环境化学教学设计Word文件下载.docx

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环境化学有哪些分支学科？

2.环境问题在人类历史上的教训有哪些？

如何看待当前的世界环境问题？

教研室审阅意见

同意上述安排。

教研室主任签字：

于泓

2012年02月26日

教 学 程 序

教学的基本内容

第一章 绪论第一节 环境化学

1. 什么是环境化学

（1）环境化学是在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问题为研究对象，以解决环境问题为目标的新型学科。

（2）定义：

环境化学是一门研究有害化学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。

它既是环境科学的核心组成部分，也是化学科学的一个新的重要分支。

（3）研究内容：

有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态；

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。

（4）研究特点：

从微观的原子、分子水平上研究宏观的环境现象与变化的化学机制及其防治途径。

（5）核心：

研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。

第二节环境污染物

一、环境中的重金属

主要是汞、镉、铅、锌、铜、钴、镍、钡、锡、锑等，从毒性角度通常将砷、铍、锂、硒、硼、铝等也包括在内。

二有机污染物

碳、氢、氧、氮、硫、磷和卤素原子如氟、氯、溴、碘等组成

1碳氢化合物

2有机卤化合物（organichalogen）

3含氧官能团

⑴醇和醚官能团⑵醛酮基团⑶羧基⑷羧酸酯基团

4含氮官能团

⑴胺基⑵硝基（3）偶氮类（4）三嗪类（5）季铵盐

5含硫官能团

6含磷官能团三、POPs

四、环境内分泌干扰物

第三节环境各圈及环境污染物在的迁移转化过程迁移（transport） 转化（transformation）

第二章 大气环境化学

6学时

1、戴树桂主编-2版.环境化学，高等教育出版社，2006.10

2、王麟生等编 环境化学导论-2版华东师范大学出版社2006

3、汪群慧等编.环境化学，哈尔滨工业大学出版社，2004

4、刘兆荣等编.环境化学教程，化学工业出版社，2003

5、邓南圣等编.环境化学教程，武汉大学出版社，2000

1.掌握大气中污染物的迁移过程

2.掌握大气污染物的光化学转化过程

3.明确大气污染化学研究的新领域

要求掌握大气中污染物的迁移过程以及对环境化学提出的任务，明确学习环境化学课程的目的。

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。

重要自由基的来源，自由基的链式反应。

1.讨论法

2.讲授法

教学内容及时间安排

第一节 大气环境概述 1学时

第二节 大气中重要污染物 1学时

第三节 气体的污染化学 2学时

第四节 全球性大气污染 2学时

1、大气中有哪些重要自由基？

其来源如何？

2、何谓温室效应和温室气体？

第二章大气环境化学

第一节大气的组成及其主要污染物

一、大气的主要成分二、大气层的结构

1、对流层2、平流层3、中间层4、热层三、大气中的主要污染物

1、含硫化合物 2、含氮化合物 3、含碳化合物 4、含卤素化合物

第二节大气中污染物的迁移第三节大气中污染物的转化

一、自由基化学基础二、光化学反应基础

三、大气中重要自由基的来源

对清洁大气，O3的光解是HO的主要来源：

O3+hγ→O+O2

O+H2O→HO+HO

对于污染大气，如有HNO2和H2O2存在，它们的光离解也可产生HO：

HNO2+hγ→HO+NO

H2O2+hγ→ HO+HO

其中HNO2光解离是大气中的重要来源。

大气中HO2主要来源于醛的光解，尤其是甲醛的光解：

HCHO+hγ→H+HCO

HCO+O2→HO2+CO

H+O2+M→HO2+M

O和HO与烃类发生摘H反应也可以生成RRH+O→R+HO

RH+HO→R+H2O

大气中的CH3O主要来源于甲基亚硝酸酯和甲基硝酸酯的光解：

CH3ONO+ hγ→CH3O+NO

