环境化学课程教案.doc
《环境化学课程教案.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《环境化学课程教案.doc（65页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
环境化学课程教案
教学目标与要求
环境化学是研究有害化学物质在环境介质中的存在、特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。
由于大多数的生态环境问题都与化学物质直接有关，环境化学学科在掌握污染来源，消除和控制污染，为确定环境保护决策提供科学依据等方面都起着重要作用。
所以，对环境科学专门人才的培养，无论侧重于研究自然环境问题的环境学或环境工程专业，还是具有自然科学与社会科学交叉性质的环境规划与管理专业，都需要有较扎实的环境化学基础知识。
因此环境化学是环境科学本科专业目录主干课程，是实现环境科学专业人才培养目标的重要课程。
通过本课程的学习，使环境科学专业的学生懂得从微观的原子、分子水平上来研究引发环境问题的污染物在环境中的特征、行为、对生态系统的效应及其控制的化学原理、方法，了解环境化学最新发展动态，从而使学生具备一定的基本技能，即用化学方法处理实际环境问题的能力以及综合分析人与自然关系的能力，树立可持续发展观、人与自然和谐观。
本课程要求学生掌握环境化学的基本概念、基本原理，主要环境污染物的性质及其在环境各圈层中的迁移、转移、归宿机制，掌握控制、治理环境污染的基本方法；了解有害废物及具有特点的放射性固体废物的污染化学；了解环境化学最新发展动态。
第一章绪论（3学时）
内容提要与重点要求：
主要简介环境化学在环境科学中和解决环境问题上地位和作用，它的研究内容，特点和发展动向，主要环境污染物类别和它们在环境各圈层中的迁移转化过程。
要求掌握对现代环境问题认识的发展以及对环境化学提出的任务；明确学习目的。
作业：
试论环境化学与环境问题间的辩证关系；简述污染物的类别及其在环境各圈层中的迁移转化过程。
第一节环境化学
一、环境问题
1、环境污染﹝由目前全球环境状况的讨论引出﹞
●人是环境的产物，又是环境的改造者。
●由于人为因素使环境的构成或状态发生变化，环境素质下降，从而扰乱和破坏了生态系统和人们的正常生活和生产条件，就叫做环境污染。
具体说，环境污染是指有害物质对大气、水质、土壤和动植物的污染，并达到致害的程度，生物界的生态系统遭到不适当的干扰和破坏，不可再生资源被滥采滥用，以及因固体废弃物、噪声、振动、恶臭、放射线等造成对环境的损害。
﹙自食其果﹚
造成环境污染的因素有物理的、化学的和生物的三方面，其中因化学物质引起的约占80%~90%。
2、环境污染与环境问题的关系
人们对现代环境问题的认识有个发展的过程。
●在20世纪60年代人们把环境问题只当成一个污染问题。
不足表现在没有把环境问题与自然因素联系起来，低估了环境污染的危害性和复杂性；没有把环境污染与社会因素相联系，未能追根溯源。
●1972年联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议，通过《人类环境宣言》﹙世界环境日的由来﹚。
联合国组织第一次把环境问题与社会因素联系起来，是人类认识环境问题的里程碑。
然而，它并未从战略高度指明防治环境问题的根本途经，没有明确解决环境问题的责任，没强调需要全球的共同行动。
●20世纪80年代对环境问题的认识有新的突破性发展，提出持续发展战略。
这一时期逐步形成的持续发展战略，指明了解决环境问题的根本途径。
●20世纪80年代，巩固和发展了这种指导思想，形成当代主导的环境意识。
