绿色化学的兴起.ppt

第二章人类十大环境危机中的化学困惑绿色化学的兴起,人类面临的十大环境问题:全球变暖（温室效应）、臭氧层破坏、大气污染、生物多样性减少（物种濒危）、森林锐减、土地荒漠化、水体污染（水资源不足）海洋污染（海洋生态危机）、固体废物、人口猛增。,温室效应由于人们焚化石矿物以生成能量或砍伐森林并将其焚烧时产生的二氧化碳等多种温室气体，由于这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，也就是常说的“温室效应”，,近100多年来，全球平均气温经历了冷暖冷暖两波动，总的看为上升趋势。进入八十年代后，全球气明显上升。全球变暖的后果，会使全球降水量重新分，冰川和冻土消融，海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。,后果：1.更多森林大火全球变暖除了让冰川融化，飓风肆虐外，还加剧了森林大火。过去几十年中，在美国的西部各州，有更多森林大火发生，影响的区域更广。科学家发现，气温升高、冰雪提早融化都跟野火肆虐有关系。由于冰雪提早融化，森林地带变得更乾燥，而且乾燥时间变长，增加了起火的可能性。,2.古迹彻底毁掉全球变暖很可能会令文明古迹彻底毁掉。海平面上升以及更恶劣的天气都有可能破坏这些无可替代的历史古迹。目前，全球变暖导致的洪涝灾害已经破坏了有600年历史的素可泰古城，这里曾经是泰国古代王朝的首都。,3.回弹的群山普通登山者可能留意不到，由于山顶的冰雪融化，阿尔卑斯山和其他山脉的高度在过去一个世纪中都经历了缓慢的回弹过程。几千年来，这些冰山长期压著地表，导致地表受到压制。随著冰川融化，压在地面上的重量得以减轻，地表慢慢回弹。由于近年来全球变暖加速了冰川的融化，这些山脉回弹的速度加快。,4.运行更快的卫星二氧化碳的增加改变著大气电离层的密度，这对在该层运行的卫星会产生一定的影响。由于大气中的二氧化碳量不断上升，低空的二氧化碳分子相撞时释放热量，导致空气变暖，而在高空二氧化碳分子稀薄，相互撞击的机会不够频繁，所以热量就向四周辐射，让周围的空气变得凉爽（电离层气体的温度比低空要高）。随著更多二氧化碳到达高空，更多冷却过程发生，空气流动性变差，所以大气变得更加稀薄，对卫星的拉力更小，导致卫星运行速度加快。,5.改变动物基因图谱由于植物今年提早开花，那些按照以前的时间迁徙的动物或许会错过所有的食物。而那些能够调整自己的内部生物钟早早适应变化的动物更有机会生育有更强生存能力的子女，从而传递它们的基因信息，因此最终改变整个种类的基因图,6.冻土解冻令地表不平全球变暖使得永久冻土层解冻，导致地表收缩，变得凹凸不平，从而产生一些地坑，对铁路、高速公路和房屋等建筑造成损害。而对于高山来说，冻土层的融化甚至可能导致泥石流。,7.湖泊消失过去几十年中，北极周边地区有125个湖泊消失。科学家经过研究发现，这些湖泊之所以消失可能是由于湖底永久冻结带解冻。由于这些永久冻结带解冻，湖水已经渗透到了土壤里。,8.极地植物现生机北极冰层的融化为北极的生物带来了光明前景。研究发现，现在的北极土壤中叶绿素的浓度比古代土壤要高，显示了近几十年来北极地区的生物繁荣。,9.动物向更高地势迁徙从19世纪初开始，花栗鼠、老鼠等动物就开始向高处迁徙。研究发现，这些动物之所以向更高的地方迁徙，可能是因为全球变暖导致它们的栖息地环境发生变化。栖息地环境的改变还威胁著北极熊等极地动物，因为它们栖息的冰层在慢慢融化。,10.过敏症加剧研究显示，空气中更高浓度的二氧化碳量以及更高的气温也是导致过敏的因素之一。全球变暖令植物比以前早开花，而二氧化碳浓度增加，会让植物制造出更多的花粉，令空气中的花粉浓度增加。过敏源早来，过敏季节又迟迟不走。过敏症就只能越来越严重了,灾害性天气的出现：厄尔尼诺”（EINino）在气象学中使用起源于秘鲁和厄瓜多尔。在秘鲁和厄瓜多尔海岸，每年从圣诞节起至第二年3月份，都会发生季节性的沿岸海水水温升高的现象，3月份以后，暖流消失，水温逐渐变冷。与“厄尔尼诺现象”相反，海面水温低于往年的现象被称为“拉尼娜（LaNina，西班牙语意为圣女）现象”。由于“拉尼娜现象”正好与“厄尔尼诺现象相反，所以又被称为“反厄尔尼诺现象”。,第一节“可燃冰”未来重要而清洁的潜在能源,上面提到的十大环境问题大都涉及化学变化，但其中涉及的物质真的都十完全有害的吗？,一、温室气体,H2O(水蒸气)、CO2(二氧化碳)、NOX(氮氧化物)、CH4(甲烷)等都是温室气体，其中最重要的是CO2、CH4。,二、甲烷及其水合物,水分子与甲烷和低分子量的烷烃，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天然气水合物，其大量存在于海底和北极永久冻土层内。常温常压下，天然气水合物分解为水和甲烷等烷烃，1cm3的水合物可释放出164cm3的天然气，极易燃烧，俗称“可燃冰”。