CH3ONO2+hγ→CH3O+NO2

大气中的RO2都由R与O2结合而成的：

R+O2→RO2

四、氮氧化物的转化五、碳氢化合物的转化六、光化学烟雾

链引发反应：

1.NO2+hγ（λ＜430nm）→NO+O

基本无机反应：

2.O+O2+M→O3+M

3.NO+O3→NO2+O2

链传递反应：

4.RH+HO→RO2+H2O

HC氧化反应

5.RCHO+HO→RC（O）O2+H2O

醛类氧化反应

6.RCHO+hγ→RO2+HO2+CO

其他反应

7.HO2+NO→NO2+HO

NO氧化反应

8.RO2+NO→NO2+RCHO+HO2

9.RC（O）O2+NO→NO2+RO2+CO2

链终止反应：

10.HO+NO2→HNO3

自由基消除反应

11.RC（O）O2+NO2→RC（O）O2NO2（PAN）

12.RC（O）O2NO2→RC（O）O2+NO2

按原始HC结构的不同可生成各种各样的醛和酮，他们最后则凝聚为烟雾而影响大气的能见度。

而PAN及其同类物PBN都是刺激性很强的物质，氧化性很强。

七、硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染

（1）光化学氧化

SO2+hv（190~340nm）Û

1SO2（单重态）SO2+hv（340~400nm）Û

3SO2（三重态）

3SO2+O2→SO4→SO3+O-

或SO4+SO2→2SO3

（2）液相氧化

大气中小于1μm的气溶胶粒子通常表面都吸附有水层，可溶解SO2使其再氧化为H2SO4。

有Mn、Fe、V等起催化作用的金属离子，或强氧化剂（如O3或H2O2）存在时，氧化速率增大。

八、酸性降水

1.降水的化学组成

（1）降水的形成

（2）降水中的离子成分

（3）降水中的有机酸

（4）降水中的金属元素

2.降水的pH

通常认为天然雨水酸度的本底值为pH5.6它仅由大气中存在的CO2与纯水的平衡决定。

pH＜5.6多年来被国际上用作判别是否受到酸化以及是否受到认为污染的界限。

许多人通过对全球背景点的降水组成和pH的研究,认为全球降水pH的本底值似乎

≥5.0更符合实际情况。

4

而将pH和SO2-相结合，就可以判别降水是否酸化或是否受到人为污染。

全球偏远地区非海盐SO2-在降水中的浓度为1.5~5.1μmol.L-1（本底值）。

九、温室气体和温室效应

温室效应：

大气中的吸收了地面辐射出来的红外光，把能量截留于大气之中，从而使大气温度升高，这种现象称为温室效应。

温室气体：

能够引起温室现象的气体称之为温室气体。

H2O、O3、N2O、CH4、H2O、O3、N2O、CH4、CFCS等也是温室气体。

十、臭氧层的形成与耗损

1、清洁大气中：

O3的形成

O2+hv→2O

O+O2+M→O3+M

总反应：

3O2+hv→2O3

2、O3的猝灭 O3+hv→O+O2 O3+O→2O2

HOx、NOx、ClOx等是导致O3猝灭的直接原因，把他们叫做活性物质。

它们导致

O3猝灭的反应如下：

第四节大气颗粒物

按粒径大小将大气颗粒物分为：

TSP <

100μm 飘尘 <

10μm

降尘 >

10μm 可吸入粒子 Dp≤10μm

大气颗粒物的三模态

Whitby等人依据大气颗粒物表面积与粒径分布的关系得到了三种不同类型的粒度模。

爱根核模（Dp≤0.05μm）

积聚模 （0.05μm<

Dp<

2μm）

粗粒子模 （Dp>

大气颗粒物的表面性质大气颗粒物的化学组成

无机颗粒物：

由颗粒物的形成过程决定。

如扬尘的成分主要是该地区的土壤粒子。

海洋溅沫成分主要是氯化钠粒子和硫酸盐粒子。

有机颗粒物：

指大气中的有机物质凝聚而形成的颗粒物，或有机物质吸附在其他颗粒物上面而形成的颗粒物。

粒径较小，属于爱根核模或积聚模。

大气颗粒物的去除过程干沉降存在两种机制

（1）颗粒物在重力作用下沉降

（2）颗粒物做布朗运动、与其他物体碰撞后发生沉降湿沉降的两种机制

（1）雨除

指一些颗粒物作为形成云的凝结核，成为云滴的中心，通过凝结过程和碰撞过程使其增大为雨滴，形成降雨，颗粒物从而被去除。

对半径小于1μm的颗粒物有效；

（2）冲刷

降雨时在云下面的颗粒物与降下来的雨滴发生惯性碰撞或扩散、吸附过程，从而使颗粒物去除，对于半径在4μm以上的颗粒物效率较高。

