化学 专题四 专题讲座四 环境保护与绿色化学学案
专题讲座四 环境保护与绿色化学
[考纲要求] 1.了解氮氧化物、二氧化硫等污染物的来源、性质和危害，体会化学对环境保护的重要意义。2.了解化工生产过程中产生的"三废"对环境的危害，树立绿色化学的观念。3.原子经济性的概念和原子利用率的计算。
一、环境污染及其防治
1．环境污染
与化学相关的环境污染问题主要包括如下几个方面。一是大气污染问题：是指由空气中的颗粒物、硫的氧化物(SO2、SO3)、氮的氧化物(NO、NO2等)、CO、碳氢化合物、氟氯代烷等造成的污染(其中SO2、NOx主要来源于化石类燃料的大量使用)。大气污染的具体表现主要有：形成酸雨、酸雾；臭氧层空洞；光化学烟雾；室内空气污染(指家用燃料的燃烧、烹调、吸烟产生的CO、CO2、NO、NO2、SO2等，各种建筑材料和装饰材料释放出的甲醛、苯等有机物造成的污染等，其中CO与血红蛋白作用会使血液失去输氧能力，导致CO中毒)。二是水体污染：是指过量有害物质进入水中造成的污染。导致水体污染的物质主要有两大类，一类是重金属污染，如重金属Hg、Cd、Pb、Cr等进入水中形成的污染，这些重金属主要来自于化工、冶金、电子、电镀等排放的工业废水。另一类是植物营养物质污染：水中高浓度的N、P等植物营养物质，导致水体富营养化而形成的污染。它主要是由进入水中腐烂的含蛋白质的物质、含磷洗涤剂及大量使用磷肥造成的。三是固体废弃物造成的污染：主要是指生活垃圾、工业废料随意堆放造成的污染，目前最引人注意的是由塑料制品造成的白色污染及废旧电池造成的重金属污染。垃圾污染范围广泛，对环境及生物的不良影响途径多样。
思考：当今环境污染存在以下几方面问题：(用物质化学式或元素名称填写相关原因)
(1)酸雨--形成原因主要是SO2和氮氧化合物。
(2)光化学烟雾--主要是氮氧化合物、碳氢化合物造成的。
(3)臭氧空洞--主要是氟氯代烷、氮氧化合物等的排放引起的。
(4)温室效应--主要是由于大气中CO2等的含量的不断增加造成的。
(5)白色污染--聚乙烯等难降解塑料的大量使用。
(6)赤潮--含磷洗衣粉的大量使用，工、农业及城市生活污水的任意排放。
2．环境保护的措施
(1)工业废气携带颗粒物的回收利用。
(2)工业、生活污水经处理达标后排放，限制使用含磷洗涤剂。
(3)回收、限制难降解塑料，研制可降解塑料。
【例1】 环境问题及解决措施
Ⅰ.臭氧层空洞
大气平流层中O2吸收紫外线可变成臭氧(O3)，而冰箱中的制冷剂氟里昂在紫外线作用下分解出氯原子，氯原子能加速臭氧的分解，从而破坏平流层中的臭氧层。同样超音速飞机的尾气及发动机尾气中的NO也能加快O3的分解，反应式如下：NO＋O3===NO2＋2O；NO2＋O===NO＋O2。请你写出总的反应式： ______________；其中NO的作用是______________和____________。
解析 通过化学反应方程式的加和可以得到总的反应式：O3NO(NO化)O2＋O。通过第一个反应式可知NO作还原剂，由总反应式可知NO作催化剂。
答案 O3NO(NO剂)O2＋O 还原剂 催化剂
Ⅱ. 水源污染(富营养化)
(1)工、农业及城市生活污水中含磷。家用洗涤剂是污水中磷的一个重要来源(洗涤剂中含有磷酸钠)。关于处理污水时要不要除去磷的说法正确的是 ( )
A．磷是生物所需的营养元素，不必除去
B．含磷的污水是很好的肥料，不必除去
C．含磷污水排到自然水中引起藻类增殖，使水变质，必须除去
D．磷对人无毒，除去与否都无关紧要
解析 含磷的污水是水污染的重要来源之一，这种富含营养元素(N、P等)的污水排入自然水中，会使水中微生物和藻类大量繁殖、生成、腐败，从而使水中的溶解氧大量减少，引起水中生物死亡、水质恶化，降低了水的使用价值。
答案 C
(2)赤潮
我国沿海出现了大面积赤潮，赤潮是红藻、蓝藻等在较短时间内大量繁殖形成的，它造成的严重后果是____________________。赤潮是水体富营养化的结果，主要是因为__________________等，使水中含有大量的______________元素对应的离子。为了防止水污染，我国许多地区已经对洗衣粉的成分加以限制，不得再销售含有____________(从下述选项中选)的洗衣粉。
