第2章普化.ppt

1,第 2 章,化学反应的基本原理与大气污染,2,本章学习要求,4 了解大气的主要污染物，温室效应、臭氧层空洞、酸雨及光化学烟雾等综合性大气污染及其控制。了解清洁生产和绿色化学的概念,3 了解浓度、温度与反应速率的定量关系。了解元反应和反应级数的概念。能用阿仑尼乌斯公式进行初步计算。能用活化能和活化分子的概念，说明浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响。了解链反应与光化学反应的一般概念,3,2.1 化学反应的方向和吉布斯函数变 2.2 化学反应进行的程度和化学平衡 2.3 化学反应速率 2.4 大气污染及其控制,目 录,4,在给定条件下能自动进行的反应或过程叫自发反应或自发过程,自发过程的共同特征,具有不可逆性单向性 有一定的限度 3 可有一定物理量判断变化的方向和限度判据,2.1.1 影响反应方向的因素,2.1 化学反应的方向和吉布斯函数变,气体向真空膨胀； p,例如,热量从高温物体传入低温物体 T,浓度不等的溶液混合均匀 c,锌片与硫酸铜的置换反应等 G,5,它们的逆过程都不能自动进行。当借助外力，体系恢复原状后，会给环境留下不可磨灭的影响,反应能否自发进行，还与给定的条件有关。 根据什么来判断化学反应的方向或者说反应能否自发进行呢,6,自然界中一些自发进行的物理过程中，如物体下落等，都伴有能量的变化，系统的势能降低或损失了。这表明一个系统的势能有自发变小的倾向，或者说系统倾向于取得最低的势能,在化学反应中同样也伴有能量的变化，但情况要复杂得多,为此要引进热力学状态函数熵S 和吉布斯函数G。这样，只有通过热力学函数的有关计算而不必依靠实验，即可知反应能否自发进行和反应进行的限度,7,在25C标准态条件下，上述二例都能自发进行。但它们的焓变却不一样，前者为放热反应，而后者则为吸热过程。如果用焓变作为反应能否自发进行的判据，则结论将彼此矛盾，因此，用焓变作为判据行不通,1. 反应的焓变与熵变,8,熵的定义,熵是系统内物质微观粒子的混乱度或无序度的量度,Sk ln,k为玻尔兹曼常数，为系统的微观状态的数目热力学概率,观看混乱度示意动画,思考两种气体混合过程的熵变如何,混合过程使系统的混乱度增加，因此熵增加,9,在隔离系统中发生的自发进行反应必伴随着熵的增加，或隔离系统的熵总是趋向于极大值。这就是自发过程的热力学准则，称为熵增加原理,S隔离 0,这就是隔离系统的熵判据,热力学第二定律的统计表达为,2.2,10,克劳修斯Clausius，1850表述不能把热从低温物体传到高温物体,而不产生其他影响,开尔文Kelvin，1851表述不可能从单一热源吸取热量使之完全转变为功，而不引起其他变化,奥斯特瓦德Ostward表述不可能制成第二类永动机。第二类永动机从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。,热力学第二定律的另外表述方式,11,系统内物质微观粒子的混乱度与物质的聚集状态和温度等有关。在绝对零度时，理想晶体内分子的各种运动都将停止，物质微观粒子处于完全整齐有序的状态。人们根据一系列低温实验事实和推测，总结出一个经验定律,热力学第三定律,在绝对零度时，一切纯物质的完美晶体的熵值都等于零,2. 3,S 0 K 0,热力学第三定律也可以表述为“不能用有限的手段使一个物体冷却到绝对零度,12,熵变的计算,熵值计算的参考点,S 0 K k ln 1 0,思考指定单质的标准熵值是零吗,13,根据上述讨论并比较物质的标准熵值，可以得出下面一些规律,1 对于同一种物质 Sg Sl Ss,3 对于不同种物质 S复杂分子 S简单分子,4 对于混合物和纯净物 S混合物 S纯物质,2 同一物质在相同的聚集状态时，其熵值随温度的升高而增大。 S高温S低温,熵的性质,熵是状态函数，具有加和性,14,利用这些简单规律，可得出一条定性判断过程熵变的有用规律,对于物理或化学变化而论，几乎没有例外，一个导致气体分子数增加的过程或反应总伴随着熵值增大。