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化学与环境保护生物工程学院张志斌2007 2 第一章化学对人类社会的贡献 化学 是研究物质的组成 结构和性质及其变化规律的科学 是与人类生活有密切关系的基础学科 物质 运动 能量微观 宏观 宇观分子 原子 离子 1 1化学在粮食增产中的作用 化肥 农药 植物生长调节剂 粮食1 1 1化学肥料肥料三大要素 氮 磷 钾光合作用 化肥 N P K 肥料 包括农家 有机等 粮食增产 1 1 2农药杀虫剂 杀害虫除草剂 除杂草第一代农药 天然的第二代农药 合成的第三代农药 生物的无机农药 砒霜 砷酸铅 砷酸钙 有机农药 666 DDT 乐果 敌敌畏 1 1 3植物生长调节剂定义 调节植物生理功能的一类化合物 促进 抑制作用 植物生长调节剂是从天然植物内源激素研究中发展出来的一类农药 1 2合理使用能源离不开化学的指导 能源 就是能量的源泉 指能为人类利用 而获得有用能量的各种来源 例如 P5 化学在能源的研究和利用过程中的作用 P5 化学反应 1 2 1化石燃料的有效利用化石燃料 石油 天然气 煤1 2 1 1煤炭包括 P6 主要成分 C H O N S P 1 2 1 2石油石油即原油 P6 1 石油的分馏分馏 分馏塔石油的分馏产品 表1 2 P7 2 汽油性能的表征 辛烷值辛烷值 相对辛烷值 辛烷值90表示什么 3 重整汽油重整 把馏分中的烃类分子重新排列而构成新的分子结构 重排 重整 可以提高汽油的辛烷值 4 提高汽油辛烷值的方法加入PbEt4加高辛烷值的组分 调合辛烷值P10表 重整 裂化 断链 提高汽油产量裂化汽油 催化裂化 商品汽油的主要来源 催化裂化汽油 重整汽油 1 2 1 3天然气天然气组分 天然气是否有毒 完全燃烧不完全燃烧煤气的成分 煤气的毒性 1 2 2发展清洁 安全和经济的核能见书P10 12 1 2 3新能源的开发与利用1 太阳能 P122 生物能 P133 风能 P144 地热能 P145 海洋能 P14 6 化学电源 P14 17氢镍电池 锂电池 燃料电池 第三节化学为人类提供不竭的新材料 定义 材料是用于制造各种有用物品的的物质 是人类生产和生活必须的物质基础 材料 信息 能源 并称现代社会进步的三大支柱 分类 结构材料功能材料 举例 天然高分子材料 合成高分子材料 三大合成材料 塑料纤维橡胶人们的衣食住行 都与化学和材料有关金属材料陶瓷材料有机高分子材料复合材料 第四节人体的化学反应与新药开发 一 人体中的化学变化人体中化学反应特点 复杂反应多反应快反应完全 酶 人体中化学反应的催化剂酶的定义 酶是一种蛋白质 是人体反应的催化剂 由细胞产生 但脱离细胞仍有作用 酶的性质 酶溶于水成胶体溶液 极不稳定 遇热 酸 碱变性 酶的种类 脂肪酶蛋白酶蔗糖酶 化学反应 正 逆 化学平衡化学热力学化学动力学二 化学与新药的开发药物 提取的化学合成的生化合成的生物制药 以生物为原料 采用生物学和生物化学的原理和方法 制备具有防病治病价值的药物生产 习题与思考题 1 化学是一门什么样的科学 2 如何看待化学与人类生活和社会发展的关系 第二章化学污染与环境问题 内容提要 P9学习要求 P9 第一节化学污染 一 环境污染概述四个圈层 环境污染的因素 物理的化学的生物的 1 大气污染 主要来自化石燃料的燃烧化石燃料 酸雨 温室效应 臭氧层破坏 2 水体污染 主要是污水排放水资源 淡水 污水 3 固体废物 生活垃圾 4 光和热的污染 眩光 引起不舒服感觉的一种视觉现象 眩光污染 在光环境中的眩光 城市热岛 城市高大的建筑物阻止热浪的疏散 城市热岛效应 二 化工污染化学工业的特点 原料 产品种类多 生产工艺多样化 工业污染占环境污染的70 我国的工业废水治理率约20 工业废气治理率约56 工业废渣治理率约50 国外化工污染分三个阶段 1 化工污染的发生期 1890 主要是酸碱盐污染2 