半径在2μm左右的很难通过以上两种方式除去。

第三章 水环境化学

8学时

1.掌握水环境中污染物的化学转化

2.掌握水环境中污染物的相间行为和界面过程

要求掌握水环境中污染物的化学转化，明确学习环境化学课程的目的。

无机污染物在水体中沉淀、溶解，氧化、还原，配合，吸附、解吸等过程及有

机污染物在水体中的分配、挥发、水解、光解等过程和原理。

各类污染物的pE计算及pE-pH图制作。

第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态 2学时第二节 水中无机污染物的迁移转化 4学时

第三节 水中有机污染物的迁移转化 2学时

1、复习教材和笔记中本章内容。

2、阅读

1、电子活度pE和pH的区别。

2、从湖水中取出深层水，其pH=6.0，含溶解氧质量浓度为0.32

mg/L，计算pE和E。

3、请叙述腐殖质的分类及其在环境中的作用。

4、向某一含有碳酸的水体中加入重碳酸盐：

总酸度、总碱度、无机酸度、酚酞碱度如何变化？

第三章水环境化学

第一节 水的基本特征及污染物存在形态

一、水的循环

二、水的资源性和有限性三、水的特性及环境效应四、天然水的分类和成分

表3-1天然水体的组成

1.主要离子

2、营养元素

3.有机质

（1）富里酸（fulvicacid）（也称黄腐酸），用FA表示，分子量为几百至几千，可溶于酸和碱；

分类

主 要 物 质

溶解物质

O2、CO2、H2S、CH4、N2等可溶解气体，Ca、Mg、Na、Fe、Mn

等离子的卤化物、碳酸盐、硫酸盐等盐类，其他可溶性有机物

胶体物质

Si、Al、Fe的水合氧化物胶体物质，粘土矿物胶体物质，腐殖质等

有机高分子化合物

悬浮物质

细菌、病毒、藻类及原生动物、泥沙、粘土等颗粒物

（2）腐植酸（humicacid）（也称棕腐酸），用HA表示，分子量为几千至几万，可溶于碱，但不溶于酸；

（3）胡敏酸（humin）（也称腐黑酸）：

不溶于酸和碱。

4.溶解气体

五、天然水的性质

（1）碳酸平衡

（2）天然水中的碱度和酸度

A、碱度（Alkalinity）是指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子的物质的总量。

组成水中碱度的物质可归纳为三类：

强碱、弱减、强碱弱酸盐。

总碱度：

用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变成橙红色（pH约4.3），停止滴定，此时所得的结果，也称为甲基橙碱度。

3

总碱度=[HCO3-]+2[CO2-]+[OH-]-[H+]

酚酞碱度：

滴定以酚酞为指示剂，当溶液pH值降到8.3时，表示OH-被中和，

CO2-全部转化为HCO-，得到酚酞碱度表达式：

3 3

酚酞碱度=[CO2-]+[OH-]-[HCO*]-[H+]

3 2 3

苛性碱度：

达到pHCO2-所需酸量时碱度，但不易测得。

苛性碱度=[OH-]-[HCO-]-2[HCO*]-[H+]

B、酸度（Acidity）：

指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H+或经过水解能产生H+的物质总量。

组成水中酸度的物质可归纳为三类：

强酸弱酸和强酸弱碱盐。

无机酸度：

以甲基橙为指示剂滴定到pH=4.3

无机酸度=[H+]-[HCO-]-2[CO2-]-[OH-]

游离CO2酸度：

以酚酞为指示剂滴定到pH=8.3

游离CO2酸度=[H+]+[HCO-]-[CO2-]-[OH-]

总酸度：

在pH=10.8处得到，但此时滴定曲线无明显突越，难以选择合适的指示剂，故一般以游离CO2作为酸度主要指标。

总酸度=[H+]+[HCO-]+2[HCO*]-[OH-]

应用总碳酸量（cT）和相应的分布系数（α）来表示：

总碱度＝cT（α1+2α2）+Kw/[H+]-[H+]

酚酞碱度＝cT（α2-α0）+Kw/[H+]-[H+]苛性碱度＝-cT（α1+2α0）+Kw/[H+]-[H+]总酸度＝cT（α1+2α0）+[H+]-Kw/[H+]

CO2酸度＝cT（α0-α2）+[H+]-Kw/[H+]

无机酸度＝-cT（α1+2α2）+[H+]-Kw/[H+]

