2019-2020年高一化學(xué)第四章 化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展教學(xué)資源 新課標 人教版 必修2.doc

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2019-2020年高一化學(xué)第四章 化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展教學(xué)資源 新課標 人教版 必修2 文章導(dǎo)度 1.海洋──人類未來的財富??? 2.海水化學(xué)資源概況和海水利用????3.海水淡化技術(shù) 4.我國的海水淡化事業(yè)??????? 5.石油的成分????????????????????6.我國的石油資源 7.石油分餾的工藝過程??????? 8.汽油????????????????????????? 9.催化裂化 10.石油的重整?????????????? 11.煤的組成???????????????????? 12.煤的結(jié)構(gòu) 13.煤的氣化和液化???????????14.環(huán)境、環(huán)境問題?????????????? 15.生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)平衡 16.環(huán)境的污染?????????????? 17.土壤的污染及防治???????????? 18.水污染及防治 19.大氣污染的危害?????????? 20.酸雨及其危害???????????????? 21.綠色化學(xué) 1.海洋──人類未來的財富 海洋是人類可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。浩瀚的海洋中，蘊藏著極其豐富的礦物資源、生物資源和藥物資源，其經(jīng)濟價值可觀，開發(fā)前景十分誘人。 開發(fā)利用海洋是解決當前人類社會面臨的人口膨脹、資源短缺和環(huán)境惡化等一系列難題的重要途徑。在陸地資源日漸枯竭的今天，海洋正成為人類繁衍發(fā)展的生命線。 （1）海洋石油和天然氣 海底石油儲藏量約1350億噸，天然氣約140萬億米3，約占世界油氣總量的45%。目前，海上油氣開采量約占全球油氣開采量的30%。 （2）海洋金屬礦藏 海水中溶解有80多種化學(xué)元素，被譽為“液體礦山”。海水中可提取鎂、鉀、鈾、鍶等各類礦物達5億億噸。 海底有大量錳結(jié)核，也稱多金屬結(jié)核。錳結(jié)核是20世紀70年代才大量發(fā)現(xiàn)的深海礦產(chǎn)。褐色的錳結(jié)核，外觀象土豆，切片來看，一層層的又象蔥頭。這種結(jié)核體往往是以貝殼、珊瑚、魚牙、魚骨為核心，把其他物質(zhì)聚集在周圍。生長速度很緩慢，大約1 000年生長1毫米，有的100萬年才生長4毫米。錳結(jié)核含有錳、鐵、鎳、鈷等20多種元素。其經(jīng)濟價值很高，廣泛分布于水深4 000～6 000米的海底，總儲量估計約為3萬億噸。 現(xiàn)在一般利用采礦船來開采錳團塊。裝有深海電視的采礦機在海底收集錳團塊，通過軟管抽氣像吸塵器一樣，把錳團塊經(jīng)軟管連續(xù)地吸到水面上的采礦船中，每天采礦量可達3 000噸。 （3）海洋生物 在生物資源方面，海洋中存活著20多萬種生物。專家測算，海洋的初級生產(chǎn)力每年為6 000億噸，其中可供人類利用的魚類、貝類、蝦類、藻類等，每年為6億噸，而現(xiàn)在全世界的捕撈量僅為9 000萬噸左右。海產(chǎn)品已成為人類生活中不可缺少的重要食品來源，目前海產(chǎn)品提供的蛋白質(zhì)約占人類食用蛋白質(zhì)的22%。在不破壞生態(tài)平衡的前提下，海洋每年可以產(chǎn)出的水產(chǎn)品足夠300億人食用，海洋向人類提供食物的能力等于全球所有耕地提供農(nóng)產(chǎn)品的1 000倍。 不僅如此，包括魚類在內(nèi)的海洋生物，已成為新型藥物和保健品的原料來源，引起國際醫(yī)藥界的日益關(guān)注。據(jù)估計，從海洋生物中可提制的藥品將達2萬種之多，世界各國為此展開了激烈的競爭。 （4）海洋能源 除石油、天然氣外，海洋蘊藏著巨大的動力能源。據(jù)估算，可供開發(fā)利用的總量在1 500億千瓦以上，相當于目前全世界發(fā)電總量的十幾倍。其中，波浪能為700億千瓦，潮汐能為27億千瓦，海流能為1億千瓦，溫差能為500億千瓦，鹽度差能為300億千瓦。海洋能具有安全、無污染和可永久利用等優(yōu)點，具備良好的開發(fā)前景。 另外，海水中含有200萬億噸重水，其中所含的氘是受控核聚變的寶貴原料。核聚變能是被廣泛看好的21世紀全球電力的一個重要來源。 2.海水化學(xué)資源概況和海水利用 海洋化學(xué)也稱化學(xué)海洋學(xué)，它是海洋科學(xué)的四大基礎(chǔ)學(xué)科之一。海洋化學(xué)研究海洋環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的分布、轉(zhuǎn)移、循環(huán)的規(guī)律及其在開發(fā)利用中的化學(xué)問題。海水的成分非常復(fù)雜，全球海洋的含鹽量就達5億億噸，還含有大量非常稀有的元素，是地球上最大的礦產(chǎn)資源庫。海洋資源的持續(xù)利用是人類生存發(fā)展的重要前提，目前，全世界每年從海洋中提取淡水20多億噸、食鹽5 000萬噸、鎂及氧化鎂260多萬噸、溴20萬噸，總產(chǎn)值達6億多美元。水是生命之源，世界上缺水的地區(qū)越來越多，海水淡化已成為獲得淡水資源重要的途徑，所有這些都是海洋化學(xué)要研究的，海洋化學(xué)的研究和海洋開發(fā)正方興未艾，必將越來越多的造福人類。 水荒目前已成為世界性的問題，是制約社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。據(jù)統(tǒng)計，全球用水總量每15年就翻一番，到2030年地球上將有1/3的人口面臨淡水資源危機。地球的表面雖然有71%被水覆蓋，但其中96.5%是海水，還有15%是咸水，在余下的2.5%的淡水中，又有69%是人類難以利用的兩極冰蓋。人類可利用的淡水只占全球水總量的0.77%。有人比喻在地球這個大水缸里可用的淡水只有一湯匙。合理節(jié)約用水是可持續(xù)發(fā)展的重要課題，然而，節(jié)水并不能增加淡水的總量。大量地利用海水自然而然地就成為21世紀解決淡水缺乏的主要途徑。 海水利用包括海水直接利用、海水淡化和海水綜合利用，以及海水農(nóng)業(yè)等。 海水直接利用是用海水代替淡水作為工業(yè)用水和生活用水。到21世紀上半葉，隨著海洋生物污損防治技術(shù)的提高和耐腐蝕材料的進一步發(fā)展，沿海城市的絕大部分工業(yè)冷卻水都將采用海水。海水沖廁會得到大面積推廣。 海水淡化是海水利用的重點，到了21世紀中葉，也許我們會看到這樣一個景象，每個島嶼或缺水的沿海城市都建有海水淡化工廠。這些工廠里大多采用蒸餾法和反滲透技術(shù)來制取淡水。到時候全世界使用的水資源中有1/5以上來自海洋。反滲透法是利用孔徑比納米還細小的半透膜濾去鹽分來制取淡水的。另外，還有人設(shè)想由于反滲透法制取淡水是在一定的壓力下實現(xiàn)的，假如把海水淡化裝置放在海底，就可以利用海水自身的壓力來獲取淡水，對海上城市或石油鉆井平臺非常實用。出海遠洋只要帶一臺海水淡化設(shè)備就可以滿足船上的淡水供應(yīng)。采用蒸餾法制取淡水，主要是利用熱能來實現(xiàn)的，在有核電站和熱電廠的條件下采用這種技術(shù)可以充分利用電廠余熱大大減少能耗。 3.海水淡化技術(shù) 淡水危機甚至比糧食危機、石油危機還要來勢洶洶，解決淡水資源問題早已提到了人類的議事日程。