化工污染的发展时期 1910 1950 主要是煤及其产品 无机有机污染3 化工污染的泛滥时期 1950 主要是石油 天然气 由原来的煤烟型转化成石油型污染 工业污染分类 无机化学工业污染有机化学工业污染按污染物形态 废气 废水 废渣化工污染物来源 化学反应不完全产生的废料 副反应产生的废料 燃烧过程中产生的废气 冷却水 废水 设备和管道的泄漏物 化工生产中排出的废弃物 三 化肥生产中的污染1 废气化肥生产中的废气来源 氨合成中矿物燃料的燃烧以及各个流程中排出的硫氧化物 氮氧化物和CO等 2 废水生产氮肥的工厂排出的废水来源 用于制造过程的水 冷却水 用于辅助操作的水 磷肥生产中会产生大量的废气 废水及固体废弃物的污染 钾肥的生产中也会产生废水和固体废弃物的污染 四 农药的污染农药的污染 农药可污染大气 水体和土壤 另外 农药的生态效应十分深远 尤其是对生物多样性保护的影响 农药对人体健康的危害 尤其是三致作用 致畸 致癌 致突变 和对生殖性能的影响 第二节环境污染事件 一 环境公害环境问题 人与自然界的关系问题 是人为的和自然的原因引起环境的破坏和污染 给人类带来灾难 公害 主要指人为原因引起环境的破坏和污染 公害发展的三个时期 1 公害发生期 煤足尾事件 p162 公害发展期 石油 天然气烟雾事件 3 公害泛滥期 汽车尾气洛杉矶烟雾事件 世界环境污染八大公害事件 1 公害病与公害事件2 公害事件之一 日本的水俣事件3 公害事件之二 日本的痛痛病4 公害事件之三 美国的多诺拉烟雾事件 5 公害事件之四 比利时的马斯河谷烟雾事件6 公害事件之五 日本的四日气喘病7 公害事件之六 日本的米糠油事件8 公害事件之七 英国伦敦烟雾事件9 公害事件之八 美国洛杉矶烟雾事件 二 重大污染事件见书P17表 20世纪80年代对环境污染危害较大的三大工业部门 化工 冶金 轻工六大企业 发电厂 钢铁厂 炼油厂 石油化工厂 矿山有色金属冶炼厂 造币厂 第三节人类面临的重大环境问题 一 温室效应和全球气温上升 1 温室效应 2 温室效应加剧 矿物燃烧 森林破坏 使CO2不断增加 3 温室气体 水蒸气 CO2 甲烷 CO 臭氧 二 海平面上升据统计 南北极的冰是世界上江河湖泊总水量的9倍左右 南极的冰熔化 10 海平面将上升4 9米温室效应加剧的结果 危害 温室效应加剧的结果 危害 这将造成 淹没沿海城市或平原等 影响播种及降雨量 变暖的气候有利于病毒生长 食物污染 变质加剧 疾病的流行会影响人类的健康 三 土地荒漠化定义 荒漠化指由于气候变异和人为活动等因素造成的干旱 半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化 世界防治荒漠化和干旱日 6月17日 1995年6月17日是第一个 世界环境日 6月5日 1972 6 5 16联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议 1972年6月5日为第一个世界环境日 四 臭氧层空洞分布 位于平流层内 离地面约25km高度的地方 其厚度约20km 分布在高约15 35km范围内 作用 O3吸收 220 330nm的紫外线 防止紫外线对地球上生物的伤害 问题 氮氧化物和氟氢烃 如氟里昂等 及大型喷气机尾气和核爆炸烟尘产生的污染物 如NO和某些自由基等 可以破坏臭氧层 使臭氧层变薄 甚至出现空洞 南极和北极上空 危害 紫外线对生物具有破坏性 可以对人类的皮肤 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它水性生物的正常生长 以及造成全球性气温的变化 五 酸雨定义 酸雨是指PH 5 6的酸性降水 是大气污染现象之一 有些严重的地方5 0左右 甚至4 0左右 成分 酸雨中含有许多无机酸和有机酸 绝大部分是硝酸和硫酸 危害 酸雨可腐蚀建筑物 损毁庄稼 并使水域和土壤酸化 破坏整个生态环境 