环境化学习题-2014(1).doc

常 州 大 学 环 境 与 安 全 工 程 学 院硕士环境化学习题1、环境化学的概念。其分支学科有哪些？（第1章）环境化学是研究化学物质在环境中的来源、存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的学科，它是化学科学的一个重要分支，也是环境科学的核心组成部分。2、1995年诺贝尔化学奖授予三位研究大气化学的科学家。试述他们的研究成果。（第1章）三位科学家：Paul J Cruzen、Mario J Molina、F. Sherwood Rowland研究成果：Paul Crutzen, Mario Molina and Sherwood Rowland have all made pioneering contributions to explaining how ozone is formed and decomposes through chemical processes in the atmosphere. Most importantly, they have in this way showed how sensitive the ozone layer is to the influence of anthropogenic emissions of certain compounds. The thin ozone layer has proved to be an Achilles heel (致命弱点) that may be seriously injured by apparently moderate changes in the composition of the atmosphere. In 1974, Molina and Rowland proposed in their Nature article that the chemically inert CFC could gradually be transported up to the ozone layer, there to be met by such intensive ultra-violet light that they would be separated into their constituents, notably chlorine atoms. They calculated that if human use of CFC gases was to continue at an unaltered rate the ozone layer would be depleted by many percent after some decades. 他们对解释臭氧在大气中的分解与形成的化学过程做出了先驱性的贡献。更重要的是，他们以这种方式表明臭氧层是如何对某些人为排放的化合物所产生的影响产生敏感性。薄薄的臭氧层已被证明是一个致命的弱点。臭氧层通过大气成分的适度改变可能会受到严重的损伤。Molina 和 Rowland 认为化学惰性的CFC能逐渐被运送到臭氧层，遇到密集的紫外光时，CFC气体会破化臭氧分子，特别是氯原子。他们计算出，如果人类继续以不变的速率使用CFC气体，几十年后，会耗尽臭氧层的许多百分比。3、在环境化学优先发展领域中，分支学科大气污染控制化学领域的关键科学问题和重要研究方向有哪些？水体污染与控制领域呢？（第1章）大气污染控制的关键科学问题：完善新经济形势下我国主要大气污染物的排放清单，发展主要大气污染物的在线监测方法；揭示典型大气污染物的环境微界面过程和区域性复合大气污染的形成机制，提出控制策略；提出优先控制大气污染物，并发展关键污染物控制的新原理、新方法。大气污染控制的重要研究方向：灰霾污染、成因与控制；大气中持久性有机污染物的迁移、转化机制；氮氧化合物控制；温室气体控制；室内空气净化和消毒水污染与控制的关键科学问题：地表水、地下水和水处理及污染水体修复过程中，典型污染物的化学性质、迁移转化和归趋；新型高风险环境污染物的高效处理新技术原理与生态安全性；废水中污染物资源化利用过程中的转化原理水污染与控制的重要研究方向：水质转化的化学过程；废/污水中传统污染物削减新技术及其原理；难降解有毒有机污水的处理原理、排放标准与生态安全性；污染水体的修复原理与方法；给水处理工艺中新型环境污染物的风险控制原理；废水资源化利用的安全风险评价。4、在重大交叉研究领域中，污染物多介质界面行为、区域环境过程与调控领域的关键科学问题和重要研究方向有哪些？（第1章）关键科学问题：污染物的多介质界面行为与区域环境过程、迁移转化过程的调控原理、污染物的削减与修复技术原理。重要研究方向：区域环境介质中典型污染物的浓度水平、源汇机制及复合污染过程；污染物的多介质界面行为、生物有效性、影响因素及机制；典型污染物的区域环境过程及调控机制；环境污染缓解与修复的技术原理。5、何谓全球变化？国际上对全球变化进行了哪些研究，取得了什么研究成果？