高中化学选修《化学与技术》专题六知识清单：从污染防治到绿色化学

高中化学选修《化学与技术》专题六知识清单：从污染防治到绿色化学一、专题导言：环境治理范式的战略性转移——从“末端治理”到“源头预防”【背景导入】本专题是高中化学从“纯粹知识”走向“社会责任”的关键一环，也是高考命题中融合工艺流程图、化学反应原理与环境议题的综合载体。在人类工业化进程中，化学工业在创造巨大物质财富的同时，也带来了环境污染的阵痛。早期应对污染的主要手段是“先污染，后治理”，即通过物理、化学或生物方法对生产末端产生的“三废”（废气、废水、固体废弃物）进行处理，使其达标排放，这种模式被称为“末端治理”。然而，末端治理不仅成本高昂，且往往只是污染物的转移（如从气态转移到固态），无法从根本上解决环境风险。【核心理念】本专题的核心在于阐述一种全新的化学哲学——绿色化学。它主张从源头上杜绝污染，通过设计更安全的化学品、更环保的合成路径和更高效的反应条件，将污染消灭在生产开始之前。这不仅是技术层面的革新，更是思维方式的革命，完美诠释了化学学科在可持续发展战略中的核心地位。二、第一单元：环境污染的化学防治——末端治理的技术与原理（基础与过渡）（一）大气污染的化学治理：【重点】工业废气与机动车尾气大气污染物主要包括颗粒物、硫氧化物（SO₂）、氮氧化物（NOx）、碳氧化物（CO、CO₂）以及碳氢化合物。本单元重点掌握针对固定源（如火力发电厂、钢铁厂）和移动源（汽车）的化学治理方法。1.煤的脱硫处理：【高频考点】煤炭燃烧是SO₂的主要来源。针对煤的脱硫分为燃烧前、燃烧中和燃烧后。（1）燃烧前脱硫（物理/生物法）：利用煤中黄铁矿（FeS₂）与煤基质的密度、磁性或表面性质差异进行洗选，或利用微生物（如氧化亚铁硫杆菌）将硫元素转化为硫酸盐去除。反应可表示为：2FeS₂+7O₂+2H₂O→2FeSO₄+2H₂SO₄（微生物催化）。（2）燃烧中脱硫（流化床燃烧）：在煤粉燃烧过程中，直接向炉内喷入石灰石（CaCO₃）或白云石。在高温下，石灰石分解为CaO和CO₂，CaO与SO₂反应生成亚硫酸钙，并进一步氧化为硫酸钙（石膏），从而将硫固定在炉渣中。【难点】化学反应方程式：CaCO₃→CaO+CO₂↑（高温），CaO+SO₂→CaSO₃，2CaSO₃+O₂→2CaSO₄。（3）燃烧后脱硫（烟气脱硫，FGD）：【重要】这是目前应用最广、效率最高的技术。湿法石灰石石膏法：烟气通入吸收塔，与石灰石浆液逆流接触。总反应：2CaCO₃+2SO₂+O₂+4H₂O→2CaSO₄·2H₂O（石膏）。生成的石膏可作为建筑材料，实现了资源化利用。氨法：利用氨水吸收SO₂，生成亚硫酸铵，再氧化为硫酸铵肥料。反应：SO₂+2NH₃+H₂O→(NH₄)₂SO₃，(NH₄)₂SO₃+SO₂+H₂O→2NH₄HSO₃，氧化后得(NH₄)₂SO₄。2.汽车尾气的催化净化：【高频考点】【热点】汽车尾气中的主要有害成分是CO、NOx和碳氢化合物（HC）。三元催化转化器是目前的标配技术。（1）原理：利用涂覆在蜂窝状陶瓷载体上的贵金属催化剂（铂Pt、铑Rh、钯Pd），将有害气体通过氧化还原反应转化为无害的N₂、CO₂和H₂O。（2）【重要】核心化学反应：氧化反应：2CO+O₂→2CO₂，4HC+5O₂→4CO₂+2H₂O（HC以CH₄为例，实际更复杂）。还原反应：2NOx+2xCO→N₂+2xCO₂（如2NO+2CO→N₂+2CO₂）。（3）【易错点】催化转化器要求发动机在理论空燃比附近工作（混合气浓度适中）。空燃比过小（缺氧），CO和HC氧化不彻底；空燃比过大（富氧），NOx的还原效率下降。（4）前沿拓展：汽油机颗粒捕集器（GPF）用于捕集缸内直喷发动机产生的碳烟颗粒。（二）水污染的化学防治：【难点】废水处理的分级与原理1.