第02章 人类十大环境危机中的化学——绿色化学的兴起

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第二章
人类
十大环境危机
中的
化学困惑——
绿色化学的兴起
第二章 绿色化学的兴起
20世纪的高度工业化,为人类带来丰富的物质 生活。当人们陶醉在现代文明的舒适享受中时,人 类对大自然的破坏已经引起大自然的报复。 蓦然回首,人类发现自己已深陷十大环境危机 中:全球变暖(温室效应)、臭氧层破坏、生物多 样性减少(物种濒危)、森林锐减、土地荒漠化、 大气污染(酸雨蔓延)、水体污染(水资源不足)、 海洋污染(海洋生态危机)、固体废物(垃圾越来 越多)、人口猛增。
起点:CFCl3+紫外线→自由氯原子(Cl) a. Cl + O3 → ClO + O2 b. O3 ↔ O + O2 (光照下的可逆反应) c. ClO + O → Cl + O2 净反应:2 O3 → 3 O2
由于氯原子在发生上述反应后能重新分解出来,所以高空 中即使有少量氯原子,也会使臭氧层受到严重破坏(每个氯原 子能催化破坏数千个到10万个臭氧分子)。
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /二、虫口夺粮靠什么——农药
3、任重而道远的农药
由于世界人口激增,粮食生产仍低于需求,在一些贫困国 家,仍有很多人在挨饥受饿,平均每3.6秒就有一个人饿死。 所以,农药作为植物保护的重要手段,今后还是必要的。 此外,杀虫剂在疾病载体控制,以及健康和生命保护的卫 生项目中,也起着决定性的作用。例如,疟疾问题中的疟蚊的 防治,农药挽救了世界各地数以百万计人的生命,而且今后还 将如此。 总之,农药也是最重要的对付饥饿和保护人类生命的武器 之一。然而,由于农药毒性引起的负面影响也非常严重。
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /三、人生七十已不稀——医药
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /三、人生七十已Βιβλιοθήκη Baidu稀——医药
2、磺胺药物的偶然发现(下)
于是,他用此药对一位因患细菌性血中毒已处于无望状 态的孩子进行了试验,使她得以康复。 在此启发下(Domagk因此获得了1939年诺贝尔生理 医学奖),化学家制备了许多含有氨磺酰基的新型药物,即 磺胺药物。 磺胺曾经广为使用,现在有时仍用于临床。某些药物可 以杀死细菌而不伤害人畜的发现,开辟了一个主要的新研究 领域,于是许许多多性能更好的抗菌化合物就此不断地被创 造或发现出来。
第三节 氟利昂——从“制冷界明星” 到“臭氧杀手”
二、氟利昂——制冷界的“昔日明星” 1、氟利昂的用途与发现
氟利昂作为制冷剂(空调、冰箱中)、抛射剂(气雾 剂产品中)等,在工业生产中具有重要地位,它还可作为发 泡剂(发泡塑料制造)、清洁剂(电子产品清洗)和灭火 剂。 氟利昂的发现,曾一度被认为是元素周期表应用的重 要成果。
第一节 “可燃冰”——未来重要而清 洁的潜在能源
二、甲烷及其水合物: 2、可燃冰的风险与挑战
因为“可燃冰” 燃烧时几乎不产生任何残渣或废弃物, 被认为是未来重要而清洁的潜在能源。 但是,天然气水合物开发上技术困难。目前,仅俄罗斯 进行了工业开发,日本、印度也很重视,中国尚未真正开采出 天然的“可燃冰”样品。 同时,温室效应与海洋地质灾害(如海啸)难以预料。
第一节 “可燃冰”——未来重要而清 洁的潜在能源
二、甲烷及其水合物: 1、可燃冰及其好处
水分子与甲烷和低分子量的烷烃,如乙、丙、丁烷,在 低温、高压环境下形成的类似冰状的固态结晶物质——天 然气水合物,其大量存在海底和北极永久冻土层内,中国 南海、东海也有发现。 常温、常压下,天然气水合物分解为水与甲烷等烷烃, 1 cm3的水合物可释放出164 cm3的天然气,极易燃烧,也 称为“可燃冰”。
第一节 “可燃冰”——未来重要而清 洁的潜在能源
一、温室气体: 2、甲烷的危害