第二节 水中无机污染物的迁移转化

一、水-颗粒物间迁移

1、水中颗粒物的类别

2、水环境中颗粒物的吸附作用

项目

离子交换吸附

专属吸附

作用

离子交换作用

范德化力、化学键、氢键、增水键

电性

同种电性不发生

同种电性发生

表面电荷

不变

可变

动力学

快速可逆

不可逆慢过程

水合氧化物对金属离子的专属吸附与非专属吸附的区别

非专属吸附

发生吸附的表面净电荷的符号

－

－、0、＋

金属离子所起的作用

反离子

配位离子

吸附时所发生的反应

阳离子交换

配位体交换

发生吸附时要求体系的pH值

＞零电位点

任意值

吸附发生的位置

扩散层

内层

对表面电荷的影响

无

负电荷减少

正电荷增加

3、沉积物中重金属的释放——属于二次污染问题二、水中颗粒物的聚集

1、物理凝聚理论

凝聚coagulation 电介质促成的聚集絮凝flocculation 聚合物促成的聚集

2、异体凝聚理论

三、溶解和沉淀

1、氧化物和氢氧化物 2、硫化物 3、碳酸盐 四、氧化还原

1、电子活度和氧化还原电位

（1）电子活度：

pE=-lg（ae） ae——水溶液中电子活度

（2）氧化还原电位E和pE的关系

pE=E/0.059 同样：

pE0=E0/0.059

2、天然水体的pE-pH图

3、天然水的pE和决定电位

4、无机氮化物的氧化还原转化

固氮：

是将气态氮转化为离子形式硝化反应：

由氨根离子转化为硝酸盐

反硝化：

由硝酸盐经亚硝酸盐转化为氮气的过程

4、无机铁的氧化还原

5、水中有机物的氧化

A、水中有机物可以通过微生物的作用，逐步降解转化为无机物

B、水中有机物有氧分解产物为CO2、H2O、SO2-、NO3-等，不会引起水质恶化；

而缺氧分解产物为NH3、H2S、CH4，将会使水质恶化。

五、配合作用

1、配合物在溶液中的稳定性

2、羟基对重金属离子的配合作用

3、腐殖质的配合作用

第三节 有机污染物在水环境的迁移转化

一、吸附作用

1、分配作用

分配系数：

非离子性有机化合物可通过溶解作用分配到土壤有机质中，并经过一定时间达到平衡，此时有机化合物在土壤有机质和水中含量的比值；

2、标化分配系数

为了在类型各异组分复杂的沉积物或土壤之间找到表征吸着的常数，引入了标化的分配系数（Koc）：

RH=Kh[c]={KA[H＋]+KN+KB[OH-]}[c]

KA、KN、KB——分别为酸性催化、碱性催化和中性过程的二级反应水解速率常数Kh——在某一pH值下准以及反映水解速率常数

如果考虑到吸附作用的影响，则水解速率常数。

表达为：

Kh=KN+aw（KA[H+]+KB[OH-]） aw——有机化合物溶解态的分数四、光解作用

1、直接光解：

化合物本身直接吸收了光能而进分解反应。

2、敏化光解：

水体中存在的天然物质被阳光激发后，又将其激发态的能量转移给化合物而导致的分解反应。

3、氧化反应：

4、光量子产率：

进行光学反应的光子占吸收总光子数之比

五、生物降解作用

Kh——水解速率常数

-d[RX]/dt=Kh[RX]

实验表明，水解速率与pH有关，水解速率可表示为：

Koc=Kp/Xoc

式中：

Koc——标化的分配系数，即以有机碳为基础表示的分配系数；

Xoc——沉积物中有机碳的质量分数。

二、挥发作用

三、水解作用

1、几类有机物可能的水解反应产物

2、水解反应的动力学分析

通常测定的水解反应是一级反应，即

第四章 土壤环境化学

4学时

1.了解土壤的组成和性质，了解污染物在土壤、植物体系中迁移的特点、影响因素及作用机制。

2.掌握土壤的吸附、酸碱和氧化还原特性。

要求掌握对土壤环境问题认识的发展以及对环境化学提出的任务，明确学习环境化学课程的目的。

污染物在土壤中的分布、迁移、转化与归趋的规律。

土壤的酸碱度、缓冲作用、吸附性、氧化还原等性质对污染物在土壤中的迁移、

转化的作用。

第一节 土壤环境化学 1学时

第二节 土壤的化学污染 2学时

第三节 土壤污染的防治 1学时

王麟生等编 环境化学导论-2版华东师范