绿色化学第1-3章.ppt

绿色化学通用教程 欢迎你 化工学院 黄明泉 1 绿色化学 GreenChemistry 课件邮箱 hmq lvsehuaxue 密码 123456789 20世纪化学工业为衣 食 住 行 保健和娱乐以及国防安全提供了丰富的化学物质 也带来了不同程度的环境污染21世纪绿色化学的进展将证明化学有能力推动经济和社会的可持续发展 保障子孙后代的美满幸福生活 2 可持续发展面临的问题 人居环境受到严重威胁 全国主要城市空气污染综合指数 电厂对大气污染 北京遭遇的沙尘暴 太湖污染 开设本课程的目的 环境污染 能源枯竭等问题是当前人们最为关心的热门话题之一 传统化学 化工面临着人类可持续发展要求的严重体挑战 而绿色化学化工的兴起和发展 既可以从根本上保护环境 又可以进一步促进化学工业生产发展 因此化学工业的出路在于大力开发和应用基于绿色化学原理产生和发展起来的绿色化学化工技术 4 通过本课程的学习 掌握绿色化学与化工的基本概念 基本原理 了解化学 化工生产中的资源与能源合理利用及生态环境可持续性发展间的关系 达到开阔视野 拓宽知识面 便于从整体上认识化学学科 树立既保护环境又推动工业生产发展的新观念 同时及时了解最新最热门的科学技术成果的研究进展以及国内外发展状况 为成为知识渊博 研究方向明确的高素质人才打下基础 开设本课程的目的 5 本课程为考查课 总学时数为34学时 考核形式 平时成绩30 40 期终考查60 70 平时成绩 迟到 早退 事假 病假 旷课 作业 课程性质及要求 6 教材及参考书 1 汪朝阳 绿色化学通用教程 北京 中国纺织出版社 20072 仲崇立 绿色化学导论 北京 化学工业出版社 20003 贡长生 张克立 绿色化学化工实用技术 北京 化学工业出版社 20024 沈玉龙 魏利滨 曹文华 绿色化学 北京 中国环境科学出版社 20045 顾国维 何澄 绿色技术及其应用 上海 同济大学出版社 19996 P T 阿纳斯塔斯 J C 沃纳 李朝军 王东 绿色化学理论与应用 北京 科学出版社 2002 7 教学内容 第一部分化学第二部分方兴未艾的绿色化学第三部分绿色浪潮中的绿色化学第四部分绿色工作与绿色经济第五部分绿色伦理与绿色科技观第六部分绿色社会需要人人参与 8 第一部分化学 受到挑战的中心科学 第一章一门中心的 实用的和创造性的科学 化学第二章人类十大环境危机中的化学困惑 绿色化学的兴起 9 第一章化学 一 化学是一门中心科学1 化学与天然存在化学定义 化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学 化学涉及存在于自然界的一切物质以及人类创造的新物质 世界上的万物都是由化学物质构成的 多数以化合物的形式存在 10 第一章化学 一 化学是一门中心科学2 化学与其它学科的关系化学是很多学科的基础 化学是一门实用科学 其直接对应的工业为化学工业 化学是一门创造性科学 其相应的化学研究组织很庞大 如美国的化学会 11 第一章化学 一 化学是一门中心科学2 化学与其它学科的关系 表1 1化学家的工作领域 12 第一章化学 一 化学是一门中心科学2 化学与其它学科的关系 表1 2美国化学会的分会 13 第一章化学 二 化学基础知识1 化学式化学物质由分子 原子 离子等组成 它们通常都可以用相应的化学式表示 如氦气 He H2O 分子组成的化学物质的化学式如水 H2O 二氧化碳 CO2 甲烷 CH4 2 原子组成的化学物质的化学式金刚石 C 氦气 He 3 离子组成的化学物质的化学式如氯化钠 NaCl 14 第一章化学 二 化学基础知识2 共价键与离子键离子组成的化学物质中存在离子键 如氯化钠晶体中钠离子 Na 与氯离子 Cl 间的静电引力 与离子键相对应的是共价键 如苯 C6H6 15 第一章化学 二 化学基础知识3 同分异构 手性与药物手性异构在化学中 对具有相同分子式而结构不同的现象 称为同分异构 如乙醇和二甲醚 其结构式如下 16 第一章化学 二 化学基础知识3 同分异构 手性与药物手性异构由一个碳原子连接四个不同基团而引起的异构现象 可称为手性异构 该碳原子称为手性碳原子 一般用 标记 如丙氨酸存在L 丙氨酸和D 丙氨酸 其结构式如下 L 丙氨酸 D 丙氨酸 17 第一章化学 二 化学基础知识3 同分异构 手性与药物 2 手性与药物手性异构的存在与认识 对于药物开发具有重要意义 如药物 反应停 Thalidomide 其结构式如下 18 第一章化学 二 化学基础知识4 