烧 SO2是无色有臭味的窒息性气体 对人体的呼吸道有强烈的刺激性 吸入SO2含量的体积分数大于0 002的空气 会使嗓子变哑 喘息 甚至失去知觉 它不仅对生物产生危害 还会对建筑物 金属结构以及名胜古迹等造成腐蚀与损害 SO2还是酸雨的成因之一 硫氧化物SOx 27 主要是指NO和NO2 人类活动排放的NOx 大部分来自燃料的燃烧过程 NO是无色无臭的气体 对呼吸系统有刺激作用 并能与血红素结合形成亚硝血红素而引起中毒 NO2是棕色 有特殊臭味的气体 其毒性很强 约为NO的4 5倍 对呼吸器官有强烈的刺激作用 能迅速破坏肺细胞 可能是引起肺气肿和肺癌的原因之一 氮氧化物NOx 28 一氧化碳CO主要来自交通运输 特别是汽车尾气 CO对人体的危害主要是与血红蛋白结合生成羰血红蛋白 使血液输氧能力降低 造成机体组织缺氧而致急性或慢性中毒 共存于大气中的各种物质之间可能会发生相互作用 有的作用使其对环境的危害比污染物简单的相加更为严重 这类相互作用称为协同作用 一氧化碳CO 29 4 当代世界面临的主要大气环境问题 30 温室效应 酸雨 臭氧层问题 伦敦烟雾 光化学烟雾 1 温室效应 温室效应是由于大气中大量二氧化碳 氟氯烃 甲烷 二氧化氮等温室气体组成 主要是二氧化碳 像玻璃罩一样 紧紧地罩在地球上空 使太阳辐照到地球上的热量无法逸散 从而使气候圈增温的现象 温室效应主要是由于现代工业社会过多燃烧煤炭 石油和天然气以及森林燃烧等释放出大量二氧化碳进入大气造成的 31 大气中的二氧化碳对于来自太阳的短波辐射吸收很少 地表受到大量短波辐射被加热 温度升高 再以长波形式向外辐射能量 地表的长波辐射绝大部分被大气中的水蒸气和二氧化碳吸收 大气被加热 也以长波向外辐射能量 很大一部分辐射能又返回地表 这样使地表和大气下层的温度升高 这种作用和温室玻璃所起的作用类似 称 温室效应 温室效应的产生 32 温室效应会改变生态环境 氟氯烃化合物如氟里昂不仅具有强烈的增温效应 还破坏臭氧层造成臭氧空洞 温室效应可使史前致命病毒威胁人类 温室效应的危害 33 温室效应的分类 34 自然温室效应由自然因素导致的温室效应称为 自然温室效应 人为温室效应由于人类大量使用化工燃料 工业高度发展 砍伐森林等原因 破坏自然热平衡 而引起气候变暖称 人为温室效应 习惯上 温室效应 是指后者 又称 地球变暖 联合国组织的政府间气候变化专业委员会 IPCC 在1990年气候变化第一次评估报告中指出 过去100多年中 全球平均地面温度上升了0 3 0 6 英国对全球2000多个陆地观测站的大约1 108个数据以及6000 104个海洋观测数据的分析结果表明 1981 1990年全球平均气温比100年前的1861 1880年上升了0 48 100年来地球上的冰川大部分后退 海平面上升了14 25cm 温室效应的近况 35 2 酸雨 36 酸雨是指引空气污染而造成的酸性降水 通常指pH 5 6的酸性降水 酸雨主要是空中云层吸收大气污染物并在雨滴内不断反应形成酸性物质的结果 一般认为酸雨是人类活动排放的SOx和NOx在空气或水中转化为硫酸与硝酸所致 酸雨的定义及形成 37 酸雨的危害 1 使湖泊河流酸化2 影响植物生长3 破坏土壤 危害农作物4 破坏城市建筑 机器 桥梁5 腐蚀名胜古迹及雕塑 38 臭氧层位于离地面约25km的地方 厚度约20km 臭氧层中的臭氧过滤了太阳辐射中大量的紫外线 保护着人类和动植物的生存 是生物圈的一个天然保护伞 3 臭氧层问题 39 臭氧层变薄和出现空洞 就意味着有更多的紫外线射达地面 过强的紫外线对生物具有破坏性 对人类可以使皮肤 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他水生生物的正常生长及造成全球性气温的变化 极地臭氧层空洞 40 破坏臭氧层的罪魁祸首是长期大量使用的冷冻剂freon类物质如CFCl3 freon类物质逸散到臭氧层 受紫外光照射会分解产生氯自由基 由氯自由基引发出消耗O3的循环反应 臭氧层的破坏 41 1985年在联合国环境规划署的推动下 形成了 维也纳公约 1987年在加拿大的蒙特利尔又签署了该公约的议定书 1991年该议定书又作了修改 我国于1992年加入了 