可燃冰在自然界分布非常广泛，海底以下0到1500米深的大陆架或北极等地的永久冻土带，都有可能存在。自20世纪60年代以来，世界上有79个国家和地区都发现了可燃冰。2002年，日本、加拿大、美国、德国、印度展开共同研究活动，在加拿大首先实现了从地下的可燃冰层里向地表输送甲烷气体。2006年，日本东京大学和海洋研究开发机构的研究小组，在日本新潟县附近海域发现东亚第一个露出海底可燃冰区。,第二节NO昔日“罪魁祸首”，今朝“明星分子”,一、NO的生理功能NOx(和SO2)是形成酸雨的重要污染源，直接后果是造成大气污染，损害人体的呼吸系统。,近年来消除NO并生成苯酚的新方法，反应如下：,20世纪80年代，科学家发现，NO可激发人体产生许多生物响应，在各种生化过程中起着关键作用，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。因此，一氧化氮迅速发展成为生命科学前沿领域中最活跃的研究对象。1998年，NO被美国著名的时代杂志评为“明星分子”。,二、NO的自然辩证法,NO之所以成为一把“双刃剑”，关键取决于一氧化氮的量，高浓度NO(包括直接存在的NO气体)是一种污染气体，低浓度NO却具有生理功能。但是，在许多组织中，NO真正的释放量目前尚难于检测，只是确知其会释放出不同浓度的一氧化氮，且浓度的变化与集体的生理机能密切相关。这就是自然界的辩证法！硝化甘油与诺贝尔,第三节氟利昂从“制冷明星”到臭氧杀手,一、臭氧层破坏的后果在我们身边，在头顶上，空气中有一种叫“臭氧”的气体。臭氧分子包括3个氧原子。这种有毒的气体在大气中非常稀薄。90以上的臭氧存在于大气层的上部，或平流层，离地面有10到50公里。电视台每日公布的空气质量中，有一项就是臭氧。地面上的臭氧来源于汽车尾气和其他污染源。臭氧层破坏是紫外线等短波辐射增强，导致皮肤癌患者增加，给自然生态系统带来严重影响。维护臭氧层的平衡，已成为一个全球性的环境问题。在智利南部，过去喜欢又蹦又跳的兔子，现在成天闷闷不乐，哼哼着不爱动弹了。这些可怜的兔子患了白内障。那是因为它们生活在南极的臭氧空洞下。,二、氟利昂制冷界的“昔日明星”氟利昂是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),共有数十种。其中，F12和F22为中压中温制冷剂，具有无色、无味、基本无毒、不燃烧、不爆炸、不腐蚀金属等特点，是极其安全的制冷剂,1997年，各国政府批准了破坏臭氧层物质的蒙特利尔议定书和它的修正案对每一个“地球村民”（各个国家）的破坏臭氧层行为有了法律约束。,三、氟利昂成为“臭氧杀手”的秘密氟利昂到达大气上层后，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F11-三氯氟甲烷(CFCl3)为例，其作用机理用化学方程式可表示为：,只有第三个反应是光照下的可逆反应。因此，净反应为：,在化学上，上述类型的反应称自由基历程反应，是一个连锁反应。,第四节化肥、农药、医药人口猛增的“功臣”,一、化肥(一)固氮的意义植物的生长需要氮(N)、磷(P)、钾(K)等元素。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，称为“固氮”。(二)哈伯贡献与遗憾德国化学家哈伯一生致力于化学平衡及气体反应等方面的研究。1918年提出借热化学循环来求出晶体点阵能的方法，称为哈勃循环。氨合成和最早的化学武器氯气,(三)化肥农业与环境肥料有助于改善土壤，有助于产生营养物(如氮等)，是农作物生长必不可少的。花费在为人类提供食物方面发挥了很大作用。但是，环境专家认为使用化肥，可能使供水受到污染；也使大量的能源耗于氨的生产。因此，农业，经济，人口与环境之间的矛盾，使化学孤单的过去与未来都充满困惑。,二、农药农药是最重要的对付饥饿和保护人类生命的武器之一，然而，由于农药的毒性，其引起的负面影响也非常严重。,三、医药(一)磺胺药物的偶然发现19世纪20年代，细菌感染常导致病人死亡，德国科学家GerhardDomagk发现一家染料厂的工人较少因细菌感染患病，因此决定对多种人工合成的染料化合物进行试验，观察其中是否有可以杀死细菌的化合物。1932年，他发现一种叫做Prontosil(百浪多息)的带有氨磺酰基官能团的红棕色染料，能有效治愈手细菌感染的老鼠。于是，他将此药剂用于一位因患细菌性血中毒已处于无望状态的孩子，使孩子得以康复。,(二)磺胺药物的神奇机理通过生物化学方面的研究，科学家已经弄清楚了磺胺能够杀菌并对人体无毒害的原因：人和细菌的新陈代谢是不同的。细菌要制造叶酸这种基础维生素，没有叶酸细菌不能存活，而磺胺则能够阻碍细菌制造叶酸，其机理如下：,(三)更多的药物离不开化学磺胺药物的发现，开创了今天的抗生素领域，但这并不是化学对人类健康的第一个贡献。用于表皮创伤的消毒剂，如碘(I2)或苯酚(C6H5OH)比磺胺药物还要早些用于人类。此外，还有麻醉剂