1992年6月在巴西里约召开了联合国环境与发展大会，通过了《里约环境与发展宣言》、《21世纪议程》等重要文件。
它促使环境保护和经济、社会协调发展，以实现人类的持续发展作为全球的行动纲领。
这是本世纪人类社会的又一重大转折点，树立了人类环境与发展关系史上新的里程碑
3、近几年世界环境日主题
2000年：
环境千年，行动起来吧
2001年：
世间万物,生命之网
2002年：
让地球充满生机
2003年：
水——二十亿人生命之所系
2004年：
海洋存亡，匹夫有责
2005年:
营造绿色城市,呵护地球家园
中国主题:
人人参与创建绿色家园
2006年:
莫使旱地变荒漠
中国主题:
生态安全与环境友好型社会
2007年:
冰川消融，前景堪忧
中国主题:
污染减排与环境友好型社会
2007年：
冰川消融，前景堪忧
二、环境化学
1、环境化学的产生
●由于大量环境问题与化学物质直接相关，因此，环境化学在掌握污染来源，消除和控制染，确定环境保护决策，以及提供科学依据诸方面都起着重要作用。
2、环境化学的任务、内容与特点
﹙1﹚环境化学是化学科学的传统理论和方法基础上发展起来的，以化学物质在环境中出现而引起的环境化学问题为研究对象，以解决环境问题为目标的一门新兴科学。
环境化学是一门研究有害物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。
地球环境系统：
大气圈atmosphere，水圈hydrosphere，土壤岩石圈lithosphere，生物圈biosphere。
包括自然界产生的和人类活动排放的各种化学物质形成的“化学圈”Chemosphere，覆盖于地球环境系统之上。
﹙2﹚环境化学研究的内容主要涉及：
有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态；潜在有害物质的来源，它们在个别环境介质中和不同介质间的环境化学行为；有害物质对环境和生态系统以及人体健康产生效应的机制和风险性；有害物质已造成影响的缓解和消除以及防止产生危害的方法和途径。
表1—1环境化学分支学科划分
研究领域
分支学科
环境分析化学
环境有机分析化学
环境无机分析化学
各圈层的环境化学
大气环境化学
水环境化学
土壤环境化学
环境生态化学
环境工程化学
大气污染控制化学
水污染控制化学
固体废物污染控制化学
﹙3﹚环境化学的特点：
是要从微观的原子、分子水平上，来研究宏观的环境现象与变化的化学机制及其防治途径，其核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。
2、环境化学的发展动向
（1）环境分析化学：
研究污染物形态、价态和结构分析方法是环境化学的一个重要发展方向。
在环境有机分析方面，20世纪80年代出现了环境样品前处理的先进技术，如超临界流体取法和固体取法。
联用仪器技术、连续自动分析和遥感分析同样是热门课题。
（2）各圈层环境化学：
本分支学科研究化学污染物在大气、水体和土壤环境中的形成、迁移、转化和归趋过程中的化学行为和生态效应。
●在大气环境化学方面，研究对像涉及大气颗粒、酸沉降、大气有机物、痕量气体、臭氧耗损及全球气候变暖等。
空间尺度从室内空气、城市、区域环境、远距离乃至全球。
关于大气环境化学过程研究主要涉及大气光化学过程、大气自由基反应。
在模式研究方面侧重于光化学烟雾和酸雨。
●在水环境化学方面，水体研究较多的是河流、湖泊和水库，其次是河口、海湾和近海海域。
天然水体污染过程和废水净华过程是水环境化学的主要研究范围，对水环境中化学物质的重点研究对象逐渐转向某些重金属（含准金属）及持久性有毒有机污染物。
从应用基础的研究来看，当前主要集中在水体界面化学过程、金属形态转化动力学过程、有机物的化学降解过程、金属和准金属甲基化等方面的研究。