（第2章）全球变化：在不同的时间尺度和空间尺度上，地球自诞生以来一直不断地发生着演化；在全球尺度上影响地球系统功能的变化称为全球变化。国际上对全球变化的主要课题：国际地圈生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)、国际全球环境变化的人文领域(IHDP)计划、生物多样性(DIVERSITAS)。研究成果：（一）对地球系统及其运行与演变规律有了较好的认识：地球系统是一个有机整体 ；对地球系统过去变化的认识；对南极臭氧洞变化的认识；就改变生物圈、影响地球系统运行的其它层面而言，人类活动已经开始赶上甚至超越了自然力；人类活动已经成为地球系统的一种显著强迫（二）地球是一个由生命自身进行控制的系统。（三）全球的变化不仅是气候变化，这是真实的，并且正在发生和被加速。（四）人类的活动驱动多重和相互作用的影响，这些影响以复杂的连串方式作用于地球系统。（五）地球的动态可以通过临界极限变化和突变来表征，人类活动能够不经意地引发地球系统发生灾难性后果的变化。（六）地球系统目前正以没有相类似的状态在运行。6、国际地圈-生物圈计划正在开展的研究项目有哪些？（第2章）地球系统的分析、综合与模拟；全球土地计划；国际全球大气化学；陆地生态系统与大气化学综合研究；综合的海洋生物地球化学与生态系统研究；海岸区域内陆地海洋相互作用；过去的全球变化；海洋表面与低层大气研究7、试述国际地圈-生物圈计划(IGBP)中的核心项目“国际全球大气化学项目”(IGAC)的主要研究主题是什么？（第2章）主要研究大气化学过程是如何调控的，生物过程在产生和消耗微量气体中的作用，预报自然和人类活动对大气化学成分变化的影响。 Theme 1: What is the role of atmospheric chemistry in amplifying or damping climate change? 主题1：在增强或减弱气候变化中，大气化学的作用是什么？Theme 2: Within the Earth System, what effects do changing regional emissions and depositions, long-range transport, and chemical transformations have on air quality and the chemical composition of the planetary boundary layer? 主题2：在地球系统：改变区域的排放和沉积，远距离运输，和化学变化对空气质量以及行星边界层的化学成分产生了什么影响？8、什么叫持久性有机污染物（POPs）？国际上自签署了关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约以来，已确定禁止使用的POPs共有21种，它们分别是什么？（第3章）持久性有机污染物(POPs)是指具有毒性、生物蓄积性和半挥发性,在环境中持久存在的,且能在大气环境中长距离迁移并沉积回地球的偏远极地地区,对人类健康和环境造成严重危害的有机化学污染物质。 艾氏剂；DDT；狄氏剂；异狄氏剂；呋喃；HCB； 灭蚁灵；毒杀芬；氯丹； 二噁英；七氯；PCBs；-六氯环己烷； -六氯环己烷； 六溴联苯醚和七溴联苯醚； 四溴联苯醚和五溴联苯醚； 十氯酮； 六溴联苯； 林丹；五氯苯；全氟辛烷磺酸、全氟辛烷磺酸盐和全氟辛基磺酰氟。 9、判断一种物质是否是POPs应当建立科学的判断基准，ICCA（化学品协会国际理事会）推荐的判断基准是什么？（第3章）持久性基准：用半衰期（t1/2）来判断，在水体中为180d，在底泥和土壤中为360d； 生物蓄积性基准：用生物富集系数来判断，BCF5000; 关于远距离迁移并返回到地球上的基准：半衰期2d（空气中）以及蒸汽压在0.011kPa； 判断在偏远的极低地区一种物质是否存在的基准：该物质在水体中质量浓度大于10ng/L。 10、当前持久性有机污染物研究领域关注的热点有哪些？（第3章）（1）采样方法 （2）源问题（3）多溴代二恶英问题（4）介质间的迁移（5）气候变化与POPs（6）规范分析方法（7）发展中国家POPs分析能力及能力构建的评估11、环境化学的研究方法包括哪几类？（第1章）（1）现场研究；(2)实验室研究；(3)实验模拟系统研究“烟雾箱”；(4)计算机模拟研究12、什么叫做环境内分泌干扰物？ 试举3例具有内分泌干扰作用的化合物。（第4章）环境内分泌干扰物质是可通过干扰生物或人体内保持自身平衡和调节发育过程天然激素的合成、分泌、运输、结合、反应和代谢等,从而对生物或人体的生殖、神经和免疫系统等的功能产生影响的外源性化学物质 。双酚A、雌二醇、辛基酚、多溴二苯醚13、气溶胶的概念。什么是一次气溶胶和二次气溶胶？气溶胶对环境的影响主要有哪些方面？目前气溶胶的研究热点主要有哪些？（第5章）气溶胶：通常是指固态或液态微粒均匀分散在气体中而形成的稳定体系。一次气溶胶 由天然和人类活动直接排放的物质所形成的气溶胶称为一次气溶胶。二次气溶胶 排入大气的物质(包括气体物质、一次气溶胶和大气气体组分)经过化学转化而形成的气溶胶称为二次气溶胶。