损害森林 使树叶 树枝枯黄甚至死亡 危害具体表现在如下几方面 书P22 1 森林毁灭 2 湖泊酸化 3 农作物减产 4 人体健康受损 5 建筑物腐蚀 六 森林萎缩森林的作用 森林通过光合作用 吸收大气中的CO2 产生游离的O2 供人和其他动物及植物呼吸之用 被称为 天然的超级肺 全球和我国的森林萎缩状况见书P23 七 生物多样性丢失到20世纪末 全球有100多万种生物被灭绝 生物多样性包括物种 基因和生态环境的多样性 其中物种的数量是衡量生物多样性丰富程度的标志 具体内容参见书P23 25 八 灾害与国际减灾1 自然灾害 P25 2 人为灾害 P25 26 3 世界末日论与国际减灾10年 P26 27 九 环境纠纷和生态战争1 资源纠纷 P27 28 争夺矿物资源 如石油 2 转移污染 P28 转移污染严重的企业到发展中国家 3 生态侵略 P28 29 掠夺发展中国家的自然资源和初级产品 习题与思考题 1 简述环境污染的主要来源 2 什么是 八大公害事件 3 20世纪80年代以来的重大环境污染事件有哪些 4 当前人类面临哪些重大环境问题 5 如何解决化学对人类社会的贡献与化学污染对环境和生态破坏的矛盾 第三章环境与可持续发展 内容提要 P30学习要求 P30 第一节环境与可持续发展的概念 一 环境与环境科学环境 社会环境 自然环境 由四个圈层组成环境科学 是涉及自然科学 工程科学 医学和社会科学的一门边缘学科 环境科学研究的目的 P31环境科学研究的对象 P31 二 可持续发展可持续发展 是既满足当代人的需求 又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展 参见P31 可持续发展理论的主要内容 可持续发展不否定经济增长 可持续发展以自然资源为基础 可持续发展以提高生产质量为目标 可持续发展应体现环境资源的价值 可持续发展的实施以适宜的政策和法律体系为条件 第二节可持续发展的形成 一 两座里程碑1 1972年斯德哥尔摩人类与环境大会 1972 6 5 16 环境与污染问题联合国针对世界性的资源危机和环境恶化趋势 召开的会议 发表了 人类环境宣言 见P33 2 1992年巴西里约热内卢世界环境与发展首脑大会 1992 6 3 14 环境与发展问题参见书P34 35二 我们共同的未来与可持续发展世界上的石油储量 维持40 60年世界上的天然气储量 维持50 60年世界上的煤炭储量 维持220年可持续发展 满足当代人的需求 不损坏后代人需求的发展 三 可持续发展的基本理论 三种生产的和谐1 三种生产及其联系 物质生产 获取资源 人的生产 消费资源 环境生产 产生资源2 三种生产的调和参见书P37 第三节可持续发展的实施 一 里约热内卢会议的伟大成果 21世纪议程 1 保护大气层2 改善陆地环境3 净化海洋环境 二 中国对可持续发展的重大贡献1 中国21世纪议程 内容简介 主要内容见书P39 2 中国可持续发展战略的实施 见书P39 建立和健全可持续发展的法制 行业和地方制定规划的具体推进 3 中国致力于加大环境治理的力度 见书P40 4 中国积极参与环境与发展领域的国际合作 见书P41 习题与思考题 1 什么是可持续发展 2 可持续发展理论有哪些主要内容 如何协调三种生产力 3 简述1972年斯德哥尔摩人类与环境大会以及1992年巴西里约热内卢世界环境与发展首脑大会对环境可持续发展的重要贡献 4 中国对可持续发展有哪些贡献 第四章化学反应的基本原理 内容提要 P42学习要求 P42 第一节化学热力学基础 热力学 是研究自然界各种形式的能量之间相互转化的规律 以及能量转化对物质的影响的一门科学 化学热力学 是把热力学的基本原理用来研究化学现象以及和化学有关的物理现象的一门科学 热力学第一定律 能量守恒和转换定律在热力学上的表现 它指明热是物质运动的一种形式 并表明 外界传递给一个物质系统的热量等于系统内能的增量和系统对外所做的功的总和 