即 S 0；如果气体分子数减少，S 0,15,16,例2.1 试计算石灰石热分解反应的熵变和焓变，并初步分析该反应的自发性,-635.09-393.509--1206.92 kJ.mol-1,178.32 kJ.mol-1,17,18,可从热力学推出，在恒温可逆过程中系统所吸收或放出的热量以qr 表示除以温度等于系统的熵变S,熵”即由其定义“热温商”而得名。熵的变化可用可逆过程的热量与温度之商来计算,2.5,熵的热力学定义,19,例2.2 计算在101.325 kPa 和 273.15 K下，冰融化过程的摩尔熵变。已知冰的融化热 qfusH2O 6007 J.mol-1,解 在 101.325 kPa 大气压力下, 273.15 K0C 为冰的正常熔点, 所以此条件下冰融化为水是恒温、恒压可逆相变过程，根据式2.5得,式2.5表明，对于恒温、恒压的可逆过程， TS qr H 。所以 TS 是相应于能量的一种转化形式，可以与 H 相比较,20,1875年，美国化学家吉布斯Gibbs首先提出一个把焓和熵归并在一起的热力学函数G 现称吉布斯自由能或吉布斯函数，并定义,G H TS,对于等温过程,吉布斯美国物理学家、化学家18391903，1958年入选美国名人纪念馆,3. 反应的吉布斯函数变,21,2.1.2 反应自发性的判断G,G 0 ，非自发过程，过程能向逆方向进行,G 0 ，平衡状态,1. 以G为判断标准最小自由能原理,G 0 ，自发过程，过程能向正方向进行,2.7,22,表2.1 熵判据和吉布斯函数判据的比较,23,应当指出，如果化学反应在恒温恒压条件下，除体积功外还做非体积功 w，则吉布斯函数判据就变为热力学可推导出,此式的意义是在等温、等压下，一个封闭系统所能做的最大非体积功 - w 等于其吉布斯自由能的减少 - G ,G - w 自发过程,G - w 平衡状态,G - w 非自发过程,2.8,G -wmax 2.9,式中， wmax表示最大电功（见第四章有关内容,24,表2.2 H、S 及T 对反应自发性的影响,25,大多数反应属于H 与S 同号的上述或两类反应，此时温度对反应的自发性有决定影响，存在一个自发进行的最低或最高温度，称为转变温度 Tc G 0,2.10,不同反应的转变温度的高低是不同的，它决定于H与S的相对大小，即 Tc 决定于反应的本性,应当注意,26,2. G与G 的关系,27,28,分压定律,为了确定混合气体中某组分气体 i 的分压力，可用道尔顿分压定律。理想气体的分压定律有两个关系式。 第一，混合气体的总压力 p 等于各组分气体分压力 pi 之和。即,第二，混合气体中某组分气体 i 的分压力等于混合气体的总压力 p 与该组分气体的摩尔分数 xi 之乘积。即,29,工业和分析化学中常用各组分气体的体积分数 来表示混合气体的组成。某组分气体的体积分数等于其分体积与总体积之比即,30,2.1.3 反应的摩尔吉布斯函数变的计算及应用,1. 298.15K 时反应的标准摩尔吉布斯函数变的计算,31,对应于反应式1.1b，计算公式为,32,2. 其他温度时的rGm的计算,33,上述几个计算公式都是适用于标准状态的，而实际的条件不一定是标准状态的。因此，反应的 rG 可根据实际条件用热力学等温方程 2.11 进行计算，即,3. 任意态时反应的摩尔吉布斯函数变的计算,34,35,36,例2.4 已知空气压力 p 101.325kPa，其中所含CO2 的体积分数为0.030，试计算此条件下将潮湿Ag2CO3 固体在 110 的烘箱中干燥时热分解反应的摩尔吉布斯函数变。问此条件下Ag2CO3s Ag2Os CO2g的热分解反应能否自发进行有何办法阻止Ag2CO3 的热分解,37,38,4. rG 和rG的应用,思考 能用热分解法消除CO污染吗 COg Cs 1/2O2g,答吸热、熵减、任何温度均非自发,39,2.2 化学反应进行的程度和化学平衡,对于恒温恒压下不做非体积功的化学反应，当rG 0时，系统在rG 的推动下，使反应沿着确定的方向自发进行。