化学反应式与反应方向 1 反应物 试剂 产物与条件对一个化学反应式的理解 需要注意区分反应物 试剂 产物 条件等 尤其是有机化学的反应 举例如下 19 第一章化学 二 化学基础知识4 化学反应式与反应方向 2 化学反应的方向决定分子转变为其它分子的化学反应的原理 1 如果反应的产物比起始物质更不稳定 具有更高的能量 时 这样的反应不会发生 2 即使反应是有利的 产物的能量比起始物质低 混乱度比起始物质大 反应也不一定进行得很快 利用催化剂通常可以加快反应 20 思考题 一 判断题1 化学是一门试图了解物质性质和物质发生反应的科学 2 化学的历史可追溯到有历史记载以前的时期 3 世界上的万物都是由化学物质构成的 4 氦 He 是单原子分子 5 地球上没有 与化学物质无关 的物质 6 天然物质对人类总是有益的 7 天然物中没有任何化学物质 8 化学家也在为化学工业之外的许多领域进行工作 9 相同分子式的化合物具有相同的结构 10 反应停 的教训告诉公众 缺乏对化学的深入了解 可能会导致严重灾难 21 思考题 一 判断题11 利用催化剂可以加快反应 12 用箭头表示的化学方程式一定不可以用于计算 二 选择题1 化学物质由 等组成 A 分子B 原子C 离子D 光子2 化学与 等很多的其他科学领域有关 对它们都有重大的贡献 A 农业科学B 生物学C 药学D 环境科学E 计算机科学F 地质学G 冶金学H 物理学3 化学反应可能向 的方向进行 A 能量降低B 熵增大C 能量增大D 混乱度减小 22 思考题 三 写出下列化学物质的名字 并写出与其性质 用途等相关的一句话1 O22 CO23 He4 CH45 H2O6 NaCl7 C6H68 C2H5OH9 C2H5ONa10 CH3OCH3 23 第二章绿色化学的兴起 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 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 人类深陷十大环境危机 24 第二章绿色化学的兴起 一 可燃冰1 温室气体温室气体种类 H2O CO2 NOx CH4等 其中最重要的是CO2和CH4 有学者推测 若大气中CO2浓度翻一番 全球将变暖5 甲烷CH4在大气中的聚热效果是CO2的25倍 全球变暖的作用中 CH4占5 以上 25 第二章绿色化学的兴起 一 可燃冰2 甲烷及其水合物天然气水合物 水分子与甲烷 以及低分子量的烷烃如乙烷 丙烷 丁烷 在低温高压环境下形成的类似冰状的固态结晶物质 可燃冰 常温常压下 天然气水合物分解为水和甲烷等烷烃 极易燃烧 俗称 可燃冰 存在 海底和北极永久冻土层内 中国南海 东海也有发现 26 第二章绿色化学的兴起 二 一氧化氮NO危害 大气污染物之一 是形成酸雨的重要污染源之一 能损害人体的呼吸系统 消除NO的方法 新发现 NO是一种重要的信使分子 具有神奇的生理调节功能 如有助于控制血压 可进行免疫调节和神经传递 抑制血小板凝聚等生理功能 NO昔日的 罪魁祸首 今朝的 明星分子 27 第二章绿色化学的兴起 三 氟利昂 从 制冷明星 到 臭氧杀手 1 臭氧层破坏的后果危害 臭氧层被称为地球的保护伞 臭氧层的破坏使短波紫外线 波长240 329nm 的辐射增强 导致皮肤癌症者增加 给自然生态系统带来严重影响 2 氟利昂 制冷届的 昔日明星 氟利昂 指用于制冷的饱和碳氢化合物的卤 氟 氯 溴 代物的总称 商品名 尤其是氯氟烃类 Chloro fluoron carbon 缩写CFC 共数十种 替代品 二甲醚 氟代烷烃等 28 第二章绿色化学的兴起 三 氟利昂 从 制冷明星 到 臭氧杀手 1 氟利昂称为 臭氧杀手 的秘密机理 氟利昂达到大气上层 在紫外线照射下分解出自由氯原子 氯原子与臭氧发生反应 使臭氧分解 以F11 CFCl3 为例 其作用机理如下 总反应 29 第二章绿色化学的兴起 四 化肥 农药 医药 人口猛增的 功臣 1 化肥固氮 将空气中的氮气 N2 高效地转化为植物生长所需的氮元素的过程 化学固氮 哈伯固氮法 30 第二章绿色化学的兴起 四 化肥 农药 医药 人口猛增的 功臣 2 农药优点 使用农药是农业增产的重要因素 是解决世界60多亿人口温饱问题的有力措施 缺点 由于农药的毒性及残留等因素的影响 其引起的负面影响也非常严重 3 医药人类寿命的延长很大程度上要归功于药物的作用 很多疾病的治疗都依赖与各种化学药物 但这些化学药物在生产过程中也会带来环境污染 