化学与环境问题

化学与环境问题

生活在21世纪的人们，在享受到了比以前皇帝还要舒适便捷的生活的同时，也被迫承担了相应的代价。我们能够在一天内到达几千公里以外，也能随时随地与另一块大陆上的人们实时通讯。我们能在中午的四川吃到广州今天早上刚捞上岸的海鲜，晚上可以在明亮的灯光下读书玩耍。种地不再像过去那么困难，人们不需要自己下田一只只的捉虫……但与此同时，我们不得不用各种证据说服我们入口的食物没有所谓的添加剂，戴着口罩在满是雾霾的城市里奔波，我们不能再随时随地的在小溪池塘里舀水喝……我们和环境不断的相互影响和作用，由此产生了环境问题。

到今天为止，世界上共产生了十大主要的环境问题：

1气候变暖

2臭氧层破坏

3生物多样性减少

4酸雨蔓延

5森林锐减

6土地荒漠化

7大气污染

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8水体污染

9海洋污染

10固体废物污染

而在这其中与化学直接相关的就有6个环境问题（2,4，7,8,9,10），而剩下四个则与化学间接相关（1,3,5,6）。

2臭氧层破坏：

a) 臭氧和臭氧层

臭氧（O3）分子是由3个氧原子通过电子吸引结合形成的。这种电价键比氧气中的共价键弱得多，使得臭氧比氧气更具活性。高空中的氧气在紫外光的作用下从普通的氧气构型转变成了臭氧。高空平流层中的氧分子吸收波长为180~240nm的紫外光后解离：

O2+紫外线→O+O

自由氧原子加入一分子氧气形成臭氧：

O+O2→O3

地面上，当阳光作用于化石燃料污染物如氮的氧化物（NOx），形成光化学烟雾后，可生成臭氧。少量臭氧可在低空对流层分解，但更多臭氧在波长为200~320nm的紫外辐射下进行光化学反应，解离为氧气：O3+紫外线→O2+O

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但是氧原子结合臭氧分子的一个氧原子形成了两分子氧气：

O+O3→O2+O2

大气中约90%臭氧分布在距地表20~30km处的大气平流层中，这一气层称为臭氧层。臭氧层在保护生态环境方面起着十分重要的作用，这可从两方面体现：一方面臭氧层吸收太阳紫外辐射把电磁能变为热能，使平流层大气因吸收太阳短波辐射而增温，使我们行星上的生命得以持续下去。此外由于臭氧层有强烈吸收太阳紫外辐射功能，特别是有效吸收对人类健康有害的UV-B（波长为290~315nm）段紫外线，使地球生命免受伤害。与此同时，让对地球生命无害的紫外线和可见光等太阳辐射通过，支持各种生物生长，构成食物链的基础。同时，透过的少量紫外线可起到杀菌治病的作用。

b) 臭氧层破坏造成的影响

一般认为臭氧层大量损耗后，吸收紫外辐射能力大大减弱，到达地球表面的紫外辐射也会变化。臭氧层形成之前，生物能在水中生活，因为水能反射紫外线，陆地生物不可能出现，因为DNA吸收紫外线，尤其是波长在280~320nm之间。紫外辐射中断DNA复制，致使繁殖失败和死亡。因此，臭氧层的完整是陆生生物存在的先决条件。紫外辐射的相对少量增加会使DNA复制过程中发生突变的几率增加，从而导致癌变，引起皮肤癌等癌症。紫外线同样对光合作用系统有极大破坏，会减少初级生产力，从而影响整个生态系统。近二十年的研究表明，地球大气平流层中的臭氧体积分数正在减少。国际臭氧趋势观察小组提供的1978~1987年高空飞行观测数据显示，南纬39~60°臭氧减少5%~10%，北纬40~64°减少1.2%~1.4%，20世纪80年代中期观测还发现南极上空每到春季（9~11月）臭氧层极薄，与周围相比像是形成一个“洞”，直径达上千公里，形成“臭氧空洞”。而平流层中臭氧减少1%，到达地球表面的紫外线辐射量将增加2%。据现行臭氧层破坏速