气溶胶的影响：（一）对气候的影响：直接影响：气溶胶散射及吸收可见和红外辐射、光散射取决于颗粒的尺寸分布和折射率、整体影响: 变冷。间接影响：作为云的凝聚核(CCN) ，CCN 越多覆盖的云越多可能的影响：地球的反照率改变、水文循环改变（二）对大气能见度的影响；（三）对大气中化学过程的影响；（四）对人体健康的影响。研究热点：1. 源解析；2PM的化学组成及其特征；3. 危害研究；4. 次级气溶胶的生成14、来自火山爆发的硫酸盐气溶胶的形成途径有哪些？（第5章）15、天然排放的有机化合物，能够与大气气相中的许多重要的活性物质有OH自由基、臭氧、H2O2和NO3自由基等发生反应，从而形成二次气溶胶。试述-pinene（-蒎烯）在大气气相中与OH自由基反应生成次级有机气溶胶的机制。（用反应式表示）（第5章）16、试述醛的酸催化的有机气溶胶生长反应机制。（用反应式表示）（第5章） 17、什么叫做生物气溶胶（bioaerosol）？（第5章）Bioaerosols, a group of organic aerosols ranging from 10 nm to 10 m, are airborne particles or large molecules that are either alive, carry living organisms or are released from living organisms (e.g., bacteria, fungi, virus, pollen, cell debris, and biofilms; )生物气溶胶是一群粒径在10nm10m之间粒子组成的气溶胶，空气粒子或大分子，它们是活的生物体或者是生物体内释放出来的粒子。（如细菌、真菌、病毒、花粉、细胞碎片和生物膜）18、什么叫做光化学反应？与热化学反应相比，其有何特征？（第6章1）This term is generally used to describe a chemical reaction caused by absorption of ultraviolet, visible, or infrared radiation. There are many types photochemical counterparts. Among these are, namely, Photoadditions （光加成）photoeliminations （光消除）,photoisomerizations （光异构化）,photooxidations （光氧化）,photoreductions （光还原）,Photosubstitutions（光取代）, etc.这个术语通常被用来描述由紫外线吸收、可见、或红外辐射造成的一个化学反应。有许多光化学反应类型。其中包括,即光加成、光消除、光异构化、光氧化、光还原、光取代等。 能量源：光化学反应：依赖于光，更少的依赖于温度；热反应：依赖于热，更多的依赖于温度。活化分子：光化学反应：激发态，电子异构体；热反应：中介状态，原子和分子异构产物的能量：光化学反应：高，自由基；热反应：低，原子或分子19、试述光化学第一定律及第二定律。量子产率（F）的概念是什么？F可以大于1吗？举例说明。（第6章1）The first law of photochemistry, known as the Grothus-Draper law, states that light must be absorbed by a chemical substance in order for a photochemical reaction to take place. In other words, molecules that do not absorb light of a particular frequency will not undergo a photochemical reaction when irradiated at that frequency.光化学第一定律，亦称作光化活性原理（principle of photochemical activation）或格络塞斯、德雷珀定律（Grothuss Drapers law，1818）。首先，只有当激发态分子的能量足够使分子内的化学键断裂时，亦即光子的能量大于化学键能时，才能引起光解反应。其次，为使分子产生有效的光化学反应，光还必须被所作用的分子吸收，即分子对某特定波长的光要有特征吸收光谱，才能产生光化学反应。The second law of photochemistry, the Stark-Einstein law, states that for each photon of light absorbed by a chemical system, only one molecule is activated for photochemical reaction. This latter law is also known as the photoequivalence law and was derived by Albert Einstein. 