随着反应的不断进行， rG 值越来越大，当rG 0时，反应因失去推动力而在宏观上不再进行了，即反应达到了平衡状态。rG 0 就是化学平衡的热力学标志或称反应限度的判据,平衡系统的性质不随时间而变化,2.2.1 反应限度的判据与化学平衡,40,2.2.2 平衡常数和多重平衡法则,Kp 与 Kc 分别称为压力平衡常数与浓度平衡常数，都是从考察实验数据而得到的，所以称为实验平衡常数,2.20,2.19,实验表明，在一定温度下，当化学反应处于平衡状态时，以其化学反应的化学计量数（绝对值）为指数的各产物与各反应物分压或浓度的乘积之比为一个常数。例如，对于一般化学反应,41,42,当反应达到平衡时 rGmT 0，则热力学等温方程式2.11a可写成,2.22,将式2.21代入式2.23可得,43,44,45,46,2. 多重平衡,47,2.2.3 化学平衡的有关计算,2当涉及各物质的初始量、变化量、平衡量时，关键是搞清楚各物质的变化量之比即为反应式中各物质的化学计量数之比,有关平衡计算中，应特别注意,1写出配平的化学反应方程式，并注明物质的聚集状态如果物质有多种晶型，还应注明是哪一种,48,例2.5 Cs CO2g 2COg是高温加工处理钢铁零件时涉及脱碳氧化或渗碳的一个重要化学平衡式。试分别计算该反应在298.15 K 和1173 K 时的平衡常数，并简要说明其意义,解,49,2 1173 K时,50,结果讨论,从计算结果可以看出，在常温下堆放的煤炭是不会转化成有毒的CO；反之在高温条件下，则将有利于CO的生成,51,补充例题2.1求反应 2NOg 2COg N2g 2CO2 g能够自发进行的温度,52,从计算结果可以看出，反应 2NOg 2COg N2g 2CO2 g 在3772 K 以下均可自发进行。因此使用适当的催化剂即可实现汽车尾气无害化治理。这就是尾气无害化治理的热力学理论依据,53,解,起始时物质的量/mol 1.2 2.0 0,平衡时物质的量/mol 0.1 1.45 1.1,反应中物质的量的变化/mol -1.10 -1.10/2 1.10,平衡时的摩尔分数 x 0.10/2.65 1.45/2.65 1.10/2.65,54,则平衡分压为,55,此反应为气体分子数减小的反应，可判断rS 0，而从上面计算已得rGm 0 ，则根据吉布斯等温方程式 G H T . S 可判断必为 r Hm 0 的放热反应，根据平衡移动原理，高压低温有利于提高 SO2 的转化率。（在接触法制硫酸的生产实践中，为了充分利用SO2 ，采用比本题更为过量的氧气，在常压下 SO2 的转化率可高达96 98，所以实际上无需采取高压。,讨论,56,2.2.4 化学平衡的移动及温度对平衡常数的影响,吕查德里（A. L. Le Chatelier） 原理,假如改变平衡系统的条件之一，如浓度、压力或温度，平衡就向能减弱这个改变的方向移动,因条件的改变使化学反应从原来的平衡状态转变到新的平衡状态的过程叫化学平衡的移动,57,根据热力学等温方程式rGm rGm RT lnQ及 rGm -RT ln K ，合并此两式可得,58,式2.28称为范特霍夫 J. H. vant Hoff 等压方程式,J. H. vant Hoff 18521911 荷兰物理化学家，因发现溶液中化学动力学法则和渗透压的规律荣获1901年诺贝尔化学奖,59,60,特别注意,61,解根据范特霍夫等压方程式2.28b得,62,2.3 化学反应速率,影响反应速率的因素,反应物的本性， 反应物的浓度和系统的温度、 压力、催化剂 等宏观量， 光、电、磁等外场,63,反应速率的定义,对于化学反应,2.30a,即用单位时间单位体积内发生的反应进度来定义反应速率。根据式1.5 d vB1dnB，对于恒容反应 dcBdnB/V，上式可写成反应速率的常用定义式,2.30b,的 SI单位moldm-3 s-1,64,例如对于合成氨反应,其反应速率,65,2.3.1 浓度的影响和反应级数,1. 