在這種背景下，把海水、苦咸水等含高鹽量的水轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)、生活用水的海水淡化技術(shù)得到空前迅猛的發(fā)展。目前，淡化海水的方法已有十種之多，下面介紹的是其中最為主要的幾種。 ①蒸餾法? 蒸餾法雖然是一種古老的方法，但由于技術(shù)不斷地改進與發(fā)展，該法至今仍占統(tǒng)治地位。蒸餾淡化過程的實質(zhì)就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發(fā)形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。根據(jù)設(shè)備可分為蒸餾法、蒸汽壓縮蒸餾法、多級閃急蒸餾法等。此外，以上方法的組合也日益受到重視。 ②電滲析法? 亦稱換膜電滲析法該法的技術(shù)關(guān)鍵是新型離子交換膜的研制。離子交換膜是0.5 mm～1.0 mm厚度的功能性膜片，按其選擇透過性區(qū)分為正離子交換膜（陽膜）與負離子交換膜（陰膜）。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列，組成多個相互獨立的隔室海水被淡化，而相鄰隔室海水濃縮，淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水，也可以作為水質(zhì)處理的手段，為污水再利用作出貢獻。此外，這種方法也越來越多地應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的濃縮、分離與提純。 ③反滲透法? 通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用半透膜只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的特點，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美、日等發(fā)達國家先后把發(fā)展重又轉(zhuǎn)向反滲透法。 4.我國的海水淡化事業(yè) 我國是世界上少數(shù)幾個掌握海水淡化先進技術(shù)的國家之一。自20世紀50年代以來，我國開始研究海水淡化技術(shù)，連續(xù)幾個五年計劃都將此項研究列入國家科技攻關(guān)項目，并將其列入《當前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南》。經(jīng)過40余年的發(fā)展，我國不但建立了海水淡化科研基地，培養(yǎng)和鍛煉了專門人才，而且在海水淡化領(lǐng)域取得了令人矚目的成績，奠定了我國在海水淡化領(lǐng)域的世界強國地位。 目前我國在海水淡化技術(shù)上的成就大致有：國內(nèi)相關(guān)單位對多級閃蒸的設(shè)計和模擬進行了廣泛的研究，積累了多級閃蒸設(shè)備運行和管理的豐富經(jīng)驗；低溫壓汽蒸餾經(jīng)過了三代小型樣機的研制，積累了豐富的設(shè)計和加工運行經(jīng)驗。特別是經(jīng)過“九五”科技攻關(guān)，解決了壓縮機的設(shè)計和制造技術(shù)，開發(fā)的蒸汽壓縮機已經(jīng)達到國外同等容量產(chǎn)品的先進水平；成功地開發(fā)了蒸發(fā)管與管板的彈性密封連接裝置；開發(fā)了高效低阻力的液體分布裝置。 我國的反滲透海水淡化技術(shù)進一步得到完善。目前已經(jīng)比較完整的掌握了海水淡化工程設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，并開發(fā)了較為豐富的工程化技術(shù)，具備了相當?shù)漠a(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。 此外，在海水淡化上我國還擁有多項自主知識產(chǎn)權(quán)。經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，攻克了膜法反滲透水處理技術(shù)、三元扭曲葉輪制造技術(shù)、高性能蒸汽壓縮機等海水淡化重要技術(shù)和設(shè)備，已經(jīng)擁有50多項技術(shù)專利?？梢赃@樣說，歷經(jīng)幾十年的研究探索，我國已培養(yǎng)和造就了一大批海水淡化專門人才，組建了一些專門科研機構(gòu)。如以蒸餾淡化研究為主的國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所、天津大學(xué)以及以反滲透技術(shù)為主的國家海洋局杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心等單位。這些單位完成的一批海水淡化工程推動了國內(nèi)海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。淡水資源匱乏是一個世界性的問題，我國也一樣，特別是沿海地區(qū)和海島，淡水的供需矛盾非常突出。我國的海水淡化事業(yè)的長足發(fā)展使我們深信：有海洋，我們就有水喝！ 5.石油的成分 在石油中由碳、氫兩種元素組成的化合物的成分很復(fù)雜。按其結(jié)構(gòu)可分為烷烴（包括直鏈和支鏈烷烴）、環(huán)烷烴（多數(shù)為烷基環(huán)戊烷和烷基環(huán)己烷）和芳香烴（多數(shù)是烷基苯）。在石油中一般不含烯烴。 在石油中含硫的化合物主要有硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、二硫化物（RSSR）和噻吩等。 在石油中含氧的化合物主要有環(huán)烷酸和酚（以苯酚為主），此外還含有少量的脂肪酸。環(huán)烷酸是指分子中含有一個或多個駢合脂環(huán)、碳原子數(shù)為11～30個的羧酸。羧基既可以在脂環(huán)上，也可以在側(cè)鏈上。在煉油生產(chǎn)中，常將環(huán)烷酸和酚統(tǒng)稱為石油酸。 在石油中含氮的化合物主要有吡啶、吡咯、喹啉和胺類（RNH2）等。因吡咯在空氣中容易被氧化，顏色逐漸變深，這與汽油久存后顏色變深有關(guān)。 石油的化學(xué)組成不是固定的，而是隨產(chǎn)地的不同而不同。根據(jù)石油中所含烴的成分的不同，一般將石油分為烷烴基石油、環(huán)烷基石油、混合基石油和芳烴基石油等幾大類。但各產(chǎn)油國常根據(jù)本國資源的情況有不同的分類。 6.我國的石油資源 在我國960×104 km2的土地上，經(jīng)過地質(zhì)普查，發(fā)現(xiàn)有300多個可供勘探石油的沉積盆地，沉積巖面積達450×104 km2，約占國土總面積的44%。其中面積大于10×104 km2的沉積盆地有10個，總面積超過254×104 km2。 此外，還有大量的中小盆地油氣資源也很豐富，有些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了油田或工業(yè)油流。如酒泉盆地、蘇北盆地和百色盆地等。 地質(zhì)學(xué)家根據(jù)大量的科學(xué)資料分析以后，估計我國陸上石油的儲量大約為300×109 t～600×109 t。 除了陸上石油外，我國還擁有18 000 km的海岸線，其大陸架的面積約占世界大陸架總面積的1/20。根據(jù)近幾年的勘查結(jié)果，先后在渤海、黃海南部、東海、臺灣淺灘、珠江口、鶯歌海、北部灣等海域發(fā)現(xiàn)了7個油氣盆地，總面積約為100×104 km2。從發(fā)展遠景來看，我國近海石油的儲量不亞于陸上石油的儲量。