处理等级划分：（1）一级处理（物理法）：主要通过格栅、沉砂池、初沉池等，利用过滤、重力沉降等去除悬浮固体（SS）。属于预处理。（2）二级处理（生物化学法）：主要去除水体中的有机物（以生化需氧量BOD衡量）。利用好氧微生物（活性污泥法）或厌氧微生物将有机物分解为CO₂、H₂O、CH₄等。（3）三级处理（深度处理/化学法）：针对氮、磷等营养物质及难降解有机物。常用化学沉淀法（除磷）、吸附法（活性炭）、离子交换、膜分离技术等。2.化学沉淀法除重金属/磷：【重要】通过向废水中投加化学药剂，使溶解态的污染物转化为难溶盐沉淀，然后通过过滤或沉降分离。（1）除磷：投加石灰（CaO）或铝盐/铁盐。如：5Ca²⁺+4OH⁻+3HPO₄²⁻→Ca₅(OH)(PO₄)₃↓（羟基磷灰石）+3H₂O。（2）除重金属离子：如含Cr₂O₇²⁻的废水，先加还原剂（如FeSO₄、NaHSO₃）将剧毒的Cr(Ⅵ)还原为毒性较低的Cr(Ⅲ)，再加碱调pH，使其生成Cr(OH)₃沉淀。3.【拓展】高级氧化技术（AOPs）：针对难以生物降解的有机物（如农药、制药废水），利用光、电、催化剂（如TiO₂）或强氧化剂（O₃、H₂O₂）产生具有极强氧化性的羟基自由基（·OH），无选择性地将有机物彻底矿化为CO₂和H₂O。（三）土壤污染与固体废弃物的化学处理：【基础】1.土壤修复：对于重金属污染的土壤，可采用化学固定/稳定化技术，向土壤中添加石灰、磷酸盐、有机质等改良剂，通过吸附、沉淀、络合等作用，改变重金属在土壤中的存在形态，降低其生物有效性和迁移性。2.“白色污染”与可降解塑料：传统塑料（聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC）化学惰性强，在自然环境中极难降解。治理方向包括：（1）光降解塑料：在高分子链中引入光敏基团。（2）生物降解塑料：如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA），可在微生物作用下降解为CO₂和H₂O。（3）从农业废弃物获得能源——沼气的制取：【重点】将农作物秸秆、禽畜粪便等富含纤维素、半纤维素的生物质，在厌氧条件下经微生物发酵产生以甲烷（CH₄）为主的可燃气体。这是一个将有机废弃物能源化和资源化的典范过程。总反应式（示意）：(C₆H₁₀O₅)n（纤维素）+nH₂O→3nCO₂+3nCH₄。三、第二单元：绿色化学与可持续发展——源头预防的理念与实践（核心与升华）（一）绿色化学的定义与核心原则【绝对重点】【必考】绿色化学，又称环境无害化学、可持续化学，是一门从源头上减少或消除化学产品设计、制造和应用过程中有害物质的使用与产生的学科。它不同于传统的“末端治理”，而是通过重新设计化学工艺和产品来实现“预防污染”。【热点】绿色化学的十二条原则是全球公认的纲领，本阶段需重点掌握以下几条及其内涵：1.【基础】预防优于治理（PollutionPrevention）：与其产生废物后再处理，不如从一开始就不产生废物。这是绿色化学的首要原则。2.★★【高频考点】原子经济性（AtomEconomy）：设计合成方法时，应最大限度地使原料中所有的原子都进入到最终的产品中。这评价的是化学反应的效率。定义：原子经济性或原子利用率=（目标产物的相对分子质量/所有反应产物的相对分子质量之和）×100%，或简化为（目标产物的总原子量/反应物的总原子量）×100%。【难点辨析】原子经济性关注的是原子层面的利用率，而传统的“产率”关注的是反应物转化为目标产物的转化率。一个反应产率可能是100%，但如果生成了大量不需要的副产物（如取代反应生成的HCl），其原子经济性可能很低。理想的反应是“零排放”反应。3.【基础】无害化学合成（LessHazardousChemicalSyntheses）：合成方法应尽可能使用和生成对人类健康与环境无毒或毒性很小的物质。