蒙特利尔议定书 1995年1月23日联合国大会决定 每年的9月16日为国际保护臭氧层日 要求所有缔约国按照 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书 及其修正案的目标 采取具体行动纪念这个日子 臭氧层的保护 42 1 冻结和削减Freon的生产及消耗量发达国家的CFC禁用期为1996年 发展中国家CFC禁用期为2010年 2 减少Freon的排放量3 寻求代用品绿色电冰箱使用的制冷剂如CH2FCF3 由于无氯 无溴 消除了对臭氧层的危害 蒙特利尔议定书的主要内容 43 4 伦敦烟雾 44 伦敦位于英格兰东南部的平原上 跨泰晤士河 距离泰晤士河入海口 公里 早在 多年前 伦敦地区就是当时英国人居住的地方 公元前 年 罗马帝国入侵大不列颠岛 公元前 年 这里曾是罗马人的主要兵站并修建了第一座横跨泰晤士河的木桥 当时伦敦被称为 伦底纽姆 世纪 伦敦已成为世界上最大的金融和贸易中心 伦敦受北大西洋暖流和西风影响 属温带海洋性气候 四季温差小 夏季凉爽 冬季温暖 空气湿润 多雨雾 秋冬尤甚 1952年12月 伦敦一带上空为高气压控制 地面上完全处于无风状态 这时候就出现下层气温低 上层气温高 阻碍空气对流的逆温层 从工厂和家庭排出的烟尘和SO2在大气中积蓄 久不能散 形成烟尘和SO2浓度很高的烟雾 迫使所有飞机停飞 汽车白天开灯行驶 行人走路困难 只能沿人行道摸索而行 呼吸病患者猛增 5天内4000多人死亡 两个月内又有8000多人死亡 伦敦烟雾又称硫酸烟雾 主要指大气中的SO2等硫化物在有水雾 含有重金属的飘尘或氮氧化物存在时 发生一系列化学或光化学反应而生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶 伦敦烟雾的产生 45 5 光化学烟雾 46 坐落在美国西海岸加利福尼亚州南部的洛杉矶是仅次于纽约的美国第二大城市 以其旋漪的风光 大都市的气派 集繁华与宁馨于一身 是美国西海岸边一座风景秀丽 璀璨夺目的海滨城市 一年四季阳光明媚 干燥少雨 气候温和宜人 1943年夏季 洛杉矶市250万辆汽车每天燃烧掉1100吨汽油 汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起化学反应 形成浅蓝色烟雾 使该市大多市民患了眼红 头疼病 1955年和1970年洛杉矶又两度发生光化学烟雾事件 前者有400多人因五官中毒 呼吸衰竭而死 后者使全市四分之三的人患病 洛杉矶光烟雾 47 大气中的氮氧化物和碳氢化合物经紫外光照射后形成刺激性的浅蓝色的有毒烟雾 称为光化学烟雾 这种烟雾能使环境中能见度降低 轻者使人眼睛红肿 喉咙疼痛 重者使人呼吸困难 手足抽搐 甚至死亡 最早发生在洛杉矶 也叫洛杉矶烟雾 光化学烟雾是由汽车排放的废气和燃烧石油引起的 随着工业化和汽车使用增加 光化学烟雾已成为工业发达国家都存在的严重空气污染问题 光化学烟雾的定义及产生 48 1 3大气污染的防治 大气污染的防治工作中 首先要制定大气环境质量标准 规定大气中有害物质的最高允许浓度 我国在1962 1985 1996年对大气中的有害物质规定了最高允许浓度 表 各项污染物的浓度限值 49 1 3 1环境空气质量标准 50 注 1 适用于城市地区 2 适用于牧业区和以牧业为主的半农半牧区 蚕桑区 3 适用于农业和林业区 1总悬浮颗粒物 TSP 指能悬浮在空气中 空气动力学当量直径 100 的颗粒物 2可吸入颗粒物 PM10 指悬浮在空气中 空气动力学当量直径 10 的颗粒物 3氮氧化物 以NO2计 指空气中主要以一氧化氮和二氧化氮形式存在的氮的氧化物 4铅 Pb 指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合物 5苯并 芘 B 指存在于可吸入颗粒物中的苯并 芘 空气质量指标 51 6氟化物 以气态及颗粒态形式存在的无机氟化物 7年平均 指任何一年的日平均浓度的算术均值 8季平均 指任何一季的日平均浓度的算术均值 9月平均 指任何一月的日平均浓度的算术均值 10日平均 指任何一日的平均浓度 11一小时平均 指任何一小时的平均浓度 12植物生长季平均 指任何一