我國專家估計，我國近海石油的儲量為200×109～500×109 t，國外人士估計我國近海石油的儲量為200×109～900×109 t。 7.石油分餾的工藝過程 （1）原油加工前的預(yù)處理 在原油中含有一定量的石油氣、水、鹽類和泥沙等雜質(zhì)，如不除去這些雜質(zhì)，將會給以后的工序帶來困難。預(yù)處理的步驟是先通過油氣分離器，將石油氣分離出去。再進入沉降池中除去泥沙及部分水和鹽類。最后，在15～25 kV的高壓電場下脫鹽、脫水。 （2）初餾 將預(yù)處理后的原油在初餾塔中加熱到220～250 ℃，從塔頂蒸出輕汽油和殘留的水分。 （3）常壓分餾 用泵將從初餾塔底得到的拔頂油送入加熱爐中加熱到360～370 ℃后，再送入常壓分餾塔中。經(jīng)分餾，在塔頂可得到低沸點汽油餾分，經(jīng)冷凝和冷卻到30～40 ℃時，一部分作為塔頂回流液，另一部分作為汽油產(chǎn)品。此外，還設(shè)有1～2個中段回流。在常壓塔中一般有3～4個側(cè)線，分別餾出煤油、輕柴油。側(cè)線產(chǎn)品是按人們的不同需要而取的不同沸點范圍的產(chǎn)品，在不同的流程中并不相同。有的側(cè)線產(chǎn)品僅為煤油和輕柴油，而重油為塔底產(chǎn)品；有的側(cè)線為煤油、輕柴油和重柴油，而塔底產(chǎn)品為常壓渣油。 （4）減壓分餾 原油在常壓分餾塔中只能分餾出沸點較低的餾分。要分餾出沸點約在500 ℃以上的裂化原料和潤滑油原料，就會出現(xiàn)一定的問題。因為這些餾分所含有的大分子烴類在450 ℃以上就會發(fā)生裂解反應(yīng)，使餾出的油品變質(zhì)，并生成焦炭，影響生產(chǎn)的正常進行。為了解決這個問題，就必須在減壓下進行蒸餾。因此，將從常壓塔底出來的重油經(jīng)加熱爐加熱到410 ℃左右后，送入減壓分餾塔中。為了使塔頂殘壓保持在2.7 kPa～10.7 kPa，需要用真空設(shè)備抽出不凝性氣體。同時在減壓塔底吹入過熱蒸氣以降低塔內(nèi)的油氣分壓，增加餾分的拔出率。在減壓蒸餾塔的塔頂?shù)玫降氖侵夭裼?；在?cè)線分別得到輕潤滑油、中潤滑油、重潤滑油；經(jīng)汽提塔汽提后，在塔底得渣油。 8.汽油 汽油是一種重要燃料，主要用于化油器式發(fā)動機。如汽車、摩托車等。在發(fā)動機中，汽油應(yīng)在燃燒沖程燃燒。但有的汽油在壓縮過程就燃燒爆炸，不僅影響氣缸的正常運行，而且由于強烈地震動，影響發(fā)動機的壽命。這種汽油在氣缸中的不正常的燃燒現(xiàn)象，稱為汽油的爆震性。 汽油的爆震性與汽油的成分有密切的關(guān)系，以芳烴的抗震性最好（即爆震性最小），環(huán)烷烴和異構(gòu)烷烴次之，烯烴再次之，烷烴中正構(gòu)（直鏈）烷烴的抗震性小。汽油的抗震性能用辛烷值來表示。 提高汽油辛烷值的方法之一，是增加汽油中的芳烴的含量，減少正構(gòu)烷烴的含量；另一種方法是加入少量的四乙基鉛〔Pb(C2H5)4〕。一般來說，只要在汽油中加0.2%～0.5%（質(zhì)量分數(shù)）的四乙基鉛就可以顯著地提高汽油的抗震性。但是，在汽油中使用四乙基鉛存在著許多的問題。一方面是四乙基鉛有毒，只需少量就可以使人體中毒。因此，加入四乙基鉛的汽油通常被染成紅色或藍色。另一方面是四乙基鉛在氣缸中燃燒后，其中的鉛會變成氧化鉛沉積下來，增加積炭量，引起氣缸過熱，增大發(fā)動機零件的磨損。為了克服這個缺點，通常在四乙基鉛中加入一種導(dǎo)出劑，使鉛成為揮發(fā)性物質(zhì)從氣缸中排出?？墒牵U化合物的排放，造成了一定程度的環(huán)境污染。目前，我國的一些城市，如北京、廣州已經(jīng)禁止汽車使用含鉛汽油，以減少對大氣的污染和對人體健康的危害。 9.催化裂化 催化裂化就是將原油（常用的餾分是重質(zhì)油，如減壓餾分、焦化柴油及石蠟等，也可使用常壓重油）在催化劑的存在下，在460 ℃～520 ℃及100 kPa～200 kPa的壓強下進行裂解反應(yīng)。與熱裂化相比較，催化裂化的條件，如溫度和壓強要低一些，但對原料的要求卻相對高一些。如果在原料中含有鎳、鐵、銅、釩等重金屬，就會影響催化劑的催化效率，使其選擇性顯著降低，從而會降低汽油的產(chǎn)量，增加氣體和焦炭的產(chǎn)量。所以，催化裂化所用的原料油中重金屬的含量必須要有一定限制。 在催化裂化中常用的催化劑是硅酸鋁，它的主要成分是SiO2和Al2O3。按照硅酸鋁分子的結(jié)構(gòu)，又可以分為無定形（叫做普通硅酸鋁催化劑）和結(jié)晶形（叫做分子篩催化劑）兩種。目前最常用的是分子篩催化劑，它的催化活性和選擇性都比較好，汽油的產(chǎn)率較高。 催化裂化所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與熱裂化的反應(yīng)沒有本質(zhì)上的區(qū)別。除了發(fā)生分解反應(yīng)，使碳鏈較長的烴發(fā)生碳碳鍵斷裂而生成碳鏈較短的烴以外，由于有催化劑的存在，使得異構(gòu)化和芳構(gòu)化的反應(yīng)加速。例如，十四烷在催化裂化的條件下，首先分解為庚烷和庚烯： C114H30→C7H16+C7H14 生成的庚烷和庚烯可以進一步發(fā)生異構(gòu)化、芳構(gòu)化、氫轉(zhuǎn)移等反應(yīng)。 異構(gòu)化反應(yīng)是指正構(gòu)烷烴變成異構(gòu)烷烴，如帶側(cè)鏈的環(huán)戊烷變成環(huán)己烷，使產(chǎn)品中異構(gòu)烴的含量增加。 芳構(gòu)化反應(yīng)是指開鏈烷烴變成環(huán)狀化合物、環(huán)狀化合物脫氫生成芳烴等，使產(chǎn)品中的芳烴含量增加。例如， 氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)是指烴類在反應(yīng)中產(chǎn)生的氫與烯烴反應(yīng)而生成飽和烴。例如， 除了上述反應(yīng)外，分解反應(yīng)的產(chǎn)物還可以進一步發(fā)生碳碳鍵的斷裂，生成分子中碳原子數(shù)較少的裂化氣。 10.石油的重整 重整常用鉑或錸作催化劑，所以，又叫做鉑錸重整。重整的目的有兩個，一是提高汽油的辛烷值；二是制取芳香烴。重整用的原料要視目的的不同而定，如果重整的目的是為了提高汽油的辛烷值，一般選用沸點范圍為60～200 ℃的直餾汽油餾分（或經(jīng)過加氫的裂化汽油餾分）。如果重整的目的是為了生產(chǎn)芳香烴，則需選用沸點范圍為60 ℃～130 ℃的直餾汽油餾分（或經(jīng)過加氫的裂化汽油餾分），因為這一餾分中含C6～C8的環(huán)烷烴較多，經(jīng)重整后有利于轉(zhuǎn)化為芳香烴。 鉑催化劑主要是將鉑分散在氧化鋁載體上，通常鉑含量在0.3%～0.7%的范圍內(nèi)。自1968年以來，出現(xiàn)了鉑-錸雙金屬催化劑和鉑-錸-銥等多金屬催化劑，從而大大提高了芳香烴的轉(zhuǎn)化率和汽油的辛烷值，并延長了重整裝置的操作周期。 鉑催化劑對砷、銅、汞等重金屬的化合物特別敏感，尤其是砷能與鉑形成合金，造成催化劑中毒并使其失去活性。為了保證催化劑的使用壽命，對原料中的有害物質(zhì)必須加以清除。 經(jīng)過除砷、鉛、硫、氮等雜質(zhì)的原料油進入重整反應(yīng)器中，在溫度為400 ℃～500 ℃，2 500～3 000 kPa的壓強下，通過鉑催化劑進行重整反應(yīng)。 11.煤的組成 煤是由植物轉(zhuǎn)變而成的。由高等植物變成的煤稱為腐植煤，這種煤的儲量多，用途廣。由低等植物變成的煤稱為腐泥煤。自然界中的各種煤盡管種類不同，但都是由有機物質(zhì)、無機物質(zhì)和水分三部分組成。 （1）碳? 碳是煤中的主要成分。煤中的含碳量隨著煤變質(zhì)的程度而有規(guī)律地增加。所以，含碳量的多少可以表示煤的變質(zhì)程度。 （2）氫? 