4.【基础】设计safer化学品（DesigningSaferChemicals）：设计化学产品时，应在不降低其使用功能的前提下，将其毒性降到最低。5.【基础】Safer溶剂与助剂（SaferSolventsandAuxiliaries）：尽量不使用溶剂、分离剂等辅助物质，如果必须使用，也应选择无毒的。6.【基础】设计能量效率（DesignforEnergyEfficiency）：尽可能在常温、常压下进行化学反应，以降低能耗。7.【基础】使用可再生原料（UseofRenewableFeedstocks）：当技术和经济上可行时，应优先使用可再生原料（如生物质）替代不可再生的化石原料。8.【基础】减少衍生物（ReduceDerivatives）：应尽量避免不必要的衍生化步骤（如保护基团、临时修饰），因为这些步骤会增加试剂和废物的产生。9.【拓展】催化作用（Catalysis）：使用高选择性的催化剂要优于化学计量试剂。10.【拓展】设计可降解（DesignforDegradation）：化学品在使用后应能降解为无害的产物，不应在环境中持久残留。（二）原子经济性的量化计算与实例分析【必考题型】【难点】1.【考点】原子利用率的计算：这是高考化学与技术模块的常考计算题。计算公式：原子利用率（%）=（目标产物的式量/所有反应物的原子总式量）×100%=（目标产物的质量/反应物的总质量）×100%（假设100%转化率）。2.典型案例对比：（1）【重要】环氧乙烷的制备：传统氯醇法（非原子经济）：CH₂=CH₂+Cl₂+H₂O→ClCH₂CH₂OH（氯乙醇）+HCl；ClCH₂CH₂OH+Ca(OH)₂→环氧乙烷+CaCl₂+H₂O。该过程原子经济性极低，产生了大量无用的CaCl₂废渣。绿色催化氧化法（原子经济）：2CH₂=CH₂+O₂（Ag催化剂）→2。所有原子均进入目标产物，原子利用率高达100%。（2）【重要】己二酸的合成：传统工艺：以苯为原料，经烷基化、氧化等步骤，最后用硝酸氧化环己醇/环己酮混合物得到己二酸，过程中产生大量的N₂O（温室气体，破坏臭氧层）。绿色工艺：利用环己烯（可由可再生资源制得）在过氧化氢为氧化剂、钨酸盐为催化剂的条件下直接氧化合成己二酸。该过程条件温和，且避免了使用有毒的硝酸和产生温室气体N₂O。（三）绿色化学工艺的实践路径【拓展视野，提升素养】1.原料的绿色化：以可再生的生物质资源（如淀粉、纤维素、油脂）替代石油、煤炭。例如，利用玉米等粮食或非粮生物质发酵生产生物乙醇（燃料乙醇或化工原料），利用甘油（生物柴油副产）制备环氧氯丙烷，替代传统的丙烯高温氯化法。2.催化剂的绿色化：（1）分子筛催化剂：具有规整的孔道结构和可调的酸性，在石油炼制（如催化裂化FCC）、精细化工合成中广泛应用，可实现高选择性的择形催化，减少副反应。（2）酶催化剂：具有高效、高选择性、条件温和的特点。例如，在制药工业中利用脂肪酶拆分制备手性药物中间体；在洗涤剂中添加蛋白酶、脂肪酶等，实现低温高效去污，节约能源。3.溶剂的绿色化：（1）超临界流体：最典型的是超临界二氧化碳（scCO₂）。CO₂在温度超过31°C、压力超过7.38MPa时进入超临界状态，兼具液体的溶解能力和气体的扩散性，且无毒、不燃、廉价。可用于咖啡因的萃取、干洗、甚至作为反应介质进行高分子聚合。（2）离子液体：由有机阳离子和无机/有机阴离子构成的、在室温或近室温下呈液态的熔盐。其特点是几乎无蒸气压（不挥发）、热稳定性好、结构可设计性强。可作为反应介质或催化剂，替代易挥发的有机溶剂（VOCs）。4.产品的绿色化：（1）设计更安全的农药：如拟除虫菊酯类杀虫剂，模拟天然除虫菊素的化学结构，具有高效、低毒、易在环境中降解的特点，替代了高残留的有机氯农药（如DDT）。（2）可降解塑料的推广：如PLA（聚乳酸）不仅原料来自玉米等可再生资源，其制品废弃后也可在特定条件下堆肥降解。