虽然大气中CH4的浓度很低,但它在大气中聚热的效 果是CO2的25倍。最近200年,大气中CH4浓度增加了一 倍以上。在全球变暖的作用中,CH4占5%以上。 由于甲烷在空气中的寿命比二氧化碳短得多,控制其排 放对减缓全球增温容易收到明显效果,因此近年来甲烷的 排放问题(养牛、种水稻)受到特别的重视。
第三节 氟利昂——从“制冷界明星” 到“臭氧杀手”
二、氟利昂——制冷界的“昔日明星”
2、氟利昂的种类与结构
(1)种类:氟利昂是饱和碳氢化合物的卤(氟、氯、
溴)代物的总称。其种类有数十种,其中F12和F22(R12和 R22)为中压中温制冷剂,具有无色、无味、基本无毒、不燃 烧、不爆炸、不腐蚀金属等特点,是极其安全的制冷剂。
第三节 氟利昂——从“制冷界明星” 到“臭氧杀手”
一、臭氧层破坏的后果:
高空臭氧层的存在,使人类免受紫外线的侵害,为人类的 正常生存提供了必不可少的保障。因此,臭氧层被称为地球的 “保护伞”。 但是卫星预测资料显示,高空臭氧(O3)生成和消亡的 自平衡关系,已被人类活动(如氟利昂大规模使用、核爆 炸和喷气式飞机高空飞行)所破坏,其浓度正在降低。 臭氧层的破坏,将使紫外线等短波辐射增强,导致皮肤癌 患者增加,同时对自然生态系统带来严重影响。维护臭氧层的 平衡,已成为一个全球性的环境问题。
第四节 化肥、农药、医药——人 口猛增的“功臣”
一、固氮功臣是非多——哈伯
二、虫口夺粮靠什么——农药
三、人间七十已不稀——医药
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /一、固氮功臣是非多——哈伯
1、化学固氮的意义
植物的生长需要氮(N)、磷(P)、钾(K)元素。 将空气中的氮气(N2)高效转化为植物生长所需的氮 元素这一过程称之为“固氮”。 一般固氮多为生物固氮。生物固氮(天然)是指固氮 微生物将大气中的氮还原成氨的过程,但远远不能满足人类 的需要。 因此,化学固氮(人工固氮)的研究对于解决粮食 问题具有十分重要的意义。
(2)结构:根据氯氟烃的英文名称
Chloro-fluoron- carbon,取其字头组成缩写 CFC,用CFC代码作为氯氟烃的统称。
F X C X X
氟利昂到达大气上层后,在紫外线照射下分解出自由氯原 子,氯原子与臭氧反应,使臭氧分解,具体反应过程为:
第三节 氟利昂——从“制冷界明星”到 “臭氧杀手”/ 三、氟利昂成为“杀手”的秘 密
第一节 “可燃冰”——未来重要而清 洁的潜在能源
一、温室气体:
1、温室气体的种类
H2O(水蒸气)、CO2、NOX(氮氧化物)、 CH4等都是温室气体,但其中最重要的是CO2和CH4。
工业的发展使CO2的排放量增加很多,有学者预测若 大气中CO2浓度翻一番,全球将变暖5℃。 全球变暖的结果是,导致海平面上升、高山雪线 上移、厄尔尼诺等现象的产生。
天灾人祸谁之过?
第二章 绿色化学的兴起
其中,问题的“主角”典型地涉及化学的有温 室效应、臭氧层破坏、酸雨蔓延、人口猛增等几大 危机。但这些问题的“主角”真的都是如此“坏” 吗?
以怨报德何其多!
第一节 第二节 子” 第三节 第四节
“可燃冰”——未来重要而清洁的潜在能源 NO——昔日“罪魁祸首”,今朝“明星分 氟利昂——从“制冷界明星”到“臭氧杀手” 化肥、农药、医药——人口猛增的“功臣” 本章思考题
二、NO的神奇:
然而,自20世纪80年代末,科学家发现,NO居然是一种 重要的信使分子: NO可激发人体产生许多生物响应,在各种生化过程中起 着关键的作用,如有助于控制血压、免疫调节、神经传递和 血小板凝聚抑制等生理功能等(伟哥——NO:与性有关的 物质)。 因此,对一氧化氮的研究,迅速发展成为一门目前最活 跃的生命科学前沿领域。1998年,NO被《时代》杂志评为 “明星分子”。
第二节 NO——昔日“罪魁祸首”,今 日“明星分子”
三、NO的困惑:
1、NO中的哲学:
关键是一氧化氮的量——自然界的辩证法!在许多组 织中,尽管其真正的释放量目前尚难于检测,但已确知会释 放出不同浓度的一氧化氮,且浓度的变化与机体的生理机能 紧密相关。
2、NO中的疑惑: 硝化甘油——炸药(电影《垂直极限》) ——药物 (心机梗塞)——诺贝尔的疑惑?