速率方程和反应级数,对于元反应即一步完成的反应反应速率与反应物浓度的乘积成正比质量作用定律,对于通式, kcAa . cBb,若为元反应，则反应速率方程为,k 称为速率常数,各反应物浓度项指数之和n a b 称为反应级数,66,1. 基元反应和复杂反应,基元反应由反应物一步直接生成产物的反应。也称为元反应,复杂反应反应的实际过程由几个基元反应组成的过程,双分子基元反应,双分子复杂反应,基元反应和复杂反应示意图,67,由一个元反应构成的化学反应称为简单反应,2NO O2 2NO2 k cNO2 . cO2 三级反应,例如 C2H5Cl C2H4 HCl k cC2H5Cl 一级反应,NO2 CO NO CO2 k cNO2 . cCO 二级反应,68,由两个或两个以上元反应构成的化学反应称为复合反应,对于反应 2NO 2H2 N2 2H2O,根据实验结果得出速率方程为 k cNO2 . cH2,则可肯定此反应决非元反应。进一步的反应机理（又称反应历程，即组成复合反应的一系列元反应的步骤）研究认为这个反应按照下列连续的过程进行的,2NO H2 N2 H2O2 （慢） H2 H2O2 2H2O（快,69,又如H2 I2 2HI， 其速率方程为 k cH2 . cI2,告诉我们，该反应也不是元反应。对于一个具体的反应，究竟是不是元反应，应以实验结果为准，切不可望文生义,看上去似乎是元反应，但它的反应机理,70,元素的放射性衰变，蔗糖水解， H2O2 分解等属于一级反应,2.32,将上式进行整理并积分可得,2.33a,或,lnc -kt lnc0,2.33b,2. 一级反应,当反应物消耗一半所需的时间，称为半衰期，符号为 t1/2,2.34,71,60Co 的 t1/2 5.2年,14C 的 t1/2 5730 年,238U 的 t1/2 4.5109年,232Th 的 t1/2 1.41010年,14C 常用于文物的年代测定,238U常用于地球的年龄测定,232Th是半衰期最长的同位素,60Co是医用放射性同位素,例如,72,图2 一级反应,以 ln c 对反应时间 t 作图,一级反应的三个特征,lnc对t作图为一直线,t1/2与反应物起始浓度无关,速率常数 k 的量纲为时间1,73,例如实验测得45 N2O5 在不同时间 t 时的分压如下,解因在等温等容条件下，气体的分压与其浓度成正比，故可根据实验数据作 lg pN2O5与反应时间 t 的图，得右图,从图中可以看出lg pN2O5对t 为一直线，因此 N2O5 的分解反应为一级反应,74,附例已知 226Ra 的半衰期为1590 年，求此一级反应的速率常数，并计算1 mg Ra 的放射性强度为多少居里居里的定义为每秒有3.71010 次核衰变,解,1 mg Ra 含有的原子数为,每秒钟衰变的镭原子数为,1 mg Ra相当的放射性强度为,75,例2.8 从考古发现的某古书卷中取出的小块纸片，测得其中 14C/12C 的比值为现在活的植物体内 14C/12C 的比值的0.795 倍。试估算该古书卷的年代,可用式2.34求得此一级反应速率常数k,根据式2.33a及题意 c 0.795 c0，可得,t 1900 a,76,2.3.2 温度的影响和阿仑尼乌斯公式,阿仑尼乌斯根据大量实验和理论验证，提出反应速率与温度的定量关系式,2.35a,a,b,图2.3 常见反应的速率常数k与T的关系,S. A. Arrhenius 18591927，瑞典物理化学家，因提出电解质溶液理论，首创电离学说，他获 1903 年诺贝尔化学奖,77,若以对数关系表示,2.35b,或,2.35c,式中 A 为指前因子，与速率常数 k 有相同的量纲；Ea 叫做反应的活化能也称阿仑尼乌斯活化能，常用单位为 kJ. mol-1； A 与 Ea 都是反应的特性常数，基本与温度无关，均由实验求得,阿仑尼乌斯公式的应用 求Ea至今仍是动力学中求Ea 的主要方法。 2 计算给定 T 时的 k,注意并非所有的反应都符合阿累尼乌斯公式,78,应当注意,2.35c,79,例2.9 在 301 K 28时,新鲜牛奶约 4 h 变酸，但在278 K5的冰箱内，鲜牛奶可保持48 h 才变酸。