31 思考题 一 判断题1 CH4是比CO2更危险的温室气体 2 天然气水合物即 可燃冰 其可能是未来的清洁能源 3 NO是有害的 二 选择题1 等都是温室气体 A H2OB CO2C NOxD CH42 全球变暖的结果是 导致 等现象的产生 A 海平面上升B 高山雪线上移C 厄尔尼诺现象D 非典型肺炎 SARS 3 是形成酸雨的重要污染源 A SO2B CO2C NOxD CH4 32 思考题 二 选择题4 在臭氧变成氧气的反应过程中 氟利昂中氯原子是 A 反应物B 生成物C 中间产物D 催化剂三 写出下列化学物质的名字并写出与其性质 用途等相关的一句话 1 O32 N23 NO4 CH45 CO26 SO27 NOx8 C6H5OH9 I210 NH311 C2H5OH12 C2H5OC2H5四 问答题1 请收集酸雨与二氧化硫的资料 判断二氧化硫这种化学物质的好坏 并说明理由 2 NO的 遭遇 说明了什么问题 3 请收集甲烷的资料 你认为开采 可燃冰 有必要吗 为什么 33 思考题 四 问答题4 如何看待氟利昂的功过 氟利昂冤枉吗 5 人类真的离不开药物吗 如果没有了农药和医药 可能只是地球上的人少点 更新 快点 可见 我们是可以离开化学 离开化学物质的 这种观点对吗 为什么 34 第二部分方兴未艾的绿色化学 绿色化学的基本内容与实例 第三章绿色化学的基本概念第四章绿色化学的主要内容第五章绿色化学的应用实例 35 20世纪化学工业的贡献及带来的问题 贡献 1928年 青霉素 抗生素类药物 制药业蓬勃发展 使人类的抗疾病能力增强 寿命延长1913年 合成氨化肥 农药业迅猛发展 农业生产 1941年 DDT减轻了人口的增长对粮食到处需求的压力1921年天然气1930年聚乙烯石油化学工业 改变了人类的生活方式1939年的顺丁橡胶为材料 计算机等提供了物质保障问题 化学工业带来严重的环境污染 第三章绿色化学的基本概念 近年来 由于化学工业向大气 水和土壤等排放了大量有毒 有害的物质 1992年 美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元 清理已污染地区花去7000亿美元 1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元 环保费用为10亿美元 所以从环保 经济和社会的要求看化学工业不能再承担使用和产生有毒 有害物质的费用 需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学 绿色化学的重要性 从科学观点看 化学科学基础的创新从环境观点看 从源头上消除污染从经济观点看 合理利用资源和能源 降低生产成本 符合经济和社会可持续发展的要求 37 第三章绿色化学的基本概念 一 绿色化学的诞生美国1990年通过了污染预防法 PollutionPreventionActof1990 它促进美国环保局于1991年建立了绿色化学规划 1991年 美国著名有机化学家Trost在Science上提出了 原子经济性 原子利用率 的概念 1992年 荷兰有机化学家Sheldon提出了 E因子 的概念 这两个重要的绿色化学的基本概念的提出 引起了化学界的极大关注 也标志着绿色化学开始萌芽 38 一 绿色化学的诞生1994年8月于美国华盛顿市召开的208届美国化学会全国年会环境化学分会 首次以 绿色化学 为主题 1996年6月 克林顿颁发了美国首届 总统绿色化学挑战奖 1999年初 英国皇家化学会创办了国际性的 GreenChemistry 学术刊物 这两个重大事件 正式宣告了绿色化学的诞生 第三章绿色化学的基本概念 39 各国政府推动绿色化学的措施 美国1990年美国颁布了 污染防治条例 将污染的防治定为国策 1995年4月美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略 其目标为 至2020年地球日时 将废弃物减少40 50 每套装置消耗原材料减少20一251999年 世界上第一本 绿色化学 杂志诞生 2000年 美国化学会出版了第一本绿色化学教科书 日本制订 21世纪重建绿色地球 的新阳光计划 设立 为地球创新技术的研究院 欧盟各国德国1991年制订 为环境而研究的计划 英国2000年设立 JerwoodSalters环境奖 荷兰制订 清洁生产手册 40 中国制订了 科教兴国 和可持续发展策略 并于1993年世界环境和发展大会之后 