●土壤环境化学主要研究农用化学品在土壤环境中的迁移转化和归趋及其对土壤和人体健康的影响。
●环境生态化学是研究化学污染物在生态系统中产生效应的化学过程。
当前侧重于定量结构—活性关系（QuantitativeStructureandActivityRelationship,QSAR）研究，并以此为基础对污染物的环境行为和它们的生态效应进行预测。
（3）环境工程化学：
它研究控制污染的化学机制和工艺技术中的基础性化学问题。
以污染的全过程控制模式逐步代替中断污染控制模式。
第二节环境污染物
进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害与人类的变化的物质称为环境污染物（pollutant）。
这些物质就是由于人类活动造成的浓度高于天然值的有害物质。
一、环境污染物的类别
按受污染物影响的环境要素可分为大气污染物、水体污染物、土壤污染物等；
按污染物的形态可分为气体污染物、液体污染物和固体污染物；
按污染物的性质可分为化学污染物、物理污染物和生物污染物。
二、环境效应及其影响因素
自然过程或人类的生产活动会对环境造成污染和破坏，从而导致环境系统的结构和功能发生变化，谓之环境效应，并为分为自然环境效应和人为环境效应。
如按环境变化的性质划分，则可分为环境物理效应、环境化学效应和环境生物效应。
1、环境物理效应：
由物理作用引起的，比如噪声、地面沉降、热岛效应、温室效应；
2、环境化学效应：
在各种环境因素影响下，物质间发生化学反应产生的环境效应即为环境化学效应，如湖泊的酸化、土壤的盐碱化、地下水硬度升高、局部地区发生光化学烟雾、有毒有害固体废气物的填埋造成地下水污染等；
3、环境生物效应：
环境因素变化导致生态系统变异而产生的后果即为环境生物效应，比如致畸、致癌、致突物质的污染引起畸形和癌症患者增多。
三、环境污染物在环境各圈的迁移转化过程简介
1、污染物的迁移：
环境污染物在环境中所发生的空间位移及其所引起的富集、分散和消失的过程。
迁移方式：
污染物在环境中的迁移主要有机械迁移、物理—化学迁移和生物迁移三种。
●物理—化学迁移是最重要的迁移形式，它可通过溶解-沉淀、氧化-还原、水解、配位和螯合、吸附—解吸等理化作用实现无机污染物的迁移。
●有机污染物还可通过化学分解、光化学分解和生物分解等作用实现迁移。
●污染物可通过生物体的吸收、代谢、生长、死亡等过程实现迁移。
●某些污染物可能通过食物链传递产生放大积累作用，这是生物迁移的一种重要表现形式。
2、染物的转化：
污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变存在形态或转变为另一种物质的过程。
污染物的迁移和转化常常是相伴进行。
●污染物可通过蒸发、渗透、凝聚、吸附和放射性元素蜕变等物理过程实现转化；
●可通过光化学氧化、氧化还原和配位络合、水解等化学作用实现转化；
●也可通过生物的吸收、代谢等生物作用实现转化。
●污染物可在单独环境要素中迁移和转化，也可超越圈层界限实现多介质迁移、转化而形成循环。
第二章大气环境化学（18学时）
内容提要及重点要求：
主要介绍了大气结构，大气中的主要污染物及其迁移，光化学反应基础，重要的大气污染化学问题及其形成机制。
要求了解大气的层结结构，大气中的主要污染物，大气运动的基本规律。
掌握污染物遵循这些规律而发生的迁移过程，特别是重要污染物参与光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理。
还应了解酸雨、温室效应以及臭氧层破坏等全球性环境问题。
作业：
大气污染物迁移的规律及其主要影响因素；为什么夜间的无线电收音特别清晰？