爱因斯坦在1905年提出，在初级光化学反应过程中，被活化的分子数（或原子数）等于吸收光的量子数，或者说分子对光的吸收是单光子过程（电子激发态分子寿命很短，吸收第二个光子的几率很小），即光化学反应的初级过程是由分子吸收光子开始的，此定律又称为Einstein光化当量定律。分子的光吸收是单量子（光子）过程，在初始光化学过程中活化一个分子，所以初始过程的量子产额之和应为 1。量子产率（F）的概念：The quantum yield () of a process in which molecules give up their excitation energy (or decay) is the fraction of excited molecules that decay via that pathway. Mathematically, the quantum yield of a process, such as photochemistry, is defined as follows: 光化学反应中光量子的利用率。定义为进行光化学反应的光子与吸收总光子数之比可以大于1，例如：Thulium-doped 1.9-m fiber lasers, where ions are pumped into the level 3F24, and a cross-relaxation process populates the upper laser level 3H4.This could in principle lead to a quantum efficiency of up to 200%.Values well above 100% can be reached in practice20、什么叫做分子的单线态（singlet states）和三线态（triplet states）？举例说明。请写出氧分子的基态和激发态的电子组态并注明单线态和三线态及对应光谱项。（第6章1）A molecule in which two unpaired electrons have the same spin is called a triplet（T） While one in which all spins are paired is a singlet（S）两个未配对电子组成的的分子有着相同的自旋被称为三线态当自旋都成对时则称为单线态。21、试写出有机分子的四种激发类型。（第6章1）：烷烃有n或电子，只能以这种方式激发。：醇类，胺，醚类等也能以这种形式激发：这种路径面向烯烃、醛，羧酸酯类：醛、酮、羧酸酯类经历这种激发和其他三种类型22、试述荧光和磷光的产生机制。（第6章1）A molecule in the S1 state drops to some low vibrational level of the S0 state all at once by giving off the energy in the form of light. This process, which generally happens within 10-9 sec, is called fluorescence (荧光) and is common for small molecules and rigid molecules (e.g., aromatic). 在S1态的分子迁移到S0的较低振动能级，此时以光的形式发出能量。这个过程被称为荧光，一般在10-9秒内发生，常见的有小分子和刚性分子（如芳香族）A molecule in the T1 state may return to the S0 state by giving up heat (intersystem crossing) or light (phosphorescence 磷光). T1态的分子迁移到S0态的同时放热（系统间跨越）或发光（磷光）23、试述光化学过程有哪些？（第6章1）-D+/P+A (Electron Transfer电子转移)P(Photoionization光致电离)P+M*24、环境光化学的研究领域有哪些？（第6章1）大气中化学物质的光化学转化；表水中化学物质的光化学转化；土壤表面化学物质的光化学转化；植物表面化学物质的光化学转化25、环境光化学过程的作用有哪些？ （第6章1）使化合物发生转化；改变化合物的环境行为；影响生物地球化学循环；26、洁净对流层空气光化学过程中吸收太阳光的重要物质有哪些？其中臭氧（O3）的基本光化学反应有哪些（需写出反应方程式）？（第6章1）答：洁净对流层空气光化学过程中吸收太阳光的重要物质有：O2、O3、NOx、HCHO、其他自然的有机化合物。O3 + hn(320nm) O2(1) + O(1D) (10%)O3 + hn(320nm) O2(1D or 1 S) + O(3 P)O3 +hn(440850nm) O2(3 S) + O(3 P)27、对流层大气中O3的10%来自于平流层，90%源于本大气层的光化学反应，试写出其形成过程（用反应式表示）。