氫是煤中有機質(zhì)的主要元素。煤中的含氫量隨煤變質(zhì)程度的加深而減少。 （3）氧? 煤中的氧在燃燒過程中并不放出熱量，含氧多的煤熱值較低。 （4）硫? 煤中的硫以有機硫和無機硫的形式存在，是煤中的有害成分。在煤的儲存過程中，因黃鐵礦氧化放熱而加速了煤的氧化變質(zhì)。在煉焦過程中產(chǎn)生的硫化物氣體對設(shè)備有一定的腐蝕作用，殘留在焦炭中的硫使焦炭的質(zhì)量降低。 （5）磷? 煤中的磷存在于礦物質(zhì)中，一般含量較低，最高不超過1%。煤中的磷雖然不多，但危害極大。在用煤煉焦時，磷全部轉(zhuǎn)入焦炭中，在用焦炭煉鐵時又轉(zhuǎn)入到生鐵中，使生鐵變脆。 （6）氮? 氮是組成煤中有機物的次要元素，含量較少，且變化不大。煤中的氮在煤燃燒時常以游離狀態(tài)分解出來，煉焦時因溫度較高，氮也會轉(zhuǎn)化為氨或其他氮的化合物。 （7）水分? 煤中的水分有內(nèi)在水分和外在水分的區(qū)別。煤中的內(nèi)在水分指在煤風(fēng)干后，將煤加熱到102 ℃～105 ℃時逸出的水分。這部分水分是依靠吸附力而保持在煤粒氣孔中的水分。外在水分是保持在煤粒表面和煤顆粒之間的水滴，這部分水在風(fēng)干時即可除去。內(nèi)在水和外在水之和就是煤的總水分。 （8）礦物質(zhì)? 煤中的礦物質(zhì)組分非常復(fù)雜，含量的變化也很大，主要是由鐵、鋁、鈣、鎂等以碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽和硫化物等形式存在。煤中礦物質(zhì)的含量和成分與煤的形成過程有關(guān)。煤在燃燒過程中，礦物質(zhì)發(fā)生一系列的變化，煤燃燒后的殘留物叫做灰分。一般來說，灰分的含量可以反映出煤中礦物質(zhì)的大致含量，因此，有時也籠統(tǒng)地將礦物質(zhì)叫做灰分。對于工業(yè)用煤來說，灰分是非常有害的。在煉焦的過程中，灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭，不但降低了焦炭的強度，也降低了焦炭的含碳量?；曳指叩拿喊l(fā)熱量較低。因此，灰分是影響煤質(zhì)的重要指標。 上述煤的組成是元素分析的結(jié)果。但由于元素的測定手續(xù)繁雜，在工業(yè)上很少應(yīng)用。目前，工業(yè)評定煤的品質(zhì)，大多采用工業(yè)分析來測定煤的發(fā)熱量、揮發(fā)分、固定碳、水分和灰分等項目。 12.煤的結(jié)構(gòu) 煤的主要組成部分是有機物質(zhì)，所以煤的分子結(jié)構(gòu)具有明顯的有機化合物的特有結(jié)構(gòu)。不同的煤種、不同地區(qū)的同種煤、同一地區(qū)的不同煤層，煤的結(jié)構(gòu)都有很大的差別。對于煤的分子結(jié)構(gòu)，通過分析和測定，表明煤的結(jié)構(gòu)的基本單元是以縮合芳環(huán)為主體的周圍連接很多烴類的側(cè)鏈、“-O-”鍵和各種官能團的高分子?？s合芳環(huán)類似于石墨的結(jié)構(gòu)，碳原子都處在同一個平面上，形成平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。側(cè)鏈和“-O-”鍵又將碳網(wǎng)在空間以不同的角度互相連接起來，構(gòu)成煤的復(fù)雜的、不規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)?？s合芳環(huán)主要由碳構(gòu)成，氧、硫、氮、氫等元素主要在側(cè)鏈上。隨著煤變質(zhì)程度的加深，煤的基本單元結(jié)構(gòu)──六碳環(huán)平面網(wǎng)變大，排列逐步規(guī)則化，側(cè)鏈逐漸減少、變短。圖4-1是煤的結(jié)構(gòu)模型。 圖 4-1? 煤的結(jié)構(gòu)模型 13.煤的氣化和液化 現(xiàn)在，還有相當一部分鍋爐直接燒煤 ，這樣做不僅對熱的利用率低，煤燃燒時生成的煙和燃燒后剩余的灰分也會對環(huán)境造成污染。為了更有效地和更充分地利用煤燃燒時所放出的熱，同時減少對環(huán)境造成的破壞，我國和世界上的一些發(fā)達國家都在研究煤的氣化和液化問題。雖然在煤的氣化或液化過程中，會有一部分煤的潛在的能量受到損失，但由于加工后得到的氣態(tài)或液態(tài)燃料的熱利用率高，而且比較清潔，因此從總體來看，將煤氣化或液化后再使用，還是比較合理的。 （1）氣化 目前，煤的氣化主要是碳和水蒸汽的反應(yīng)。 C+H2O=CO+H2 這是一個吸熱反應(yīng)，反應(yīng)所需的能量一般是由間歇進行的碳的燃燒來提供。 C+O2=CO2 對于這兩個反應(yīng)來說，如果使用空氣必然會引入大量的氮氣，使煤氣的熱值降低，成為低熱值煤氣。如果使用氧氣，就能得到中熱值煤氣。如果要得到高熱值的煤氣，就需要將中熱值煤氣中的CO和H2，在催化的條件下合成甲烷。 CO+3H2=CH4+H2O 利用焦爐煤氣，在目前仍然是最便宜的產(chǎn)生煤氣的方法。利用褐煤在魯奇爐加壓氣化，生成中熱值煤氣供居民使用是比較成熟的方法。 （2）液化 煤的液化有多種方法，教材中提到的煤的干餾和使煤與氫氣在一定條件下反應(yīng)，都是將煤液化的方法。 煤的液化可以分為直接液化和間接液化兩個途徑。直接液化大致有氫化法和溶劑精制法。 ①氫化法 將煤粉和煤液化過程中產(chǎn)生的油跟氫氣混合，在高溫條件下經(jīng)催化進行加氫解聚反應(yīng)，同時脫去硫、氮、氧等，生成固態(tài)-液態(tài)混合的油、液化的煤，以及含有未液化的煤和炭等固體物質(zhì)。經(jīng)過分離后，就可以得到低氫、低硫的重質(zhì)液體燃料。 14.環(huán)境、環(huán)境問題 環(huán)境是一個非常復(fù)雜的體系，本章所涉及的主要是人類的生存環(huán)境。人類生存的環(huán)境分為自然環(huán)境和社會環(huán)境。自然環(huán)境是指非人類創(chuàng)造的物質(zhì)所構(gòu)成的地理空間。陽光、空氣、水、土壤、野生動植物等自然物質(zhì)與一定的地理條件結(jié)合，就形成了一定的自然環(huán)境。社會環(huán)境是指人類通過生產(chǎn)活動所建造的人為環(huán)境，如城市、農(nóng)村、工礦區(qū)等。 研究環(huán)境問題涉及地學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)、哲學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、美學(xué)、倫理學(xué)等多種學(xué)科?；瘜W(xué)與環(huán)境有密切的關(guān)系，在某些情況下，環(huán)境污染主要是由化學(xué)污染物造成的，但是我們更應(yīng)該看到，很多環(huán)境問題的解決，要依靠化學(xué)的方法。 生存與發(fā)展是人類社會最基本的主題。千百年來，在人類與環(huán)境不斷地相互影響和作用中，環(huán)境問題一直是伴隨著人類的活動而產(chǎn)生的。 我們通常所說的環(huán)境問題，一般可以分為兩大類，一類是由于人類不合理地開發(fā)和利用自然資源而造成的生態(tài)環(huán)境的破壞；另一類則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人類的活動造成的污染，也就是環(huán)境污染問題。 人類的生產(chǎn)活動是圍繞著資源的開發(fā)和利用而進行的，礦藏的開采，各種金屬的冶煉，都是取其中一部分加以利用，其余部分作為廢物拋棄。在過去的幾千年里，由于世界人口數(shù)量不多，生產(chǎn)規(guī)模不大，人類拋向自然界的廢物畢竟數(shù)量較少，大自然有足夠的時間和容量將其分解、稀釋、凈化。