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度推算，到2075年，臭氧将比1985年减少40%，全球皮肤癌患者将达1.5亿，农作物产量将减少7.5%，水产品将损失25%，人体免疫功能也将减退。

c) 破坏臭氧层的物质

臭氧层缺损来源于人类活动，多数科学家认为，人类过多使用氟氯碳类物质是臭氧层破坏的一个主要原因。人工合成的含氯和含溴的物质破坏臭氧层，被称之为破坏臭氧层物质（ODS）。典型的是氟氯化碳（CFCs）及哈龙（Halon）。含氯氟烃（CFCs）作为超制冷剂、烟雾剂、杀虫剂被广泛应用。研究表明含氯氟烃能上升到平流层降解臭氧。CFCs在紫外线照射下分子键结合改变，使得一个氯原子松散的连接在分子上。这种活化的CFCs遇到一个臭氧分子，一个氯原子能脱离下来，从臭氧分子中夺取一个氧原子。

Cl-+O3=ClO+O2

形成的氧化氯活性仍然很大，当它遇到另一个臭氧分子时，会夺取臭氧分子中的一个氧原子：

ClO+O3=ClO2+O2

二氧化氯在紫外线作用下裂解成一个自由氯原子和一个氧分子。

ClO2+紫外线=Cl-+O2

据统计，按这种方式，一个氯分子能裂解100 000个臭氧分子。

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目前，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》规定了95种受控物质。除氟氯化碳和哈龙，还包括：

四氯化碳 作为一种清洗剂，在大气中经过42年才会分解甲基氯仿 1，1，1-三氯乙烷，一种清洗剂，需要5.4年时间才能分解氟溴烃 HBFCs，虽不被广泛应用，但是为了防止其新用途，也被列入《议定书》受控物质中含氢氟氯烃 HCFCs，作为CFCs的第一种主要替代品开发出来。虽然比CFCs对臭氧破坏要小得多，但仍对臭氧造成一定的破坏，可在大气中存活1.4至19.5年。甲基溴 CH3Br，被用于高经济附加值的农作物的熏蒸剂和杀虫剂，农业口商品的检疫处理，全世界年度总消费量约为70 000t，大部分应用于工业化国家。

4酸雨蔓延

a)酸雨的主要成分

酸雨是指PH 值小于5.6 的雨水、冻雨、雪、雹、露等大气降水。

b) 酸雨形成的主要原因

酸雨主要是人为地向大气中排放大量的酸性物质造成的。我国的酸雨主要是因大量燃烧含硫量高的煤而形成的，此外，各种机动车排放的尾气也是形成酸雨的重要原因 。酸雨形成的主要原因其实还是得归结于我们人类对自然的不断利用，不断开发，工业生产、民用生活燃烧煤炭排放出来的二氧化硫，燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氮氧化物，也排放酸性气体NOx。它们在高空中为雨雪冲刷，与水结合形成了PH值小于7的液体，形成了酸雨。

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c) 酸雨形成的化学公式

N2+O2在雷电的作用下生成NO4NO+302+2H2O=4HNO3

酸雨多成于化石燃料的燃烧

S→H2SO4 S+O2（点燃）→SO2

SO2+H2O→H2SO3（亚硫酸）

2H2SO3+O2→2H2SO4（硫酸）

（也可以被认为是SO2先被氧化为SO3，SO3再与水反应生H2SO4）

总的化学反应方程式：

S+O2（点燃）＝SO2,2SO2+2H2O+O2＝2H2SO4

氮的氧化物溶于水形成酸：

NO→HNO3（硝酸）

2NO+O2＝2NO2,3NO2+H2O=2HNO3+NO

总的化学反应方程式：

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4NO+2H2O+3O2＝4HNO3

NO2→HNO3

总的化学反应方程式：

4NO2+2H2O+O2→4HNO3

8水体污染

a) 水污染

由有害化学物质造成水的使用价值降低或丧失，污染环境。污水中的酸、碱、氧化剂，以及铜、镉、汞、砷等化合物，苯、二氯乙烷、乙二醇等有机毒物，会毒死水生生物，影响饮用水源、风景区景观。污水中的有机物被微生物分解时消耗水中的氧，影响水生生物的生命，水中溶解氧耗尽后，有机物进行厌氧分解，产生硫化氢、硫醇等难闻气体，使水质进一步恶化。