设在该条件下牛奶变酸的反应速率与变酸时间成反比，试估算在该条件下牛奶变酸反应的活化能。若室温从 288 K 15升到 298 K 25，则牛奶变酸反应速率将发生怎样的变化,解1反应活化能的估算,根据式2.35c,80,2 反应速率随温度升高而发生的变化,温度从288 K升高到298 K，按式2.35c可得,所以,反应速率增大到原来速率的2.9倍。 温度升高使反应速率增加的原因是系统中活化分子数随温度升高而增加,81,2.3.3 反应的活化能和催化剂,在不同的理论中，活化能的定义是不相同的。被人们广泛接受的化学反应速率理论有碰撞理论和过渡态理论,1. 活化能的概念,碰撞理论,只有具有足够能量的反应物分子的碰撞才有可能发生反应。这种能够发生反应的碰撞叫有效碰撞,发生反应的有效碰撞的分子，还必须沿着特定的方向碰撞,那些具有足够高能量，能发生有效碰撞的分子称为活化分子，要使普通分子成为活化分子所需最小能量称为活化能,82,过渡态理论,具有足够能量的分子彼此以适当的空间取向相互靠近到一定程度时，会引起分子或原子内部结构的连续性变化，使原来以化学键结合的原子间的距离变长，而没有结合的原子间的距离变短，形成了过渡态的构型，称为活化络合物,例如,83,反应过程,能量,EI,EII,Ea 正,Ea 逆,E rHm,终态,始态,过渡态,I,II,图2.4 反应系统中活化能示意图,84,例2.10 已知下列氨分解反应 的活化能 约为300 kJ. mol-1，试利用标准热力学函数估算合成氨反应的活化能,解,85,稳定性可分为热力学稳定性和动力学稳定性两类。一个热力学稳定系统必然在动力学上也是稳定的。但一个热力学上不稳定的系统，由于某些动力学的限制因素如活化能太高，在动力学上却是稳定的如合成氨反应等,2. 热力学稳定性与动力学稳定性,86,从活化分子和活化能的观点来看，增加单位体积内活化分子总数可加快反应速率,活化分子总数 活化分子分数分子总数,3. 加快反应速率的方法,87,催化剂能与反应物生成不稳定的中间化合物，改变了反应历程，降低了反应的活化能观看动画,反应过程,能量,Ea, 1,Ea, 2,Ea, 3,E,N2 H2,NH3,图2.5 合成氨反应,4. 催化剂（触媒,88,例2.11 计算合成氨反应采用铁催化剂后在 298 K和773 K时反应速率各增加多少倍设未采用催化剂时 Ea1 254 kJ.mol-1,采用催化剂后 Ea2 146 kJ. mol-1,解设指前因子 A 不因采用铁催化剂而改变，则根据阿仑尼乌斯公式 2.35b 式可得,当 T 298 K，可得,如果 T 773 K工业生产中合成氨反应时的温度），可得,故,89,催化剂的主要特征,1）改变反应途径，降低活化能，使反应速率增大,助催化剂 合成氨的铁催化剂-Fe Al2O3 K2O中- Fe是主催化剂， Al2O3 、K2O等是助催化剂,2）只能改变达到平衡的时间而不能改变平衡的状态,3）有特殊的选择性,4）对某些杂质特别敏感,催化剂毒物 如CO可使合成氨铁催化剂中毒,90,塑料中各种防老化剂大多属于负催化剂,汽车尾气净化催化剂,多孔陶瓷为载体 Pt、Pd、Ru为主催化剂 CeO2为助催化剂,汽车尾气净化催化剂,少量的铅即可使其中毒，从而失去催化活性。因此，安装这种尾气净化催化剂的汽车是不能够使用含铅汽油的,91,多相催化反应,在使用催化剂的反应中多数催化剂为固体，而反应物则为气体或液体，这样的反应系统被称做多相催化反应。为了增大这类催化反应的速率，用来做催化剂的固体一般为多孔的或微细分散的，有时则把微细分散的催化剂（或称催化活性物质）散布在多孔性的载体上，以提高催化活性，同时可减小反应物流过时的阻力。反应主要在相界面上进行，决定反应速率的因素还有,接触面大小,扩散作用,92,酶生物催化剂 催化的特色,图2.6 酶催化反应的速率常数k 与T 的关系,5. 酶催化和模拟酶催化,酶催化和模拟酶催化 不符合Arrhenius公式,1）高度的选择性,2）高度的催化活性,3）特殊的温度效应,4）反应条件温和,93,2.3.4 链反应和光化学反应,1. 