那時人類活動對環(huán)境的影響并不太大，在環(huán)境自凈能力范圍之內(nèi)，即使發(fā)生污染問題也是局部性的。 但是，自工業(yè)革命以來，特別是近幾十年來，由于科學(xué)技術(shù)飛躍進步，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅猛發(fā)展，人類每年都有數(shù)以幾十億噸計的廢物拋棄到環(huán)境中，日積月累，終于達到大自然再也消化吸收不了的程度。全世界每年消耗掉的化石燃料，20世紀初不足15億噸，到70年代已增至70～80億噸。人類每年都在實驗室制造出成千上萬種新化學(xué)品，并投入工業(yè)生產(chǎn)、使用。這些化學(xué)品中，有毒化學(xué)物質(zhì)年產(chǎn)已達400萬噸，它們進入環(huán)境后，在環(huán)境中擴散、遷移、積累和轉(zhuǎn)化。南極大陸冰原覆蓋，但從生息在那里的企鵝體內(nèi)也檢測出滴滴涕；在北極附近格陵蘭的冰蓋層中，近幾十年來，鉛和汞的含量不斷上升。因此可以說，污染無所不在，世界上幾無凈土。 由于原生環(huán)境的消失、人類的捕殺和環(huán)境污染，世界上的植物和動物遺傳資源急劇減少，成千上萬的物種已經(jīng)滅絕或瀕臨滅絕的危險。在長期進化中形成的物種一旦滅絕，將無法再生，無法彌補。 近些年，震驚世界的嚴重污染事件屢屢發(fā)生。如1984年12月，美國聯(lián)合碳化物公司設(shè)在印度博帕爾市的農(nóng)藥廠的毒氣泄漏事件，造成2 000人死亡，受害人數(shù)達10 余萬人，其中一些人雙目失明，終身殘廢。1986年4月，烏克蘭基輔北部的切爾諾貝利核電站的4號反應(yīng)堆爆炸起火，放射性物質(zhì)大量外泄，造成31人死亡，237人受放射性傷害，13萬居民緊急疏散。 從20世紀80年代開始，酸雨、臭氧層損耗和氣候變暖這三大全球環(huán)境問題，使人類面臨著新的嚴峻挑戰(zhàn)，并嚴重威脅著人類的生存。 環(huán)境問題既是在人類社會發(fā)展的進程中產(chǎn)生的，也必將在同一進程中得到解決。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，老的環(huán)境問題解決了，新的環(huán)境問題又會出現(xiàn)。人類與環(huán)境的矛盾，處于不斷運動和變化之中，永無止境。 我國十分重視環(huán)境保護工作，制訂了一系列保護環(huán)境、防治污染的法律、法規(guī)。并從計劃生育、保護資源、合理規(guī)劃建設(shè)、治理污染、加強科學(xué)研究、開展宣傳教育等各方面做了大量的工作。我們相信，在現(xiàn)代化建設(shè)蓬勃發(fā)展的同時，我們一定會把環(huán)境問題解決好，以實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，使我國人民的生活水平和生活環(huán)境質(zhì)量同時提高。 15.生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)平衡 人類的生存環(huán)境又可以分為非生物環(huán)境（如空氣、水、土壤、光、熱等）和生物環(huán)境（如植物、動物、微生物等），二者不是孤立存在的。自然界某一范圍內(nèi)，由相互依存的一定種類的動物、植物、微生物等組成了生物群落。生物群落同其生存環(huán)境之間，以及生物群落內(nèi)不同種群生物之間不斷進行著物質(zhì)交換和能量交換，構(gòu)成了大小不一、多種多樣的生態(tài)系統(tǒng)。 生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展到成熟階段，它的生物種類的組成，各個種群的數(shù)量及比率以及能量和物質(zhì)的輸入、輸出等，都處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫做生態(tài)平衡。 生態(tài)系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)并維持自己的正常功能。但是，這種自動調(diào)節(jié)能力和代替補償功能是有一定限度的。當干擾因素的影響超過其調(diào)節(jié)能力時，就會破壞生態(tài)平衡，造成生態(tài)失調(diào)。影響生態(tài)平衡的因素有自然因素和人為因素。自然因素包括火山噴發(fā)、地震、海嘯、泥石流、雷擊火災(zāi)等。自然因素對生態(tài)系統(tǒng)的破壞在地域上說是有一定局限性的，而且出現(xiàn)頻率一般不高。而人為因素對生態(tài)平衡的破壞卻是大量的、長期的，甚至是多方面的。 人體從環(huán)境中攝取空氣、水和食物，經(jīng)過消化、吸收、合成，組成人體的細胞和組織的各種成分，并產(chǎn)生能量，維持著人體的生命活動。同時，人體內(nèi)的不需要的代謝產(chǎn)物通過各種途徑排出體外，進入環(huán)境。環(huán)境和人之間不斷地進行著物質(zhì)與能量的交換。 食物鏈是人類同周圍環(huán)境進行物質(zhì)與能量交換的重要途徑。和人類有關(guān)的食物鏈主要有兩條：一條是陸生生物食物鏈；另一條是水生生物食物鏈。因此，如果大氣、水或土壤受到某種污染，那么污染物均有可能沿食物鏈逐級傳遞，最終影響到居于食物鏈頂端的人類。應(yīng)引起高度重視的問題是污染物能沿食物鏈富集，使本來濃度很低的污染物富集到危險的高濃度水平。如有機氯農(nóng)藥滴滴涕在水中濃度很低，但從水到魚類、鳥類的富集可達幾千萬倍。由此引起的有機氯農(nóng)藥在人體內(nèi)的蓄積是世界性的問題，這與食物鏈有密切關(guān)系。為此，我國和其他許多國家已停止生產(chǎn)像滴滴涕這類農(nóng)用藥品。 16.環(huán)境的污染 人類的活動不斷向環(huán)境排放污染物質(zhì)，但由于大氣、水、土壤等的擴散、稀釋、氧化還原、生物降解等的作用，污染物質(zhì)的毒性和濃度會自然降低，這種現(xiàn)象叫做環(huán)境自凈。如果排放的物質(zhì)超過了環(huán)境的自凈能力，環(huán)境質(zhì)量就發(fā)生不良變化，危害了人類健康和生存，這就是發(fā)生了環(huán)境污染。 嚴重的環(huán)境污染會導(dǎo)致生態(tài)破壞。人類的有些開發(fā)活動，盡管不排放污染物質(zhì)，也可能產(chǎn)生不良的生態(tài)影響，甚至引起生態(tài)破壞，如沙漠化、森林破壞、草場退化等。這種變化也不利于人及其他生物的生存，并浪費、惡化自然資源，這種潛在性的危害也常被稱為環(huán)境污染。 環(huán)境污染有各種類型： 按環(huán)境要素：分大氣污染、水體污染、土壤污染 按人類活動分：工業(yè)環(huán)境污染、城市環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)環(huán)境污染 按造成污染的性質(zhì)、來源分：化學(xué)污染、生物污染、物理污染（噪聲、放射性、熱、電磁波等）、固體廢物污染、能源污染 17.土壤的污染及防治 長期以來，人們把大地看作處理廢棄物的場所，如城市垃圾、工礦企業(yè)固體廢棄物向土壤傾倒和堆放。城市污水、工業(yè)廢水、大氣沉降物也會進入土壤，土壤污染物按其來源主要有以下幾種： （1）城市污水、工業(yè)廢水的污染及危害 城市污水、工業(yè)廢水中含有氮、磷、鉀及其他植物的營養(yǎng)成分，不少地區(qū)用污水灌溉農(nóng)田，可使農(nóng)作物增產(chǎn)。