即第一类永动机是无法制造的 U Q W U Q W 热力学第二定律 它有不同的表述方式 1 热量总是从高温物体传到低温物体 不能作相反的传递而不带有其它变化 2 功可以全部转化为热 但任何热机不能全部地 连续不断地把所受的热量转变为功 即无法制造第二类永动机 3 在孤立系统内实际发生的过程 总使整个系统的熵的数值增大 即熵增加原理 热力学第三定律 即能斯特 Nernst 热定理 当温度趋向于绝对零度时 273 16 体系的熵趋向于一个固定的数值 而与其它性质如压强等无关 另一种表述 绝对零度不可能达到 不可能用有限个手续使物体冷却到绝对零度 永动机 不可能实现的空想发动机 第一类永动机 不消耗任何能量就能永远做功的机器 违反热力学第一定律 第二类永动机 能在没有温度差的情况下 从某一巨大物质系统 如海水 空气 不断吸取热量而将它转变为机械能的发动机 违反热力学第二定律 化学热力学研究的主要内容 1 化学和物理变化中的能量转化问题 2 化学和物理变化进行的方向和限度 即 热一 过程的能量转换热二 过程的方向限度 一 基本概念1 系统与环境敞开系统 封闭系统 孤立系统2 状态和状态函数状态 体系的热力学状态 始态 终态 状态函数 性质 确定体系状态的宏观性质的物理量 m T P V c n E mol 包括 容量性质 广度性质 其数值与体系中物质的数量成正比 具有加和性 V m mol U 强度性质 其数值与体系中物质的数量无关 不具有加和性 P T 强度性质 容量性质 容量性质如 m V3 过程和途径理想气体状态方程式 pV nRT4 聚集状态和相气体 液体 固体 5 化学方程式的一般形式aA bB gG dD反应式通式 反应速率表达式 标准摩尔焓变 标准摩尔熵变 标准摩尔吉布斯函数变 见书P44 45 二 化学反应热效应1 热力学第一定律 1 能的意义 2 能的互变 3 能量的传递 4 热力学第一定律 U Q WQ 吸热反应为正值 放热反应为负值W 环境对系统做功为正值 系统对环境做功为负值 膨胀功 0 压缩功 0 2 化学反应热效应化学热力学 热化学 反应的热效应 1 恒容反应热 V 0 Qv U 2 恒压热效应 Qp H U P V焓的定义 H U PV H U P V Qp 3 热效应的测量Q C m T 3 化学反应热效应的计算因为化学反应前后的总内能不同 所以总是伴随有能量的变化 通常以热的形式与环境交换 即是反应的热效应 因为体积功 热效应 热量 因此 研究化学反应的能量主要考虑热量 放热反应 吸热反应 1 热化学方程式定义 涉及热效应的化学反应方程式 写法 注意事项 符号 状态 正负值 数值表示 见书P49 2 标准摩尔生成焓和反应的标准摩尔焓变1 物质的标准摩尔生成焓化合物的生成焓 fHm 在一定条件下 由稳定单质生成1mol化合物时的等压反应热 规定 稳定单质的生成焓为零 物质的标准摩尔生成焓 fH m 在标准态下 由稳定单质生成单位物质量的纯物质时反应的焓变 规定 稳定单质的标准摩尔生成焓为零 fH m 稳定单质 0 水合H 的浓度c 1mol dm 3的标准摩尔生成焓为零 即 fH m H aq 298 15K 0 标准态 指在标准压力p 下物质的确切聚集状态 标准压力选定 p 100kPa 标准态的温度T不具体指定 一般用298 15K 对于气体 其标准态就是它的分压为100kPa的状态 对于溶液 其标准态就是处于标准压力p 下 溶液的浓度c 1mol dm 3的状态 对于液体和固体 其标准态就是处于标准压力p 下的纯物质 2 反应的标准摩尔焓变 rH m 在标准条件下 反应的摩尔焓变叫反应的标准摩尔焓变 计算公式见书P50 注意事项见书P51 6点 三 化学反应的方向1 自发过程 无需外界干涉即可自动发生的过程 例子 见书P532 Gibbs函数 1 Gibbs函数与自发过程在等温 等压只做体积功的条件下 凡是系统Gibbs函数减少的过程都能自发进行 