链反应,可分为直链反应和支链反应。直链反应可以应用于工业生产，支链反应一般可导致爆炸,a,b,94,3 链终止 2 H. M H2 M 2 H. H2,链反应包括链引发、链传递和链终止三步，如H2与Cl2的反应属直链反应,1 链引发 Cl2 2Cl,2 链传递 Cl. H2 HCl H. H. Cl2 HCl Cl,95,表2.3 某些可燃气体在空气中的爆炸范围,96,2光能使某些非自发过程得以实现,3光化学反应比热反应更具有选择性,光化学反应特点,1速率主要决定于光的强度而受温度影响小,叶绿素,叶绿素光合作用催化剂也叫光敏剂,3. 光化学反应,97,利用单色光（例如激光）可以激发混合系统中某特定的组分发生反应（如红外激光反应能把供给反应系统的能量集中消耗在选定要活化的化学键上，称为选键化学），从而达到根据人们的意愿，设计指定的化学反应。如有机化学中可选择适当频率的红外激光，使反应物分子中特定的化学键或官能团活化，让反应按照人们的需要定向进行，即实现所谓“分子剪裁,98,2.4 大气污染及其控制,近半个世纪以来，随着工业和交通运输的迅速发展，向大气中大量排放烟尘、有害气体、金属氧化物等，使某些物质的浓度超过它们的本底值并对人及动植物产生有害的效应，这就是大气污染,主要热点问题 全球性的酸雨 温室效应 臭氧层的破坏 光化学烟雾,99,2.4.1 环境化学与重要大气污染事件,1. 环境化学与环境污染物,环境科学是以实现人和自然和谐为目的,研究以及调整人与自然关系的科学。它是 20 世纪 70 年代初由多学科交叉渗透而形成的综合性新学科。环境化学既是环境科学的核心组成部分，也是化学学科的一个新的重要分支。它是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一门新兴的交叉学科。它主要研究有害化学物质在环境介质中存在的浓度、形态和危害等问题,100,1. 大气污染,单击播放,101,三废废气、废液和废渣,三致致突变、致癌、致畸,环境污染物的来源,工业三废，量大、成分复杂、毒性强,农业农药、化肥、农业废弃物等,交通运输噪音、燃料燃烧的排放物等,生活生活中的“三废” 等,102,对流层顶,对流层,平流层顶,平流层,中间层,中间层顶,热层电离层,N2、O2、Ar CO2、H2O,N2、O2、O3,N2、O2、O、 NO、O2、e,N2、O2、 O2、NO,2. 大气圈的结构与组成,103,表2.4 干燥清洁空气的组成体积分数,104,原因是冬季燃煤所致，主要污染物为颗粒物、SO2 等黄色烟雾。12月10日大雾散去，4000 人死亡，其中大部分是老人，感染支气管炎和有关肺部疾病的患者达数千人,伦敦的警察举着火把让自己看清别人，也让别人看清自己,伦敦烟雾 1952.12.59,3. 重要的大气污染事件,105,原因是汽车排放的废气造成的，主要污染物是O3、PAN、醛类、NOx 等蓝色烟雾，死亡 400 人。 这类污染容易在夏秋季、气温较高的气象条件下形成,洛杉矶烟雾 1952.12,106,2.4.2 大气的主要污染物及控制,1. 大气的主要污染物及危害,大气污染物一般分为两类 一次原生污染物，即由污染物直接排入大气的； 二次次生污染物，是由一次污染物在大气中进行热和光化学反应后的产物。后者往往危害性更大,107,108,光化学烟雾,引发反应,成因总反应,危害 强氧化性、强刺激性，会引起红眼病等,光化学烟雾,109,小高炉炼钢,土法炼锌,贵州威宁彝族回族苗族自治县二塘镇,110,工人所在的金属表带磨光部有130多名工人，他们每天都要接触二氧化硅、重金属、三氯乙烯等可能导致职业病的有害物质,一名工人展示自己体检的胸片,30岁的人60岁的肺 工人“重金属中毒,北京青年报 2002年12月23日,111,山窝里的冶炼厂修了一条200多米的烟道直通向山顶的烟囱,人民网，2002年12月15日0415,土法生产砒霜,天真的孩子还不知道自己身上这些会发痛发痒的斑点意味着什么,广西壮族自治区柳州金秀瑶族自治县的七建乡和三角乡之间,112,1 固定源排放的废气比例较高、污染严重 2 燃煤大国，属煤烟型污染。 