通過污水灌溉，氮、磷及生物能降解的有機物可去除90%以上，一些有毒、有害物質(zhì)也可以被氧化分解。因此，合理適度的污水灌溉可節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，充分利用污水中的營養(yǎng)元素，是一種經(jīng)濟的、節(jié)省能源的污水處理方法。 但是，城市污水和工業(yè)廢水中也含有汞、鉛、鎘、砷、酚、氰化物、三氯乙醛、苯并芘等有害污染物，有些污染物不能降解，會在土壤中積累，造成嚴重后果。土壤污染使農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，土壤鹽堿化、環(huán)境衛(wèi)生惡化等。因此，利用污水灌溉，特別是用工業(yè)廢水灌溉時，必須要做預(yù)處理，以除去其中的有毒、有害物質(zhì)。 （2）垃圾及工礦企業(yè)固體廢棄物的污染及危害 隨著生產(chǎn)的發(fā)展和消費的增加，堆放垃圾和工礦企業(yè)固體廢棄物占用了大量土地。這些廢棄物不僅占用土地，損傷地表，而且會污染土壤、水體、大氣。固體廢棄物經(jīng)日曬雨淋，它們的滲出液中所含有毒物質(zhì)滲入土壤后，會改變土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤中微生物的活動，妨礙植物根系生長或在植物機體內(nèi)積累。垃圾堆放地往往也是蚊、蠅孳生地和老鼠猖狂活動地區(qū)，這與很多傳染病的發(fā)生有關(guān)。 （3）化肥、農(nóng)藥的污染及危害 農(nóng)田所施用的任何化肥都不可能全部被植物吸收利用，流失的化肥會隨土壤水分向下滲透，被轉(zhuǎn)移到植物根系以下或沖入江河湖泊，造成污染。磷礦石中含有鎘、鉛等雜質(zhì)，也會造成土壤污染。 農(nóng)藥也會造成土壤污染。目前農(nóng)藥污染主要是有機氯、有機磷和有機氮農(nóng)藥。有機氮農(nóng)藥在土壤中殘留時間不長，但有些有致癌、致畸作用。有機磷農(nóng)藥容易降解。農(nóng)藥污染危害人體健康，主要是通過食用含有農(nóng)藥的動、植物食品造成的。此外，大氣沉降物、牲畜排泄物、生物殘體也是土壤的重要污染源。 土壤污染的防治要與綜合利用相結(jié)合，目前主要有以下一些方法。 工礦企業(yè)固體廢棄物中含有各種資源，主要利用途徑為： （1）利用礦物廢料作建筑材料、道路工程材料、填墊材料及冶金、化工、輕工等工業(yè)原料。 （2）利用含碳、油類或其他有機物質(zhì)的廢物，從中回收燃料。 （3）利用含有土壤、植物所需元素的廢物，作土壤改良劑和肥料。 由于城市規(guī)模不斷擴大，人口迅速向城市集中，使得垃圾排出的數(shù)量劇增。城市垃圾成分主要有煤灰、建筑渣土、果皮、菜葉、紙張、塑料、金屬、玻璃等。處理城市垃圾，應(yīng)首先回收其中可利用的廢舊物資，如廢紙、廢金屬、舊織物、玻璃等，然后再進行以下處理： （1）垃圾填埋? 利用坑洼地填埋垃圾，是一種既可處置廢棄物又可復(fù)土造地的保護環(huán)境措施。但應(yīng)防止垃圾液滲出對土壤、水源的污染。 （2）垃圾焚化? 垃圾在現(xiàn)代焚化爐內(nèi)燃燒后，剩余物的體積比原體積大大縮小，便于填埋。同時消滅了各種病原體，把一些有毒、有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。通過燃燒還可以回收熱能，可供熱水和發(fā)電等。 （3）垃圾壓縮處理? 垃圾經(jīng)壓縮可以減小體積，便于運輸和填埋。近年來，日本采用高壓壓縮垃圾，制成垃圾塊，用作填海造地材料。 防止土壤污染還應(yīng)包括土壤保護、植樹造林等生物措施以及對已污染土壤的治理等。 18.水污染及防治 水的污染有兩類。一類是自然因素造成的，如地下水流動把地層中某些礦物溶解，使某些地區(qū)水中鹽分、某些元素含量偏高或因動植物腐爛產(chǎn)生的毒物而影響了當?shù)氐乃|(zhì)等。另一類是人為因素造成的，主要是工業(yè)排放的廢水。此外，還包括生活污水、農(nóng)田排水、降雨淋洗大氣中的污染物以及堆積在大地上的垃圾經(jīng)降雨淋洗流入水體的污染物。 水體污染物種類繁多，依據(jù)污染物質(zhì)所造成的環(huán)境問題，主要有以下類型： （1）酸、堿、鹽等無機物污染及危害 水體中酸、堿、鹽等無機物的污染，主要來自冶金、化學(xué)纖維、造紙、印染、煉油、農(nóng)藥等工業(yè)廢水及酸雨。水體的pH小于6.5或大于8.5時，都會使水生生物受到不良影響，嚴重時造成魚蝦絕跡。水體含鹽量增高，影響工農(nóng)業(yè)及生活用水的水質(zhì)，用其灌溉農(nóng)田會使土地鹽堿化。 （2）重金屬污染及危害 污染水體的重金屬有汞、鎘、鉛、鉻、釩、鈷、鋇等。其中汞的毒性最大，鎘、鉛、鉻也有較大危害，砷由于毒性與重金屬相似，經(jīng)常與重金屬列在一起。重金屬在工廠、礦山生產(chǎn)過程中隨廢水排出，進入水體后不能被微生物降解，經(jīng)食物鏈的富集作用，能逐級在較高級生物體內(nèi)千百倍地增加含量，最終進入人體。例如，20世紀50年代發(fā)生在日本的水俁（音yǔ）病，就是因水俁市一家化工廠排出的廢水中含有甲基汞，廢水排入港灣，經(jīng)食物鏈富集到魚、貝體中，人吃了魚、貝而中毒。水俁病患者語言不清，走路不穩(wěn)，四肢麻木，嚴重的眼睛失明，吞咽困難，甚至死亡。 （3）耗氧物質(zhì)污染及危害 生活污水、食品加工和造紙等工業(yè)廢水，含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂、木質(zhì)素等有機物質(zhì)。這些物質(zhì)懸浮或溶解于污水中，經(jīng)微生物的生物化學(xué)作用而分解。在分解過程中要消耗氧氣，因而被稱為耗氧污染物。這類污染物造成水中溶解氧減少，影響魚類和其他水生生物的生長。水中溶解氧耗盡后，有機物將進行厭氧分解，產(chǎn)生H2S、NH3和一些有難聞氣味的有機物，使水質(zhì)進一步惡化。 （4）植物營養(yǎng)物質(zhì)污染及危害 生活污水和某些工業(yè)廢水中，經(jīng)常含有一定量的氮和磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)；施用磷肥、氮肥的農(nóng)田水中，常含有磷和氮；含洗滌劑的污水中也有不少的磷。水體中過量的磷和氮，成為水中微生物和藻類的營養(yǎng)，使得藍綠藻和紅藻迅速生長，它們的繁殖、生長、腐敗，引起水中氧氣大量減少，導(dǎo)致魚蝦等水生生物死亡，使水質(zhì)惡化。這種由于水體中植物營養(yǎng)物質(zhì)過多蓄積而引起的污染，叫做水體的“富營養(yǎng)化”。這種現(xiàn)象在海灣出現(xiàn)叫做“赤潮”。我國南方的一些湖泊已經(jīng)出現(xiàn)了富營養(yǎng)化的趨勢。 合成洗滌劑由表面活性劑、增凈劑等組成。表面活性劑在環(huán)境中存留時間較長，消耗水體中的溶解氧，對水生生物有毒性，能造成魚類畸形。增凈劑如磷酸鹽，可使水體富營養(yǎng)化。洗滌劑污水有大量泡沫，給污水處理廠的運轉(zhuǎn)帶來困難。 （5）石油污染及危害 在石油的開采、貯運、煉制及使用過程中，由于原油和各種石油制品進入環(huán)境而造成污染。當前，石油對海洋的污染，已成為世界性的嚴重問題。近年來，一般每年排入海洋的石油及其制品高達1 000萬噸左右。 石油污染會帶來嚴重后果。因為石油的各種成分都有一定毒性，同時它還會破壞生物的正常生活環(huán)境，造成生物機能障礙。石油在海水中形成油膜，影響海洋綠色植物的光合作用，使海獸、海鳥失去游泳和飛行的能力。黏度大的石油能堵塞水生動物的呼吸和進水系統(tǒng)，使之窒息死亡。石油污染還會破壞海濱風(fēng)景區(qū)和海濱浴場。 （6）難降解有機物污染及危害 隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)出很多自然界沒有的、難分解和有毒的有機化合物。污染水體的主要是有機氯農(nóng)藥、多環(huán)有機化合物、有機氮化合物、有機重金屬化合物、合成洗滌劑等。 此外，對水體造成污染的還有氰化物、酚等無機、有機污染物。其他類型的還有病原體污染、放射性污染、懸浮固體物污染、熱污染等。 19.大氣污染的危害 人必須依靠呼吸新鮮空氣來維持生命，一個成年人，平均每天呼吸20 000次，平均吸入15 kg空氣，其質(zhì)量大約相當于每天所需食物及飲水質(zhì)量的10倍。有報道指出，人可以幾天不喝水，不吃東西，但不能幾分鐘不呼吸。 大氣污染物主要通過呼吸道進入人體，也有少量通過接觸和刺激體表進入人體。人體吸入的空氣經(jīng)過鼻腔、咽部、喉頭、氣管、支氣管后進入肺泡，并在肺泡上進行氣體交換。當血液通過肺泡毛細管時，放出二氧化碳，吸收氧氣。含氧的血液被輸送到人體各部分，供人體組織和細胞新陳代謝用。如果生活在煙霧迷漫的環(huán)境中，空氣中的有毒、有害污染物就會溶于體液或沉積在肺泡上，輕者會使上呼吸道受到刺激而有不適感，重者會引起疾病，使呼吸道和肺功能損害，引起病變。 大氣污染對人體健康的危害大致可分為急性中毒、慢性中毒和致畸致癌作用等三種。 急性中毒發(fā)生在某些特殊條件下。例如，工廠在生產(chǎn)過程中發(fā)生事故，造成大量有害氣體泄漏；外界氣候條件突然變化等，都會引起人群的急性中毒。例如，震驚世界的倫敦?zé)熿F事件、美國聯(lián)合碳化物公司印度博帕爾市農(nóng)藥廠劇毒氣體泄漏事件等。 慢性中毒主要表現(xiàn)在人體長期連續(xù)地吸入低濃度的污染物導(dǎo)致患病率上升。二氧化硫、飄塵、氮氧化物等即使?jié)舛群艿鸵材艽碳ず粑到y(tǒng)，誘發(fā)呼吸道的各種炎癥。日本“四日市哮喘病”是慢性中毒的典型例子。 致畸致癌作用指的是隨著空氣污染的加劇，空氣中致畸致癌物質(zhì)的含量日益增多，造成嬰兒畸形和癌癥的發(fā)病率增高。城市中肺癌發(fā)病率、死亡率往往高于農(nóng)村，就是一個典型的例子。 除硫氧化物、氮氧化物、飄塵等對人體健康有很大危害外，氟化物、有毒重金屬如鉛、鎘、鋅、鈦、錳、釩、鋇、汞等，以及砷等，都可能引起人體慢性中毒，有的可引起癌癥。 20.酸雨及其危害 目前，一般把pH小于5.6的雨水稱為酸雨，它包括雨、雪、霧、雹等降水過程。 一般地說，天然降水都偏酸性，pH約在6左右。這是由于大氣中的CO2溶解在潔凈的雨水里形成碳酸的緣故，降水的微弱酸性可以促進土壤里養(yǎng)分的溶解，便于植物吸收，因此是有益的。但是，當降水的酸度增大，pH小于5.6時，對生態(tài)就會產(chǎn)生不良影響。 酸雨的危害大致有以下幾個方面： （1）對人體健康的直接危害，硫酸霧和硫酸鹽霧的毒性比二氧化硫大得多，可以侵入肺的深部組織，引起肺水腫等疾病而使人致死。 （2）引起河流、湖泊的水體酸化，嚴重影響水生動植物的生長。 （3）破壞土壤、植被、森林。 （4）腐蝕金屬、油漆、皮革、紡織品及建筑材料等。 （5）滲入地下，可能引起地下水酸化，酸化的水中鋁、銅、鋅、鎘的含量比中性地下水中高很多倍。 酸雨是怎樣形成的呢？ 分析表明，酸雨中的酸度主要是由硫酸和硝酸造成的，它們占總酸度的90%以上，其余為一些弱酸。從我國的情況來看，酸雨中含硫酸一般比硝酸多，主要是硫酸型酸雨。酸雨的形成是一種復(fù)雜的大氣化學(xué)和大氣物理過程，目前世界各國對酸雨的形成機理還不很清楚。一般認為，酸雨是由于人為排放的二氧化硫等酸性氣體進入大氣后，造成局部地區(qū)大氣中的二氧化硫富集，在水凝結(jié)過程中溶解于水形成亞硫酸，然后經(jīng)某些污染物的催化作用及氧化劑的氧化作用生成硫酸，隨雨水降下形成酸雨。形成酸雨還要有一定的環(huán)境氣候條件，如濕度高、雨量大、無風(fēng)，以及一定的地理因素等。 煤和石油中往往含有硫，在燃燒時，絕大部分硫轉(zhuǎn)變成二氧化硫隨煙氣排到空中，在一定條件下形成酸雨。 我國的酸雨問題有以下特點： （1）酸雨分布面廣，據(jù)23個省、市、自治區(qū)調(diào)查情況表明，有20個出現(xiàn)酸雨。 （2）酸雨分布存在著明顯的區(qū)域性，主要集中在西南、中南和華東地區(qū)，并且有從北到南逐漸加重的趨勢。 （3）不少地區(qū)的酸雨已相當嚴重，而且逐年加重。 （4）酸雨的發(fā)展速度很快。 （5）酸雨主要是由硫酸及硫酸鹽引起的。 如何防治酸雨呢？ 要防治酸雨的污染，最根本的途徑是減少人為的污染物排放。人為排放的二氧化硫主要是由于燃燒高硫煤（煤中一般含硫的質(zhì)量分數(shù)為0.3%～5%）造成的，因此，研究煤炭中硫資源的綜合開發(fā)與利用，是防治酸雨的有效途徑。具體做法是大力進行煤炭洗選加工，綜合開發(fā)煤、硫資源；對于高硫煤和低硫煤實行分產(chǎn)分運，合理使用；在煤炭燃燒過程中，采取排煙脫硫技術(shù)，回收二氧化硫，生產(chǎn)硫酸；發(fā)展脫硫煤、成型煤供民用；有計劃地進行城市煤氣化等。 21.綠色化學(xué) （1）綠色化學(xué)的含義 綠色化學(xué)（Green Chemistry）又稱環(huán)境無害化學(xué)（Environmentally Benign Chemistry）、環(huán)境友好化學(xué)（Environmentally Friendly Chemistry）、清潔化學(xué)（Clean Chemistry）。 20世紀90年代初，化學(xué)家提出與傳統(tǒng)的“治理污染”觀念不同的“綠色化學(xué)”的觀念，它要求任何一個化學(xué)有關(guān)的活動（包括化學(xué)原料的使用、化學(xué)和化學(xué)工程以及最終產(chǎn)品）對人類的健康和環(huán)境都應(yīng)該是友好的。綠色化學(xué)的理想在于不再使用有毒、有害的物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物。從科學(xué)觀點看，綠色化學(xué)是化學(xué)科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容的更新；從環(huán)境觀點看，它強調(diào)從源頭上消除污染；從經(jīng)濟觀點看，它提倡合理利用資源和能源，降低生產(chǎn)成本，這是符合可持續(xù)發(fā)展要求的。 綠色化學(xué)的基本原則： ①防治污染的產(chǎn)生優(yōu)于治理產(chǎn)生的污染； ②原子經(jīng)濟性（設(shè)計的合成方法應(yīng)將反應(yīng)過程中所用的材料，盡可能全部地轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)品中）； ③只要可行，應(yīng)盡量采用對人類和環(huán)境低毒或無毒的合成路線； ④設(shè)計的化學(xué)品應(yīng)能保留其功效，降低其毒性； ⑤應(yīng)盡可能避免使用輔助物質(zhì)（如溶劑、分離試劑等），如使用也應(yīng)是無毒的； ⑥應(yīng)考慮到能源消耗對環(huán)境和經(jīng)濟的影響，并應(yīng)盡量少地使用能源（在常溫、常壓下進行）； ⑦只要技術(shù)和經(jīng)濟上可行，原料應(yīng)是可再生的，而不是即將耗竭的； ⑧盡量避免不必要的衍生步驟（阻斷基團、保護和脫保護等）； ⑨催化劑（盡可能好的選擇性）優(yōu)于化學(xué)計量性試劑； ⑩化工產(chǎn)品在完成其使命后，應(yīng)能降解為無害的物質(zhì)，而不應(yīng)殘留在環(huán)境中； 應(yīng)進一步發(fā)展分析方法，使有害物質(zhì)在生成前能夠進行即時在線跟蹤和控制； 在化學(xué)轉(zhuǎn)換過程中，所選用的物質(zhì)和物質(zhì)的形態(tài)盡可能地降低發(fā)生化學(xué)事故的可能性（包括泄漏、爆炸、火災(zāi)等）。 