A．硅酸钠 B．烷基苯磺酸钠
C．三聚磷酸钠 D．蛋白质
答案 藻类消耗水中的溶解氧，造成水质恶化和鱼类死亡 滥用氮肥、磷肥、农药和城镇废水任意排放 氮、磷 C
Ⅲ. 酸雨
(1)自然界"酸雨"形成的原因主要是 ( )
A．未经处理的工业废水的任意排放
B．大气中二氧化碳含量增多
C．工业上大量燃烧含硫的燃料和金属矿石的冶炼
D．汽车排放的尾气和燃料不完全燃烧产生的气体
解析 自然界中的酸雨主要是硫酸型酸雨，这是由于大气中SO2和SO3含量过高造成的，形成这种情况的主要原因是工业上大量燃烧含硫的燃料和金属矿石的冶炼，汽车尾气的排放不是主要原因。
答案 C
(2)SO2主要来自于硫酸工厂废气和含硫矿物的燃烧。
①若用Na2SO3溶液来吸收工厂的SO2尾气，加热吸收液可获得高浓度的NaHSO3，变废为宝。你能写出主要的化学方程式吗？
②为除去燃料中的硫，可采用如图脱硫工艺。你能写出主要的化学方程式吗？
答案 ①SO2＋H2O＋Na2SO3△(△去)2NaHSO3
②CaO(s) ＋SO2(g)高温(高温()CaSO3(s)，
2CaSO3(s)＋O2(g)△(△))2CaSO4(s)
Ⅳ. 光化学烟雾：
大气污染物一氧化氮、二氧化氮和某些碳氢化合物在太阳光的照射下，在低空大气中发生复杂的光化学反应(大气中的氧气也参加了反应)，形成白色或浅蓝色有特殊气味的光化学烟雾。
光化学烟雾中主要含二次污染物，如醛类、酮类、臭氧、过氧乙酰硝酸酯等。光化学烟雾严重危害人体健康，损害植物及橡胶制品等。
汽车尾气污染：
汽车尾气(含有烃类、CO、SO2与NO等物质)是城市空气的污染源之一。治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个"催化转换器"(用铂、钯合金作催化剂)。它的特点是使CO和NO反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使烃类充分燃烧及SO2的转化。
(1)写出一氧化碳与一氧化氮反应的化学方程式_____________________________。
(2)"催化转换器"的缺点是在一定程度上提高空气的酸度，其原因是______________。
(3)控制城市空气污染源的方法可以有______(填字母序号)。
A．开发氢能源 B．使用电动车 C．植树造林 D．戴上呼吸面具
答案 (1)2CO＋2NO催化剂(催化剂C)N2＋2CO2 (2)SO2转化成SO3，SO3遇水生成硫酸 (3)ABC
二、绿色化学
1．绿色化学有关概念
(1)核心：利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境造成的污染。又称为"环境无害化学"、"环境友好化学"、"清洁化学"。
绿色化学的理想在于不再使用有毒有害的物质，不再产生废物，不再处理废物，这是一门从源头上减少或消除污染的化学。
(2)绿色化学的研究主要围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化开展的，因此化学反应及其产物具有以下特征：
a．采用无毒、无害的原料；
b．在无毒、无害的条件(包括催化剂、溶剂)下进行；
c．产品应该是环境友好的；
d．具有"原子经济性"，即反应具有高选择性、极少副产物，甚至实现"零排放"。此外，它还应当满足"物美价廉"的传统标准。
2．原子经济性
原子经济性在化学合成特别是有机合成中，减少废物的关
键是提高选择性问题，即选择最佳反应途径，使反应物原子尽可能多地转化成产物原子，最大限度地减少副产物，才会真正减少废物的生成。美国著名有机化学家B.M.Trost在1991年首先提出"原子经济性"的概念：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(如完全的加成反应：A＋B===C)，达到零排放。原子经济性可用原子利用率来衡量，其定义可表示为原子利用率＝×100%。
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。