光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成机制、危害及其预防措施；提出你确定酸雨pH值界限的依据，试述其形成原因及控制措施；对于沿海城市，建立两个体系，即NaCL、NOx、水蒸气和空气体系以及NaCL、SO2、水蒸气和空气体系，请用方程式表示；何为温室效应和温室气体，分析其利弊；牛仔裤与暖冬。
第一节大气污染物的迁移
概述
●在环境保护中，对特定场所或区域，供人和动植物生存的气体称为“空气”
●以大区域或全球性的气流为研究对象时，则采用“大气”一词。
地球上的大气是自然环境的组成部分。
人类一刻也离不开大气，没有大气就没有地球上的生命，就没有生机勃勃的世界。
大气又是人类极其重要的自然资源。
污染物在大气中的迁移是指由污染源排放出来的污染物由于空气的运动是其传输和分散的过程。
迁移过程可使污染物浓度降低。
大气圈中空气的运动主要是由于温度差异而引起的。
一、大气温度层结
●静大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为大气温度层结和大气密度层结
●大气垂直递减率：
随高度升高气温的降低率。
通常用下式表示：
г=-dT/dZ
●根据大气的温度层结、密度层结和运动规律，可将大气划分为对流层、平流层、中间层、
热层，更远的地方称为逸散层，那里气体已及其稀薄。
1、对流层是大气的底层，其平均厚度为12km。
该层内气温随高度的增加而降低，空气垂直对流运动强烈。
污染物的迁移转化过程也主要发生在对流层。
原因如下：
从污染源排放出来的污染物几乎都直接进入对流层；该层内含有全部大气质量3/4的大气和几乎所有的水汽；空气的运动；该层有风、雨、雷电和冷暖转变等天气现象。
2、平流层位于对流层之上，其高度约17-55km之间。
在25km以下的低层，气温随着高度的增加保持不变或稍有上升，从25km开始，气温随着高度的增加而增加，该层内气体状态非常稳定。
污染物进入平流层后，它会由此而形成一薄层，使污染物遍布全球。
问题〈1〉平流层温度升高原因？
该层集中了地球大气中大部分的臭氧，由于臭氧能强烈地吸收太阳的紫外辐射而分解为氧原子和氧分子，当它们又重新化合为臭氧分子时，便可释放出大量的能量，因此，温度随高度的增加而上升。
问题〈2〉高空飞行很适合？
空气主要做水平运动，对流微弱，气流平稳，几乎没有水蒸气和尘埃，透明度好，极少云雨等天气现象，因此，超高速飞机多在平流层底部飞行，既平稳又安全。
3、中间层处于从平流层顶到约85km,气温随高度的增加而降低,垂直温度分布特征与对流层相似。
4、热层的高度在平流层顶到800km之间，气温随高度的增加而迅速上升。
称其为电离层的原因如下：
该层内空气极其稀薄，在太阳紫外线和宇宙射线的辐射下，空气处于高度电离状态。
问题：
为什么夜间的无线电收音特别清晰？
5、逸散层exoatmosphere超过800km以上的高空，大气质点会不断地向星际空间逃逸。
二、辐射逆温层
在对流层中，气温一般是随高度增加而降低，但在一定条件下会出现反常现象，当大气
垂直递减率小于零时，即出现逆温现象，经常发生在较低气层中，近地面层的逆温多由于热
力条件而形成，以辐射逆温为主。
辐射逆温是地面因强烈辐射而冷却降温所形成。
多发生在距地面100—150km高度内。
最有利于辐射逆温发展的条件是平静而晴朗的夜晚。
有云和有风都能减弱逆温。
其形成过程：
当白天地面受日照而升温时，近地面空气的温度随之而升高。
夜晚地面由
于向外辐射而冷却，这便使近地面空气的温度自下而上逐渐降低。
由于上面的空气比下面的
冷却较慢，结果就形成逆温现象。
三、气块的绝热过程和干绝热递减率
气块：
在大气中取一个微小容积宏观的气块，称为空气微团，简称气块。
绝热过程：