O(1 D) + H2O 2OH (95%) O(3P) + H2O (5%)O(3P) + O2 + M O328、洁净对流层空气光化学过程中重要的自由基有哪些？其重要的源有哪些（需写出反应方程式）？（第6章1）羟基自由基 OH Major sources: Photolysis of ozone(臭氧的光分解): O3 + hn(320nm) O2(1) + O(1 D) O(1 D) + H2O 2OHPhotolysis of HONO, HONO2 and H2O2: HONO + hn (l 400 nm) OH + NO HONO2 + hn (200 l 400 nm) OH + NO2 H2O2 + hn (l 360 nm) 2OH氢过氧自由基, HO2 Major sources:HCHO + hn (l 370 nm) H + HCO H + O2 + M HO2 + M HCO + O2 HO2 + CO RO react with O2: RCH2ONO2 + hn RCH2O + NO2 RCH2O + O2 RCHO + HO229、试述对流层污染的空气中烯烃的主要光化学过程有哪些？（需写出反应方程式）（第6章1）（1）与OH反应：a.Addition（加成反应）：对称烯烃：不对称烯烃:b. a-H abstraction（脱a-H）：+H2O（2）与臭氧反应：30、试述在光化学烟雾形成过程中为什么大多数的NO转化成NO2后空气中的O3的浓度才增加？（需写出反应方程式）（第6章1）2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g) 31、试述在光化学烟雾形成过程中OH自由基的来源。（需写出反应方程式）（第6章1）原子氧与水蒸气反应生成羟基自由基：O (g) + H2O (g) 2 OH (g)32、下图是碳氢化合物（非甲烷）、NO、空气(O2、N2)混合物经紫外线照射后的时间成分关系图。从图中可知，NO和碳氢化合物（非甲烷）随时间按先增加后减少变化。同时随着NO和碳氢化合物（非甲烷）等初始反应物的氧化消耗，NO2和醛量（Aldehydes）增加；当NO耗尽时，NO2出现最大值。此后，随着NO2的消耗(浓度下降)，氧化剂（oxidant）如O3和过氧乙酰硝酸酯(PAN)的量逐渐达到最大。试利用环境化学原理分析其过程及可能发生的环境现象，并阐述其机制。（第6章1）环境现象是：光化学烟雾O3 production and lossPrimary O3 formation Primary photochemical reaction producing oxygen atomsO3 also reacts with NOFree radical induced reactionProduction of organic free radicals from hydrocarbons, RH:The peroxy radicals (RO2) then result in the conversion without consuming O3.Free radical reaction stop33、臭氧层破坏的催化机制。为什么臭氧层空洞仅在极地地区上空发现？（第6章1）臭氧层破坏的催化机制：机理：（X代表催化剂，可以是Cl, NO, OH, H or Br ( free radicals) ）总反应：机理 II：总反应：机理I的限制性：XO必须与原子氧反应，在较低的平流层中原子氧的浓度非常低（紫外C已被滤过）在极地冬季和春季大气，极地平流层云已经作为捕获自由表面大气中的氮氧化物,导致从储存库中释放氯。游离氯是主要臭氧催化损耗。Reactions for the production of molecular chlorine during the polar Winter:Overall:Reactions for the production of atomic chlorine during the polar Spring：34、（1）试述天然水中光化学过程的主要研究领域有哪些？（2）天然水中光作用下产生的活性物种有哪些？（第6章2）(1)研究主要围绕以下几个方面进行：天然水光化学过程发生的机制;天然水光化学过程对化合物迁移、转化、归宿的影响;天然水光化学过程对水生生物和水生生态系统的影响;天然水光化学过程对生物地球化学循环的影响。(2)天然水中的活性物种自由基：HO、eaq、O2-、HO2、R、ROO、NO等自由基。氧化剂：1O2、O3、H2O2、ROOH等 35、天然水中，化合物发生过化学过程可以分为哪两大类？试各举一实例说明。在天然水中，化合物发生的光化学过程可以分为两大类：直接光解(Direct Photolysis): 例1 CH3I + hn CH3 + I 例2 C6Cl5OH + hn C6Cl4OH + Cl 例3 N