（四）从污染防治到绿色化学的案例分析【综合应用】【跨学科视野】1.【经典案例】磷酸的制备：【高频考点】回顾从磷矿石制备磷酸的两种方法，深刻理解绿色化学的意义。（1）湿法磷酸：利用强酸（如硫酸）分解磷矿粉，生成磷酸和难溶的硫酸钙（磷石膏）。该过程能耗低，但产生大量磷石膏废渣（主要成分CaSO₄·2H₂O），堆放不仅占用土地，且可能污染地下水。原子经济性不高。（2）热法磷酸：将磷矿石、焦炭和二氧化硅在高温电炉中熔炼，生成单质磷（P₄），再将磷蒸气氧化、水合得到高纯磷酸。该过程虽然产品质量好，但能耗极高（每吨磷耗电约1.4万度），且产生大量炉渣。（3）【绿色化学思考】能否开发一种新工艺，既能像湿法那样能耗低，又能像热法那样不产生大量废渣？这正是绿色化学面临的挑战，也催生了如溶剂萃取法等改进型湿法工艺的研究。2.【前沿案例】CO₂的资源化利用：CO₂是主要的温室气体，但从绿色化学角度看，它也是一种丰富、无毒、可再生的碳资源。（1）化学固定：利用CO₂与环氧丙烷等反应，合成聚碳酸酯（可降解塑料）或碳酸丙烯酯（绿色溶剂）。（2）催化加氢：在催化剂作用下，利用太阳能、风能等可再生能源产生的“绿氢”将CO₂还原为甲醇（液态阳光）、甲烷、甲酸等燃料和化学品。这不仅减少了CO₂排放，还提供了替代化石能源的路径。3.【最新突破】费托合成的高碳排放难题破解：【热点拓展】传统的铁基费托合成（由煤或天然气制合成气→液态烃）过程中，有高达30%的碳原子转化为无用的CO₂。我国科学家最新研究发现，通过在合成气中引入极其微量的溴甲烷或碘甲烷（分子级调味料），可精准调控铁基催化剂表面的反应路径，“关闭”生成CO₂的副反应通道，几乎实现CO₂的“零排放”，同时将高附加值烯烃的比例大幅提升至85%以上【引用:8】。这一成果完美诠释了通过催化剂和工艺微环境的精细调控，实现从“高碳”向“低碳”甚至“零碳”化工的跨越。四、考点聚焦与解题策略（一）【高频考点】工业流程图题的综合分析1.考查方式：以某种化工产品（如硫酸、合成氨、硝酸、纯碱、石膏等）的生产工艺为背景，融合化学反应原理、物质分离提纯、循环利用、环保处理以及绿色化学思想进行设问。2.解题步骤：（1）首尾看目的：明确进入流程的原料是什么，最终要得到的产品是什么。（2）箭头看流向：关注物料（主料、辅料、循环物料）的走向，副产物和废弃物的去向。（3）方框看单元：分析每一步操作的目的（如焙烧、浸取、过滤、蒸馏等）及其涉及的化学反应。（4）设问看细节：结合具体问题，联系化学反应速率、化学平衡、氧化还原反应、离子反应等知识作答。3.绿色化学考点：（1）指出流程中哪些环节体现了“原子经济性”（如加成反应、化合反应、加聚反应）。（2）分析流程中的“循环操作”有何意义（提高原料利用率，减少废弃物排放）。（3）指出某一步骤中使用的催化剂或溶剂的绿色化改进方向。（4）计算某一步或整个流程的原子利用率。（二）【核心考点】环境污染防治措施辨析1.考查方式：选择题或填空题，判断某种说法的正误，或选择正确的治理措施。2.【易错点清单】（1）误以为CO₂是主要的大气污染物（它属于温室气体，但不属于常规意义上的大气污染物，一般不列入空气质量日报）。（2）混淆“水的净化”与“水的软化”。净化是去除悬浮物和胶体，软化是降低钙镁离子浓度。（3）混淆PM2.5（细颗粒物）与PM10（可吸入颗粒物）的来源和成分。（4）误认为所有塑料都可回收或都可降解。（5）认为绿色化学就是简单的“三废”处理。这是最大的误区！绿色化学的核心是“预防”而非“治理”。（6）在计算原子经济性时，忽略了反应中加入但最终未进入产物的物质（如催化剂、溶剂），原子利用率只计算进入目标产物的原子与所有反应物原子的总量。（三）【难点突破】绿色化学原理与化学反应的融合1.反应类型与原子经济性：（1）【典型的