【例2】 工业上合成氨的原料之一为氢气，其来源之一是利用石油气的有关成分如丙烷(C3H8)制取。以下途径，假设反应都能进行，从经济效益考虑最合理的反应是( )
A．C3H8极高温(极高温下)3C＋4H2
B．C3H8高温(高温温)C3H6＋H2
C．C3H8＋6H2O高温(高温温)3CO2＋10H2
D．2H2O通电(通电温)2H2↑＋O2↑
答案 C
【例3】 在"绿色化学工艺"中，理想状态是原子利用率为100%。在用CH3C≡CH合成CH2===C(CH3)COOCH3的过程中，欲使原子利用率达到最高，还需要其他的反应物有
( )
A．CO和CH3OH B．CO2和H2O
C．H2和CO2 D．CH3OH和H2
解析 从原子守恒和绿色化学的思想出发：CH3C≡CH＋其他的反应物―→CH2===C(CH3)COOCH3，则其他的反应物的原子组成为C2H4O2，只有选项A中的物质按等物质的量混合符合题意。
答案 A
探究高考 明确考向
1．(2013·福建理综，6)化学与社会、生产、生活密切相关。下列说法正确的是 ( )
A．石英只能用于生产光导纤维
B．从海水中提取物质都必须通过化学反应才能实现
C．为了增加食物的营养成分，可以大量使用食品添加剂
D．"地沟油"禁止食用，但可以用来制肥皂
答案 D
解析 本题可结合物质的性质与成分进行判断。
A项石英的用途很广泛，如制石英玻璃、石英钟等；B项从海水中提取的物质有多种，有些必须通过化学反应获得，如海水提镁、提溴等，有些不用通过化学反应获得，利用物理方法即可，如用蒸馏法淡化海水；C项食品添加剂是指用于改善食品品质，延长食品保存期、便于食品加工和增加食品营养成分的一类化学合成或天然物质，食品添加剂的安全使用是非常重要的，要严格控制使用量；D项地沟油，泛指在生活中存在的各类劣质油，如回收的食用油、反复使用的炸油等，地沟油的主要成分是油脂，可使其在碱性条件下水解制肥皂。
2．(2013·山东理综，7)化学与生产和生活密切相关，下列说法正确的是 ( )
A．聚乙烯塑料的老化是因为发生了加成反应
B．煤经过气化和液化等物理变化可转化为清洁燃料
C．合成纤维、人造纤维及碳纤维都属于有机高分子材料
D．利用粮食酿酒经历了淀粉→葡萄糖→乙醇的化学变化过程
答案 D
解析 从物质的组成、结构、性质以及变化等角度进行分析，得出合理答案。A项，聚乙烯分子中不含碳碳双键，不能发生加成反应，塑料老化是发生了氧化反应；B项，煤的气化和液化均为化学变化，前者主要为碳与水蒸气反应生成H2和CO，后者主要是以煤为原料制取液体燃料；C项，合成纤维和人造纤维属于有机高分子材料，而碳纤维的主要成分为碳，属于无机非金属材料；D项，粮食酿酒要经过一系列化学变化，淀粉先发生水解，最终生成葡萄糖，葡萄糖再在酒化酶作用下生成乙醇和CO2。
3．(2013·四川理综，1)化学与生活密切相关，下列说法不正确的是 ( )
A．二氧化硫可广泛用于食品的增白
B．葡萄糖可用于补钙药物的合成
C．聚乙烯塑料制品可用于食品的包装
D．次氯酸钠溶液可用于环境的消毒杀菌
答案 A
解析 A项，SO2对人体有害，属有毒物质，错误；B项，葡萄糖可用于合成补钙药物如葡萄糖酸钙，正确；C项，聚乙烯塑料是常见的食品包装材料，正确；次氯酸钠具有强氧化性，可用作消毒剂，如84消毒液的主要成分就是次氯酸钠，正确。
4．(2013·天津理综，2)以下食品化学知识的叙述不正确的是 ( )
A．食盐可作调味剂，也可作食品防腐剂
B．新鲜蔬菜做熟后，所含维生素C会有损失
C．纤维素在人体内可水解为葡萄糖，故可作人类的营养物质
D．葡萄中的花青素在碱性环境下显蓝色，故可用苏打粉检验假红酒
答案 C
解析 食盐既是我们常用的调味品，又可作食品防腐剂，A正确；温度对维生素C有一定的影响，蔬菜做熟后，会有一定的损失，B正确；由于人体内没有可水解纤维素的酶，所以纤维素在人体内不能水解为葡萄糖，C错误；由于Na2CO3水溶液呈碱性，可与葡萄中的花青素发生显色反应，故可用作假红酒的检验试剂，D正确。
5．(2013·大纲全国卷，6)下列有关发泡塑料饭盒的叙述，不正确的是 ( )
A．主要材质是高分子材料
B．价廉、质轻、保温性能好
C．适用于微波炉加热食品
D．不适于盛放含油较多的食品
答案 C
解析 从高分子材料的性质入手，结合生活常识解决问题。