b) 分类方法

废水从不同角度有不同的分类方法。据不同来源分为生活废水和工业废水两大类；据污染物的化学类别又可分无机废水与有机废水；也有按工业部门或产生废水的生产工艺分类的，如焦化废水、冶金废水、制药废水、食品废水等

污染物主要有：（1）未经处理而排放的工业废水；（2）未经处理而排放的生活污水；（3）

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大量使用化肥、农药、除草剂而造成的农田污水；（4）堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；（5）森林砍伐，水土流失；（6）因过度开采，产生矿山污水。

c) 案例

水俣病：1956年日本熊本县水俣镇一家氮肥公司排放的废水中含有汞，这些废水排入海湾后经过某些生物的转化，形成甲基汞。这些汞在海水、底泥和鱼类中富集，又经过食物链使人中毒。 当时，最先发病的是爱吃鱼的猫。中毒后的猫发疯痉挛，纷纷跳海自杀。没有几年，水俣地区连猫的踪影都不见了。1956年，出现了与猫的症状相似的病人。因为开始病因不清，所以用当地地名命名。1991年，日本环境厅公布的中毒病人仍有2248人，其中1004人死亡。

由此可见，化学正在被与各色各样的环境问题联系在一起。化学的发展在不断促进人类进步的同时，在客观上使环境污染成为可能，但是起决定性的是人的因素，最终要靠人们的认识不断提升来解决这个问题。一些著名的环境事件多数与化学有关，诸如臭氧层空洞、白色污染、酸雨和水体富营养化等；另一方面把所有的环境问题都归结为化学的原因，显然是不公平的，比如森林锐减、沙尘暴和煤的燃烧等。这当然与化学没有树立好自己的品牌有关系，在最早的化学工艺流程里面，根本没有把废气和废渣的处理纳入考虑范围，因此很多化学工艺都是会带来环境污染的。现在，有些人把化学和化工当成了污染源。人们开始厌恶化学，进而对化学产生了莫名其妙的恐惧心理，结果造成凡是有“人工添加剂”的食品都不受欢迎，有些化妆品厂家也反复强调本产品不含有任何“化学物质”。事实上，这些是对化学的偏见，监测、分析和治理环境的却恰恰是化学家。

绿色化学是应对挑战的必然：科学不但要认识世界和改造世界，还要保护世界。化学也如此，为了应对化学所面临的挑战，提倡绿色化学是刻不容缓。

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绿色化学的概念：绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学或清洁化学，是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则,即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子，在始端就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放和零污染，是一门从源头阻止污染的化学。绿色化学不同于环境保护，绿色化学不是被动地治理环境污染，而是主动的防止化学污染，从而在根本上切断污染源，所以绿色化学是更高层次的环境友好化学。

绿色化学的核心内容：原子经济性是绿色化学的核心内容，这一概念最早是1991年美国Stanford大学的著名有机化学家Trost（为此他曾获得了1998年度的“总统绿色化学挑战奖”的学术奖）提出的，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。他用原子利用率衡量反应的原子经济性，认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中。绿色化学的原子经济性的反应有两个显著优点：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地减少了废物的排放。原子利用率的表达式是：

原子利用率= （预期产物的式量/反应物质的式量之和）×100%

如无公害氧化剂过氧化氢的制备可采用乙基蒽醌法，即由氢和氧在2-乙基蒽醌和Pd为催化剂作用下直接合成，2-乙基蒽醌复出并可循环使用。此反应原子利用率为100%，体现了原子经济性，减少废物的生成和排放,是典型的零排放例子。

解决环境问题并不仅仅依靠国家人民的自觉性，更多还是应该从源头上解决问题。化学造成的问题最后还是要回到化学上来解决。

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