热力学第二定律的一种表达式 Gibbs判据 见书P54 2 化学反应的标准摩尔Gibbs函数变 rGm标准态反应的Gibbs判据 见书P54定义 在标准态下 由稳定单质生成1mol该物质的反应的标准摩尔Gibbs函数变称为该物质标准摩尔生成Gibbs函数 记为 fGm 298 15K 规定 fG m 稳定单质 0 fG m H aq 298 15K 0计算公式见书P55 4 17 3 混乱度与熵自发过程的方向 混乱度 无序度 增大的方向 即熵增加的方向 这是自然界物质运动的基本规律 标准摩尔熵Sm 和标准摩尔熵变 Sm 热三 在绝对零度时 任何纯净的完整晶态物质的熵等于零 定义 单位物质的量的纯物质在标准条件下的规定熵叫做该物质的标准摩尔熵 记为Sm 熵值大小比较 见书P56 注意事项 见书P57 4 反应自发进行方向的判断G H公式 见书P58 1 反应自发进行方向的粗略判断 见书P59 2 化学反应的 G的计算及自发进行方向的判断 见书P59 查表法计算 标准熵法计算 近似G H公式 转向温度的计算 见书P60 第二节化学反应速率 一 化学反应速率的表示法 见书P62二 浓度对化学反应速率的影响 1 质量作用定律 见书P62 632 反应级数 见书P63三 温度的影响和Arrhenius公式1 经验规律 2 Arrhenius公式 见书P64 65 四 化学反应速率理论1 碰撞理论 2 过渡状态理论 见书P66 67五 提高反应速率的方法 见书P67 681 增大浓度 或气体压力 2 升高温度3 降低活化能 第三节化学反应进行的程度和化学平衡 一 化学平衡1 化学平衡的特征 见书P682 平衡常数的表达式 注意事项 3 平衡常数 K 与反应的标准摩尔Gibbs函数变 rGm rGm RTlnK 二 弱电解质的解离平衡1 一元弱酸 弱碱的解离平衡 见书P712 多元酸的解离平衡3 同离子效应与缓冲溶液 1 同离子效应 见书P73 2 缓冲溶液及其pH的计算 见书P74 3 缓冲溶液的应用 选择与配制 见书P76 三 配离子的解离平衡1 配位化合物的组成和命名 见书P77 782 配离子的解离平衡 见书P78 79四 沉淀 溶解平衡1 溶度积的概念 见书P802 溶度积与溶解度的关系 见书P813 溶度积规则及其应用 1 溶度积规则 见书P83 2 分步沉淀和共同沉淀 见书P84 85 第四节电化学原理及其应用 一 原电池与电极电势1 原电池 见书P84 852 电极电势 P85 86 1 电极电势的产生 2 标准氢电极 3 标准电极电势的确定 3 原电池的电动势与Gibbs函数变的关系 rGm nFE 4 浓度对电极电势的影响 Nernst方程式 见书P88二 电极电势的应用1 判断氧化剂 还原剂氧化还原能力的相对强弱 见书P89 902 判断氧化还原反应进行的方向 见书P903 判断氧化还原反应进行的程度 见书P91 三 电解及其应用1 电解的基本原理 见书P922 分解电压 见书P92 933 电解产物的判断4 电解原理在工程实际中的应用 见书P93 95 习题与思考题 1 15题全做 第五章大气污染及其控制 大气 大气组成 大气污染 大气污染防治 第一节大气圈的结构和组成 一 大气圈的结构 见书P98 100 对流层 平流层 中间层 热成层 逸散层 二 大气的组成1 原始大气的组成 见书P1002 当代大气的组成 见书P101 102 第二节大气污染的形成与发展 一 大气污染的发展变迁史见书P102 104二 重大的大气污染事件见书P104 106三 我国的大气污染状况与特征见书P106 107 第三节大气污染的控制 一 大气污染源及主要污染物见书P107 108二 控制大气污染的必要性见书P108三 大气污染防治的基本途径见书P109 第四节臭氧层空洞的形成及保护对策 一 臭氧层空洞对人类的威胁见书P109 110二 臭氧层空洞的形成见书P110 113三 保护臭氧层的全球对策见书P