3 机动车污染日益严重,2. 我国空气污染的主要特征,主要原因,煤为主要能源，废气一般虽经除尘但未脱硫 民用煤比例过高 燃煤设备热效率低 发展中国家,主要特征,113,1 消除烟尘,2 二氧化硫的控制,石灰乳法,主要技术措施 改进产生污染源的生产工艺和设备 更换燃料或使用清洁能源 净化排出的废气,3. 大气污染的控制和防治原理,114,3 汽车废气治理,六环牌 HX-OEM-3C-I 型三元催化剂,当前 Pt、Pd、Ru 催化剂 CeO2 为助催化剂、耐高温陶瓷为载体 可使尾气中有害物质转化率超过 90,115,2.4.3 全球性大气污染,1. 酸雨,酸雨、全球气候变暖与臭氧层的破坏是当前困扰世界的三大全球性大气污染问题,酸雨又称酸沉降，它是指 pH5.6的天然降水（湿沉降）和酸性气体及颗粒物的沉降（干沉降）。当前世界最严重的三大酸雨区是西北欧、北美和中国。我国酸雨 H2SO4/HNO3 10/1，而发达国家为 12/1,1999年度全国降水污染状况,116,2 3NO2 H2O 2HNO3 NO,酸雨对水体、森林和土壤都有重要影响，如使石灰岩溶解，海岸线后退，树木枯死，造成的损失很大。1998年我国划定“两控区”，要求严控酸雨和SO2排放,酸雨的形成,117,大气层中的某些微量组分，能让太阳的短波辐射透过，加热地面，而地面增温后所放出的热辐射（属长波红外辐射），却被这些组分吸收，使大气增温，这种现象称为温室效应,温室气体主要有 CO2、CH4、N2O、CFC、O3 等多原子分子,2. 温室效应与全球气候变暖,118,温室效应,单击播放,119,图2.8 CH4 及 CFC-12 的红外光谱图,120,表2.6 大气中温室气体的现有浓度、增长率及对增温的作用,121,龙卷风,泥石流,122,洪涝,沙漠化,控制全球变暖的基本对策,基本控制对策 能源对策 绿色对策,2 发达国家负有减少温室气体排放的主要责任,123,破坏臭氧层的化学物质主要归纳为三个方面 1 制冷剂氟利昂和灭火剂哈龙 2 大型喷气飞机的高空飞行 2004年5月，全球1.6万架商用飞机每年产生超过6亿吨CO2和约0.3亿吨NOx废气。 3 核爆炸,1984年英国科学家首次发现南极上空出现了“臭氧空洞”，1985年美国的人造卫星“雨云7号”测到这个“洞”，其面积与美国领土相等，深度相当于珠穆朗玛峰的高度。 公认的看法是人类活动排入大气的某些化学物质与臭氧发生作用，导致了臭氧的损耗,3.臭氧层空洞,124,臭氧层空洞,单击播放,125,臭氧层的形成,单击播放,126,臭氧层的作用,单击播放,127,CFC污染,单击播放,128,臭氧层的破坏,单击播放,129,美国 Rowland 于 1974 年首先提出氟利昂等物质破坏臭氧层的理论。氟利昂等物质在短波紫外线的作用下分解成 Cl、Br、HO 等活泼自由基，可作为催化剂引起连锁反应，促使 O3 分解,其中 O 也是 O3分解产物,现已明了氯原子来自氟利昂的光化学分解,130,1925年美国化学家托马斯. 米德奇雷 Thoms Midgly 在元素周期律的指导下，大胆而正确地选定氟的化合物为研究对象，经两年多的实验研究，成功制得了完全符合制冷要求的新化合物 CF2Cl2沸点 29.8C，并于 1930 年投产。从此开始了系列氟利昂和哈龙的研制与生产。 1960 年起大量生产和使用，至 1974 年达生产高峰。广泛用做制冷剂、喷雾剂、发泡剂、清洁剂等。给发达国家带来了巨大的经济利益。 然而，20 世纪七八十年代科学家们已研究清楚氟利昂是破坏臭氧层的主要物质，从此开始限制生产和使用,氟利昂的功与过,131,2.4.4 清洁生产和绿色化学,1. 