上述12項綠色化學(xué)的原則，反映了近年來在綠色化學(xué)領(lǐng)域中所開展的多方面的研究工作內(nèi)容，也指明了未來發(fā)展綠色化學(xué)的方向，目前逐漸為國際化學(xué)界所接受。 化學(xué)反應(yīng)的“原子經(jīng)濟性”（Atom economy）概念是綠色化學(xué)的核心內(nèi)容之一，最早由美國斯坦福大學(xué)的B.M.Trost教授提出，他針對傳統(tǒng)上一般僅用經(jīng)濟性來衡量化學(xué)工藝是否可行的做法，明確指出應(yīng)該用一種新的標準來評估化學(xué)工藝過程，即選擇性和原子經(jīng)濟性，原子經(jīng)濟性考慮的是在化學(xué)反應(yīng)中究竟有多少原料的原子進入到了產(chǎn)品之中，這一標準既要求盡可能地節(jié)約不可再生資源，又要求最大限度地減少廢棄物排放。理想的原子經(jīng)濟反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢物，實現(xiàn)廢物的“零排放”（Zero emission）?！霸咏?jīng)濟性”的概念目前也被普遍承認。B.M.Trost獲得xx年美國“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”的學(xué)術(shù)獎。 （2）綠色化學(xué)在行動 綠色化學(xué)作為未來化學(xué)工業(yè)發(fā)展的方向和基礎(chǔ)，越來越受到各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。例如，1995年在美國設(shè)立了“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”，旨在獎勵在創(chuàng)造性研究、開發(fā)和應(yīng)用綠色化學(xué)基本原理方面取得杰出成就的個人、集體或組織。它共包括5個獎項：學(xué)術(shù)獎、中小企業(yè)獎、新合成路線獎、新工藝獎和安全化學(xué)品設(shè)計獎。 在xx年出版的《綠色化學(xué)的理論與實踐》一書是綠色化學(xué)的經(jīng)典之作，其中詳細闡述了綠色化學(xué)的定義、原則、評估方法及發(fā)展趨勢。由英國皇家化學(xué)會主辦的國際性雜志《綠色化學(xué)》于xx年創(chuàng)刊，其內(nèi)容涉及清潔化工生產(chǎn)技術(shù)的多方面研究成果、綜述和其他信息，并涵蓋了國際上通過化學(xué)品的應(yīng)用或加工來減輕對環(huán)境影響的學(xué)術(shù)研究活動。 沿著一些美國綠色化學(xué)獎的頒獎軌跡，我們可以看出目前綠色化學(xué)工藝與技術(shù)研究的主要成果和趨勢： ①開發(fā)“原子經(jīng)濟性”反應(yīng) 近年來，開發(fā)原子經(jīng)濟性反應(yīng)已成為綠色化學(xué)研究的熱點之一。例如，環(huán)氧丙烷是生產(chǎn)聚氨酯塑料的重要原料，傳統(tǒng)上主要采用二步反應(yīng)的氯醇法，不僅使用可能帶來危險的氯氣，而且還產(chǎn)生大量污染環(huán)境的含氯化鈣廢水，國內(nèi)外均在開發(fā)催化氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的原子經(jīng)濟反應(yīng)新方法。再如，EniChem公司采用鈦硅分子篩催化劑，將環(huán)己酮、氨、過氧化氫反應(yīng)，可直接合成環(huán)己酮肟。對于已在工業(yè)上應(yīng)用的原子經(jīng)濟反應(yīng)，也還需要從環(huán)境保護和技術(shù)經(jīng)濟等方面繼續(xù)研究和改進。實現(xiàn)反應(yīng)的高原子經(jīng)濟性，就要通過開發(fā)新的反應(yīng)途徑、用催化反應(yīng)代替化學(xué)計量反應(yīng)等手段，1997年的新合成路線獎的獲得者BCH公司的工作即是一個很好的例證。該公司開發(fā)了一種合成布洛芬的新工藝（布洛芬是一種廣泛使用的非類固醇類的鎮(zhèn)靜、止痛藥物），傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝包括6步化學(xué)計量反應(yīng)，原子的有效利用率低于40%，新工藝采用3步催化反應(yīng)，原子的有效利用率達80%，如果再考慮副產(chǎn)物乙酸的回收利用，則原子利用率達到99%。 ②采用無毒、無害的原料 為了人類健康和環(huán)境安全，需要用無毒無害的原料代替有毒有害的原料生產(chǎn)所需的化工產(chǎn)品。例如，Monsanto公司以無毒無害的二乙醇胺為原料，經(jīng)過催化脫氫，開發(fā)了安全生產(chǎn)氨基二乙酸鈉的工藝，改變了過去的以氨、甲醛和氫氰酸為原料的二步合成路線，并因此獲得了1996年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎中的新合成路線獎。另外，國外還開發(fā)了由異丁烯生產(chǎn)甲基丙烯酸甲酯的新合成路線，取代了以丙酮和氫氰酸為原料的丙酮氰醇法。 ③采用無毒、無害的催化劑 目前烴類的烷基化反應(yīng)一般使用氫氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸性催化劑，這些催化劑的共同缺點，是對設(shè)備的嚴重腐蝕、對人身的危害和產(chǎn)生廢渣、污染環(huán)境等。目前，國內(nèi)外正從分子篩、雜多酸、超強酸等新催化材料中大力開發(fā)烷基化的固體酸催化劑。例如，異丁烷與丁烯的烷基化是煉油工業(yè)中提供高辛烷值組分的一項重要工藝，目前主要使用氫氟酸或硫酸為催化劑，有些公司開發(fā)了一種負載型磺酸鹽/SiO2催化劑和固體酸催化的異丁烷/丁烯烷基化新工藝。 ④采用無毒、無害的溶劑、助劑 大量與化工生產(chǎn)相關(guān)的污染問題，不僅來源于原料和產(chǎn)品，而且來源于制造過程中使用的物質(zhì)，最常見的是反應(yīng)介質(zhì)、配方和分離中所用的溶劑。當前廣泛使用的溶劑是揮發(fā)性有機化合物，使用過程中有的會破壞臭氧層，有的會危害人體健康，因此，需要限制這類溶劑的使用。采用無毒無害的溶劑代替揮發(fā)性有機化合物溶劑已成為綠色化學(xué)的重要研究方向。目前，最活躍的研究項目是開發(fā)超臨界流體，特別是超臨界二氧化碳作溶劑。1997年的學(xué)術(shù)獎授予North Carolina大學(xué)的J.M.DeSimone教授，獎勵他設(shè)計了一類表面活性劑，這種表面活性劑是親二氧化碳的物質(zhì)，可以產(chǎn)生親二氧化碳和親溶質(zhì)的兩性作用，從而使得二氧化碳可廣泛地作為溶劑使用以代替含鹵素的常規(guī)有機溶劑。 除采用超臨界溶劑外，還有研究水或近臨界水作為溶劑以及有機溶劑/水相界面反應(yīng)。以水為介質(zhì)的有機合成反應(yīng)是環(huán)境友好合成反應(yīng)的一個重要組成部分，水相中的有機反應(yīng)，操作簡便、安全，沒有有機溶劑的易燃、易爆等問題，資源豐富、成本低、無污染。雖然水是潛在的環(huán)境友好的反應(yīng)介質(zhì)，但以水為介質(zhì)必然引出許多新問題，如有機底物在水中的疏水作用，反應(yīng)底物和試劑在水中的穩(wěn)定性，水中大量存在的氫鍵對反應(yīng)的影響，有可能改變反應(yīng)的機理等，因此，水相有機合成反應(yīng)的研究成為有機合成