假设气块与周围的环境没有发生热量交换，那么它的状态变化过程就可以认
为是绝热过程。
干绝热过程：
固定质量的气块所经历的不发生水相变化的过程，通常称为干过程。
在该
过程中其内部的总质量不变，它也是一个绝热过程，因而称为干绝热过程。
它是一种可逆过
程。
特点：
干气块在绝热上升过程中，由于外界压力减小而膨胀，就要抵抗外界压强而作功
，这个功只能依靠消耗本身的内能来完成，因而气块温度降低。
反之，当这干空气从高处绝
热下降时，由于外界压强增大，就要对其压缩而作功，这个功便转化为这块空气的内能，因
而气块温度升高。
干绝热垂直递减率：
干空气在上升时温度降低值与上升高度的比，用гd表示
四、大气稳定度
流体的层结对于流体的垂直运动有着重要的影响，一个空气气块的稳定性应该是密度层结和温度层结共同作用来决定的。
气块在大气中的稳定度与大气垂直递减率和干绝热垂直递减率两者有关。
若г＜гd，表明大气是稳定的；若г＞гd，大气是不稳定的；若г=гd，大气处于平衡状态。
一般地讲，г越大，气块越不稳定；反之，气块就越稳定。
如果г很小，甚至形成等温或逆温状态，这时对大气垂直对流运动形成巨大障碍，地面气流不易上升，使地面污染源排放出来的污染物难以借气流上升而扩散。
五、影响大气污染物迁移的因素
主要有空气的机械运动，如风和湍流，由于大气形势和地理地势造成的逆温现象以及污染源本身的特性等。
——内因和外因
1、风和大气湍流的影响
风可使污染物向下风扩散，湍流可使污染物向各方向扩散，浓度梯度可使污染物发生质量扩散。
其中风和湍流起主导作用。
污染物在大气中的迁移，水平运动方向上取决于风的平流输送，垂直方向上的扩散取决于大气的湍流运动。
摩擦层具有乱流混合特征，有时以动力乱流为主，有时动力乱流和热力乱流共存，且主次难分。
在气温的垂直分布上，呈现上冷下热时，热力乱流起主要作用；上热下冷时，动力乱流起主要作用。
2、气形势和地理地势的影响
天气形势是指大范围气压分布的状况，局部地区的气象条件总是受天气形势的影响。
因此，局部地区的扩散条件与大型的天气形势是互相联系的。
不利的天气形势和地形特征结合在一起常常可使某一地区的污染程度加重。
由于不同地形地面之间的物理性质存在着很大差异，从而引起热状况在水平方向上分布不均匀。
这种热力差异在弱的天气系统条件下就有可能产生局部环流，诸如海陆风、城郊风和山谷风等。
第二节大气中污染物的转化
迁移过程只是使污染物在大气中的空间分布发生了变化，而它们的化学组成不变。
污染物的转化是污染物在大气中经过化学反应，如光解、氧化还原、酸碱中和以及聚合反应，转化成为无毒化合物，从而去除了污染，或者转化成为毒性更大的二次污染物，加重了污染。
因此，研究污染物的转化对大气污染化学具有十分重要的意义。
一、光化学反应基础
1、光化学反应过程
﹙1﹚分子、原子、自由基或离子吸收光子而发生的化学反应，称为光化学反应。
化学物种吸收光量子后可产生光化学反应的初级过程和次级过程。
初级过程：
包括化学物种吸收光量子形成激发态物种，其基本步骤为：
A+hv → A＊
随后激发态A＊可能发生如下几种反应：
光物理过程有：
A＊→A+hv辐射跃迁，即通过辐射荧光或磷光而失活。
A＊+M→A+M无辐射跃迁，即碰撞失活过程。
光化学过程有：
A＊→B1+B2+…光离解为两个或两个以上新物种。
A＊+C→D1+D2+…与其它分子反应生成新物种。
对于环境化学而言，光化学过程更为重要。
次级过程：
是指在初级过程中反应物、生成物进一步发生的反应。
﹙2﹚光化学第一定律，首先，只有当激发态分子的能量足够使分子内的化学链断裂时，即光子的能量大于化学键断裂时，才能引起光离解反应。
其次，为使分子产生有效的光化学反应，光还必须被所作用的分子吸收，即分子对某特定波长的光要有特征吸收光谱，才能产生光化学反应。