清洁生产,清洁生产通常是指在产品生产过程和预期消费中，既合理利用自然资源，把人类和环境的危害减至最小，又能充分满足人类需要，使社会经济效益最大化的一种生产模式,例如可降解塑料、无氟冰箱、用酒精代替汽油、水基涂料、生态养殖等,132,绿色化学是以保护环境为目标来设计、生产化学产品的一门新兴学科，是一门从源头阻止污染的化学,绿色化学示意图,2. 绿色化学,133,1经典氯醇法,总反应,摩尔质量/g 28 71 74 44,原子利用率 44 / 173 25,原子利用率 100,2现代直接氧化法,134,选读材料熵与信息社会,1. 信息熵与负熵,信息是指对事物状态、存在方式和相互联系进行描述的一组文字、符号、语言、图像或情态。信息的特征在于能消除事物的不确定性。 信息熵也称广义熵,著名量子力学的创始人之一薛定谔把负熵概念引进生物领域,生物体依靠输入负熵提高系统的有序性。这种自组织的有序结构，比利时科学家普里戈金I. R. Prigogine称之为“耗散结构”。由于普里戈金对耗散结构理论的重大贡献而荣获1977年诺贝尔化学奖,135,不可逆过程限制热机效率提高，使生命个体不可抗拒地趋向死亡，使世界趋向均匀、混乱、无序，不可逆过程好象是一种令人悲观和讨厌的东西。然而，远离平衡的开放系统中的自组织现象，改变了不可逆过程的消极现象。在宇宙的一个局部一个远离平衡的开放系统中，不可逆过程扮演着建设者的角色，它能使系统中的局部表现出惊人的协同一致，为人们构造出奇妙的时空有序结构。为了与平衡结构如晶体相区别，称这种有序结构为耗散结构或自组织,2. 不可逆过程与自组织,136,是一类重要的自组织现象，例如，1921年勃雷W. Bray发现 H2O2 与 KIO3 在硫酸稀溶液中加入淀粉指示剂时，这种振荡能够显示出无色和蓝色的周期性变化。其主要反映为,特别是1959年前苏联化学家贝洛索夫B. P. Belousov和生物化学家札博廷斯基A. M. Zhabotinsky在著名的BZ反应中发现了自组织现象,3. 化学振荡和化学波,137,图2.10 BZ反应cCe4/ cCe3和 cBr-随时间 t 的振荡,BZ反应丙二酸在溶有硫酸铈的稀硫酸溶液中被溴酸钾氧化，当有指示剂邻菲咯啉存在时，溶液会显示出红色Ce3和蓝色Ce4的周期性变化,138,3. 熵与经济和社会,耗散结构理论的创建人普里戈金等把耗散结构理论用于研究城市演化、经济发展等问题。科学家们为社会学的研究开拓了一条新路，促成了综合性的交叉学科定量社会学的问世,高熵原料,低熵产品,高熵 废物废热,生产系统,图2.11 生产过程中的熵流、物流和能流,139,本章小结,本章在基本原理方面主要讨论了3个问题 1. 促使化学反应能够进行的动力是什么。 2. 化学反应能够进行的可能性有多大，如何表述。 3. 化学反应进行的快慢程度怎样，如何描述,140,本章小结（,熵的概念和熵判椐熵是衡量系统无序程度的物理量。恒温过程的熵变为S qr / T。298.15K时物质的标准熵可以从手册查到。对于隔离系统，有S 0，可逆时“”成立,吉布斯函数与吉布斯判椐定义吉布斯函数G HTS，过程的吉布斯函数变为G HT S，等温等压不做非体积功的过程中， G 0，可逆时“”成立,化学平衡可以随温度、压力、组成的改变而移动。但只有温度的变化会改变标准平衡常数K的数值,141,本章小结（2,关于化学反应速率的基本概念基元反应；质量作用定律；反应级数等基本概念,一级反应的基本特征lnc对t作图为一条直线；半衰期是一个常数；速率常数的量纲为时间倒数,阿累尼乌斯经验式k AexpEa /RT与活化能概念,提高温度、增加反应物浓度、添加催化剂都可以提高反应速率。提高温度使活化分子增加，添加催化剂可以可以与反应物生成活化中间产物，从而改变了反应途径，降低了反应活化能。酶催化有极高的效率和选择性,链反应是自由基反应，有直链反应和支链反应两种。支链反应是发生爆炸的一个重要原因,142,本章小结（3,大气污染物主要分为颗粒物、硫氧化物、氮氧化物、CO和CO2以及烃类污染物等。SO2和NOx是造成酸雨的罪魁祸首， NOx和HC可造成光化学烟雾，HC和CO2等会造成地球的温室效应,清洁生产和绿色化学是解决当前环境问题最根本的方法，符合可持续发展的理念