义的冲突?
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /一、固氮功臣是非多——哈伯
4、如今化肥是非多
肥料有助于改善土壤有助于产生营养物,诸如氮等,对 农作物的生长是必不可少的。 化肥在为世界增长的人口,特别是像印度这些人口剧增 的国家,在提供食物方面发挥了很大的作用。 但是,环境专家抨击使用化肥,因为供水可能因此受 到污染;再者,大量的能源耗于氨的生产。 ——因此,农业、经济、人口与环境之间的矛盾, 使化学固氮的过去与未来都充满了困惑。
第二节 NO——昔日“罪魁祸首”,今 日“明星分子”
一、NO的危害:
一氧化氮(NO)是长期以来被公认是著名的大气 污染物(导致酸雨、危害呼吸系统)之一。
化学家们长期为NO的消除而发愁,近来找到了一种消
除NO并生成苯酚的新方法:
+
NO
Catalyst
OH
+
N2
第二节 NO——昔日“罪魁祸首”,今 日“明星分子”
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /一、固氮功臣是非多——哈伯
2、哈伯的历史贡献
德国化学家哈伯,一生致力于化学平衡及气体反应等方 面的研究。1918年,他提出借热化学循环来求出晶体点阵能 的方法,被称为哈伯循环。 哈伯最大的贡献,是1909年在卡尔斯鲁厄任教期间所完 成的氨(NH3)合成法。他采用了过渡金属锇为催化剂, 并使未反应的气体原料循环使用、首次取得具有工业化价值 的合成氨方法,并立即为德国巴登苯胺纯碱公司所采用。 因此,哈伯获得了1918年诺贝尔化学奖。
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /二、虫口夺粮靠什么——农药
2、历史上的灾害
历史上曾经发生过很多次大灾害,都是由于缺乏有效的 防治手段的结果。 例如,1845年由于马铃薯晚疫病大流行所造成的震 惊世界的爱尔兰大饥荒,1870~1880年间由于葡萄霜 霉病大流行所导致的法国葡萄种植业的崩溃以及葡萄 酒酿造业的倒闭,我国历史上十多次由于“南螟北蝗” 造成的全国大饥荒等,都是由于缺乏有效的防治手段的结果。
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /二、虫口夺粮靠什么——农药
1、惊人的数字
农药的使用是农业增产的重要因素,是解决世界上60亿 人口温饱问题的有力措施。 据统计,世界谷物生产每年因虫害损失14%,病害损失 10%,草害损失11%。我国的农作物从种植到储藏,因病、 虫、草、鼠的危害,粮食最少损失10%~15%,棉花约 15%,水果、蔬菜20%~30%。 农药的使用可以挽回大部分的损失,在农业抵抗病虫害 方面起着积极的作用。
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /一、固氮功臣是非多——哈伯
3、哈伯的个人遗憾
1918年的化学奖颁给了哈伯,科学史上引起了无数的争 议:因为他在第一次世界大战期间发明了毒气——最早的化 学武器氯气(Cl2),使战争中死于毒气的人不计其数。 当时,许多科学家都不屑与之为伍。战后,哈伯自己也 感到罪孽深重,以致于怕被人认出来而蓄起了胡子,并到外 国去避了一段时间的风头。 但是,因哈伯是犹太人,二战中他被祖国德国“抛弃” 而被迫流亡瑞士,最终客死他乡。——科学、爱国与正
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /三、人生七十已不稀——医药
1、年龄与药物的关系
1900年,在美国出生的一名男子的期望寿命只 有47岁(中国33岁左右)。 但是,2000年出生在这个国家的一名男子的期 望寿命大约是75岁(中国72岁左右) 。 这个难以置信的进步,可以主要归功于药物化 学家的贡献,其中最重要的当数抗菌素的开发。
第四节化肥、农药、医药——人口猛增的 “功臣” /三、人生七十已不稀——医药
2、磺胺药物的偶然发现(上)
19世纪20年代,细菌感染常导致人生病死亡。
此时,随着染料工业的发展,化学家开始合成许多用于 布料的染料,包括某些带有称做氨磺酰基官能团的化合物。
德国科学家Gerhard Domagk发现一家染料厂的工人较少 因细菌感染患病,因此他决定对多种人工合成的染料化合物 进行试验,观察其中是否有可以杀死细菌的化合物。 1932年,他找到了一种叫做Prontosil(百浪多息)的红 棕色的染料,有效地治愈了受细菌致命感染的老鼠。
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