A项塑料的主要成分是被称为合成树脂的有机高分子材料；B项由生活常识可知正确；C项发泡塑料的主要成分是聚苯乙烯，受热易分解生成有毒物质，不能用于微波炉加热食品；D项有机高分子材料遇到油脂会发生一定程度的溶胀，生成有害物质，故不适于盛放含油较多的食品。
6．(2012·广东理综，7)化学与生活息息相关，下列说法不正确的是 ( )
A．用食醋可除去热水壶内壁的水垢
B．淀粉、油脂和蛋白质都是高分子化合物
C．自行车钢架生锈主要是电化学腐蚀所致
D．新型复合材料使手机、电脑等电子产品更轻巧、实用和新潮
答案 B
解析 结合各选项中叙述的物质的组成、结构、性质及反应来分析、解决问题。A项热水壶内壁的水垢主要成分是CaCO3和Mg(OH)2，加入食醋会生成可溶性醋酸钙和醋酸镁；B项淀粉、蛋白质是高分子化合物，油脂不是高分子化合物；C项自行车钢架在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀而生锈；D项新型复合材料具有质量轻、硬度大、耐腐蚀等优点，被广泛应用于手机、电脑等电子产品。
7．(2012·四川理综，6)下列关于"化学与健康"的说法不正确的是 ( )
A．服用铬含量超标的药用胶囊会对人体健康造成危害
B．食用一定量的油脂能促进人体对某些维生素的吸收
C．"血液透析"利用了胶体的性质
D．光化学烟雾不会引起呼吸道疾病
答案 D
解析 铬是重金属，铬含量超标的药用胶囊是有毒的，故A正确；有些维生素是脂溶性的，油脂能促进其吸收，故B正确；血液透析是指血液中的一些废物通过半渗透血液透析膜除去，血液透析是一种较安全、易行、应用广泛的血液净化方法之一，故C正确；光化学烟雾是大气中的氮氧化合物与碳氢化合物经过紫外线照射发生反应形成的，光化学烟雾的成分非常复杂，具有强氧化性，刺激人的眼睛和呼吸道黏膜，伤害植物叶子，加速橡胶老化，并使大气能见度降低，故D错。
8．(2012·江苏，1)化学在资源利用、环境保护等与社会可持续发展密切相关的领域发挥着积极作用。下列做法与社会可持续发展理念相违背的是 ( )
A．改进汽车尾气净化技术，减少大气污染物的排放
B．开发利用可再生能源，减少化石燃料的使用
C．研发可降解高分子材料，减少"白色污染"
D．过度开采矿物资源，促进地方经济发展
答案 D
解析 可持续发展是一种注重长远发展的经济模式，充分、合理利用资源、减少污染等方面都是可持续发展的内容。
9．[2012·四川理综，29(1)(2)]直接排放煤燃烧产生的烟气会引起严重的环境问题，将烟气通过装有石灰石浆液的脱硫装置可以除去其中的二氧化硫，最终生成硫酸钙。硫酸钙可在下图所示的循环燃烧装置的燃料反应器中与甲烷反应，气体产物分离出水后得到几乎不含杂质的二氧化碳，从而有利于二氧化碳的回收利用，达到减少碳排放的目的。
请回答下列问题：
(1)煤燃烧产生的烟气直接排放到空气中，引发的主要环境问题有______(填写字母编号)。
A．温室效应 B．酸雨
C．粉尘污染 D．水体富营养化
(2)在烟气脱硫的过程中，所用的石灰石浆液在进入脱硫装置前，需通一段时间的二氧化碳，以增加其脱硫效率；脱硫时控制浆液的pH，此时浆液含有的亚硫酸氢钙可以被氧气快速氧化生成硫酸钙。
①二氧化碳与石灰石浆液反应得到的产物为__________。
②亚硫酸氢钙被足量氧气氧化生成硫酸钙的化学方程式为______________________。
答案 (1)ABC (2)①Ca(HCO3)2(或碳酸氢钙)
②Ca(HSO3)2＋O2===CaSO4＋H2SO4
解析 (1)煤燃烧产生的烟气中含有的粉尘会造成粉尘污染，含有的二氧化硫(与空气接触可产生三氧化硫)会造成酸雨，二氧化碳可以造成温室效应，故应选A、B、C。(2)①因CO2＋CaCO3＋H2O===Ca(HCO3)2，故二氧化碳与石灰石浆液反应得到的产物为Ca(HCO3)2；②1 mol Ca(HSO3)2被氧气氧化肯定生成1 mol CaSO4，根据S元素守恒，还要有H2SO4生成，故反应方程式为Ca(HSO3)2＋O2===CaSO4＋H2SO4。
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