编制了 中国21世纪议程 郑重声明走可持续发展道路的决心 1995年中国科学院化学部组织了 绿色化学与技术 推进化工生产可持续发展的途径 院士咨询活动 1997年国家自然科学基金委 九五 重大项目 环境友好石油化工催化化学与反应工程 1997年5月 香山科学会议第72次学术研讨会 可持续发展问题对科学的挑战 绿色化学 1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨会 1999年北京第16次九华山科学论坛 绿色化学的基本科学问题 2000年科技部 国家重点基础研究发展规划项目 立项 石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学 41 1 对我国的环境至关更要的一些工业 如煤炭 石油 化工 造纸 制革 酿造和制药中的绿色化学开展基础研究 2 在 原子经济性 和可持续发展的基础上研究合成化学和催化化学的基础问题 即绿色合成和绿色催化等 3 综合利用现代生物技术和化学化工技术的绿色生化工程 如生物煤炭脱硫 微生物造纸 新生物煤炭脱硫和新生物质能源等 4 研究如何用类似于生物分子的自复制和自组装过程生产一般分子 特别是无机小分于 和特殊功能的纳米粒子 我国把绿色化学列入重点支持的更大基础领域 确定如下具体目标 42 二 绿色化学的定义定义1 即利用化学原理在化学品的设计 生产和应用中即消除或减少那些对人类健康 社区安全 生态环境有毒有害物质的使用和产生 又设计研究没有或只有尽可能少的环境负作用 在技术上和经济上可行的产品和化学过程 定义2 采用最少的资源和能源消耗 并产生最小的排放的工艺过程 第三章绿色化学的基本概念 43 二 绿色化学的定义绿色化学是更高层次的化学 又称可持续发展化学 环境无害化学 EnvironmentallyBenignChemistry 或环境友好化学 EnvironmentallyFriendlyChemistry 清洁化学 CleanChemistry 在绿色化学基础上发展的技术称环境友好技术或洁净技术 CleanTechnology 第三章绿色化学的基本概念 44 二 绿色化学的定义1 绿色化学的目的 预防优于治理绿色化学的根本目的是从节约资源和防止污染的观点 重新审视和改革传统化学 使对环境的治理从治标转向治本 一两的预防胜于一斤的治疗 第三章绿色化学的基本概念 45 二 绿色化学的定义2 绿色化学的特点 从注重产率到注重原子经济性传统上 描述某一合成方法的有效性和效率的概念是产率 产率的缺陷是完全忽略了合成反应中生成的任何不希望得到的产物 而这些产物却是合成产物中固有的一部分 第三章绿色化学的基本概念 46 二 绿色化学的定义2 绿色化学的特点 从注重产率到注重原子经济性绿色化学的主要特点就是原子经济性 即在获取新物质的化学过程中充分利用每个原料原子 实现零排放 使化学从粗放型向集约型转变 既充分利用资源 又不产生污染 原子经济性在数值上用E因子 原子利用率来衡量 第三章绿色化学的基本概念 47 BarryTrost 原子经济性 AtomEconomy 概念A BC DA BC 产物 废物或副产物 废物为零 48 第三章绿色化学的基本概念 二 绿色化学的定义2 绿色化学的特点 从注重产率到注重原子经济性 二 绿色化学的定义2 绿色化学的特点 从注重产率到注重原子经济性E因子定义为每生产1kg期望产品与同时产生的废物质量的比值 第三章绿色化学的基本概念 49 E因子越大 其对环境的污染越大 不同化工部门生产中的E因子 制药 精细化工 更需开发原子经济反应 50 二 绿色化学的定义2 绿色化学的特点 从注重产率到注重原子经济性 第三章绿色化学的基本概念 二 绿色化学的定义2 绿色化学的特点 从注重产率到注重原子经济性原子利用率利用原子利用率 可以从理论上初步判断E因子的大小 原子利用率越大 E因子越小 第三章绿色化学的基本概念 51 二 绿色化学的定义3 绿色化学的基础 从化学物质的毒理学性质 化学反应 过程 的安全性思考问题 1 Q值与EQ值化学物质的毒理学性质用Q值衡量 Q值是有机化学衡量环境友好生产过程的重要因素 Q值是根据废物在环境中的行为给出的对环境不友好度 第三章绿色化学的基本概念 52 二 绿色化学的定义3 绿色化学的基础举例 氯化钠NaClQ 1 硫酸铵 NH4 2SO4Q 1则重金属 如铜Cu 汞Hg等 离子的盐类基于毒性大小 Q 100 1000 环境商值 EQ EQ E Q式中E为E因子