光化学第二定律是说明分子吸收光的过程是单光子过程。
这个定律的基础是电子激发态分子的寿命很短，≤10—8S，在这样短的时间内，辐射强度比较弱的情况下，再吸收第二个光子的几率很小。
当然若光很强，如高通量光子流的激光，即使在如此短的时间内，也可以产生多光子吸收现象，这时光化学第二定律就不适用了。
对于大气污染化学而言，反应大都发生在对流层，只涉及到太阳光，是符合光化学第二定律的。
2、大气中重要吸光物质的光离解
●氧分子和氮分子的光离解：
通常认为240nm以下的紫外光可引起的光解：
O2+hv→O+O
N2+hv→N+N
●臭氧的光离解：
O3吸收紫外光后发生如下离解反应：
O3+hv→O+O2
在低于1000km的大气中，由于气体分子的密度比高空大得多，三个粒子碰撞的几率
较大，O2光解而产生的O可与O2发生如下反应：
O+O2+M→O3+M——天然来源
这一反应是平流层中O3的主要来源，也是消除O的主要过程。
它不仅吸收了来自太阳的
紫外光而保护了地面的生物，同时也是上层大气能量的一个贮库。
●NO2的光离解：
NO2是城市大气中重要的吸光物质。
在低层大气中可以吸收全部来自太阳
的紫外光和部分可见光。
NO2+hv→NO+O
O+O2+M→O3+M这是大气中唯一已知O3的人为来源。
●HNO2和HNO3的光离解：
HNO2+hv→HO+NO
另一个初级过程为：
HNO2+hv→HNO2+hv→H+NO2
次级过程为：
HO+NO→HNO2
HO+HNO2→H2O+NO2
HO+NO2→HNO3
因而HNO2的光解可能是大气中HO的重要来源。
HNO3+hv→HO+NO2——光解很慢
●SO2对光的吸收：
由于其键能较大，240--400km的光不能使其离解，只能生成激发态，
SO2+hv→SO2＊
产物在污染大气中可参与许多光化学反应。
●HCHO的光离解：
初级过程：
HCHO+hv→H+HCO
HCHO+hv→H2+CO
次级过程：
H+HCO→H2+CO
2H+M→H2+M
2HCO→2CO+H2
在对流层中，由于O2的存在，可发生如下反应：
H+O2+M→HO2
HCO+O2→HO2+CO
因此空气中的甲醛光解可产生HO2自由基，其它醛类的光解也可以同样方式生成HO2。
●卤代烃的光离解：
在卤代烃中以卤代甲烷的光解对大气污染化学作用最大。
卤代甲烷光解的初级过程可概括如下：
﹙1﹚在近紫外光照射下，其离解方式为：
CH3X+hv→CH3+X
﹙2﹚如果其含有一种以上的卤素，则断裂的是最弱的键，其顺序强弱为：
CH3—F﹥CH3—H﹥CH3—Cl﹥CH3—Br﹥CH3—I
﹙3﹚高能量的短波长紫外光照射，可能发生两个键断裂，应断两个最弱键。
﹙4﹚即使是最短波长的紫外光，如147nm，三键断裂也不常见。
二、大气中重要自由基的来源
大气中存在的自由基有HO、HO2、R（烷基）、RO（烷氧基）和RO2（过氧烷基）等。
其中以HO、HO2更为重要。
1、大气中HO、HO2的来源
﹙1﹚HO的来源
对于清洁大气而言，O3的光离解是大气中HO的重要来源：
O3+hv→O+O2
O+H2O→2HO
对于污染大气而言，如有H2O2和HNO2，它们的光离解也可产生HO：
HNO2+hv→HO+NO﹙重要来源﹚
H2O2+hv→2HO
﹙2﹚HO2的来源﹙主要来源来源于醛的光解，尤其是甲醛的光解﹚
HCHO+hv→H+HCO
H+O2+M→HO2
HCO+O2→HO2+CO
任何光解过程只要有H或HCO自由基生成，它们都可与空气中的O2结合而导致生成HO2。
其他醛类物质也有类似反应，但不如甲醛重要。
另外，亚硝酸酯和H2O2的光解也可导致生成HO2：
CH3ONO+hv→CH3O+NO
升级会员 