专题四第一节绿色化学的诞生

浙江省黄岩中学校本选修课程教材第一节绿色化学的诞生专题四绿色化学原理传统的化学工业给环境带来的污染已十分严重，目前全世界每年产生的有害废物达3亿吨～4亿吨，给环境造成极大的危害，并威胁着人类的生存。化学工业能否生产出对环境无害的化学品？甚至开发出不产生废物的工艺？又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”。绿色化学：又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”。反应时有效利用(最好可再生)原料,避免使用有毒有害的和危险的试剂和溶剂，消除废物,实现“原子经济性”和“零污染”，是利用化学方法来防止污染的一门学科。绿色化学：1.化学反应的绿色化原子经济性反应：100%原子利用反应或零排放反应。观察下列硝酸工业流程图，书写A、B、C设备中的反应方程式，总结哪些环节体现了绿色化学的思想？ABC小知识纯碱（Na2CO3）又叫“苏打”，在玻璃工业、纺织、造纸、日化等方面有大量的应用。据报道，全世界每年需要纯碱4700多万吨。人类最初是从盐碱湖中得到纯碱的，但是，随着工业的迅速发展，此法已远远不能满足生产的需要。1862年，比利时化学家索尔维，创立了以食盐、石灰石、氨为主要原料的索尔维制碱法（又叫氨碱法），由于产量高、质量优、能连续生产，很快被应用于当时的工业化生产。索尔维制碱法的工艺流程：溶液NH3（循环使用)CaCl2和NaCl废液②①过程一：向饱和食盐水中先通入足量的氨气（形成饱和的氨盐水溶液）。再通入过量的CO2，有沉淀析出，过滤得到NaHCO3晶体，再加热得到纯碱和CO2（循环利用）。过程二：向滤液（母液）中加入Ca(OH)2生成NH3（循环利用）。过程三：煅烧石灰石得到的CaO和CO2。索尔维制碱法的工艺流程：•1.分析上述过程，书写①②相关的化学反应方程式。•2.索尔维制碱法的优点有哪些？•3.索尔维制碱法是否符合绿色化学的理念？在索尔维制碱法中,不仅有大量的NaCl没有充分利用，而且要建立庞大的石灰石煅烧厂处理副产物NH4Cl，且有大量的碳酸氢钠损失（未析出），都大大地提高了生产成本。交流与讨论：交流与讨论：•氯化铵是重要的化工原料和肥料，请借鉴碳酸氢钠晶体析出的原理，观察下表，想想看如何直接分离NaCl和NH4Cl，既能得到NH4Cl，又能使NaCl循环使用？•我国化学家侯德榜勇于改进创新，把合成氨法与氨碱法联合，同时制取纯碱和氯化铵，使食盐利用率从70％提高到96％，该方法又叫联合制碱法。•1.与索尔维制碱法相比，侯氏制碱法在哪些工艺上作了改进？•2.从绿色化学思想角度考虑，该工艺改进有哪些优点？•3.为什么在饱和食盐水中先通入氨气后通入和二氧化碳？交流与讨论：用结晶的方法处理NH4Cl和NaCl，既得到重要产品NH4Cl，又提高了NaCl利用率；利用合成氨厂的CO2，避免建立石灰石煅烧厂，节约成本，同时氯化钠的利用率（由70%提高到96%以上）也大幅度提高。•1.该实验所需仪器的装置如下图所示，请选择连接的顺序。•2.通入氨气时从安全性考虑要注意什么问题？问题与讨论：•3.硫酸工业在三废处理方面如何体现绿色化？•废液：制备石膏；•废气：制备铵盐【(NH4)2SO4】•废渣（Fe2O3）：制砖或炼铁。•4.课堂实验如何绿色化理念？问题与讨论：实验中体现绿色化学理念：•1.引入了减量、减废的微型化学实验；•2.对固体、液体试剂的取用给出限量要求；•3.对会造成污染的废弃物集中处理再利用或转化为非污染物；•4.有毒气体的制取及性质实验中采用防止和减少环境污染的装置。2.原料和产品的绿色化获得绿色化学产品或清洁的产品；产品在使用过程中和使用后不会危害人体健康和成为破坏生态环境的因素；易于回收、复用和再生，产品的使用寿命和使用功能合理，包装适宜。原料绿色化：安全有效、对环境友好的原料，如采用无毒无害的、可再生资源为原料。产品绿色化：【例】工业上用不同原料生产乙炔工艺对比：(1)以电石为原料优点：得到的乙炔纯度较高，生产流程简单。缺点：耗电量大，成本高；生产中产生大量有毒气体，对环境污染严重。(2)以天然气为原料:优点：原料便宜，符合绿色化学发展的要求。目前多采用等离子体裂解天然气制备乙炔，天然气的转化率可达97.2%，乙炔收率可达89.8%。由此可见，在原子经济性、能源的消耗以及环境友好度等方面，方法二是一种很有潜力的方法。3.催化剂的绿色化用环境友好催化剂代替有毒有害催化剂，也是绿色化学研究的重要课题。【例】工业上氯乙烯的制备：方法一：优点：合成路线短，其原子经济性、产率以及选择性都很高，曾经是广泛应用的氯乙烯的传统合成方法。缺点：因使用了含剧毒汞离子的汞盐催化剂，生产中产生的大量含汞盐的工业废水对周边的环境和生态引起严重的危害。日本水俣病：因为工厂大量排放未经处理的含汞离子的工业废水而引起的。方法二：缺点：合成路线较长，其原子经济性、产率和选择性相应低些。优点：使用了比较环保的催化剂，而且第二步生产的副产物氯化氢还可循环使用。目前方法二已经取代了方法一，成为当前氯乙烯工业生产的主要合成方法。4.溶剂的绿色化•限制挥发性有机溶剂的使用，采用无毒无害溶剂替代挥发性有机溶剂已经成为绿色化学重要研究方向。•目前较活跃的研究项目是超临界二氧化碳的开发。•加压可以使得气相所占的空间不断减小，气相的密度就会不断增大（因为气体分子间的间距缩小了）；而加温可使容器中的液相不断地膨胀，密度则随之不断地下降（因为处于液态下的分子间的间距扩大了）。当温度和压力分别上升到一定程度时，气相和液相的密度趋于相等，两相之间的分界线（由于两相密度存在差别而导致的光学效应)也随之消失，这时容器内物质所处的状态就是所谓的临界态。超临界二氧化碳：指温度和压力均在其临界点(31℃、7.38MPa)以上的二氧化碳流体。对于大多数有机分子具有很好的溶解性；气体的低粘度、易压缩和传质快；无毒、不可燃、价廉。优点：•新开发的采用超临界二氧化碳的喷漆系统能减少多达80%的污染环境的挥发性有机溶剂的排放。绿色化学的基本原则（十二条）•预防污染优于治理污染。•提高原子经济性•尽可能使反应中使用和生成的物质对人类和环境无毒或毒性很小。•设计化学产品时应尽量保持其功效而降低其毒性。•尽量不用辅助剂，需要使用时应采用无毒物质。•能量使用应最小，应考虑其对环境和经济的影响。•最大限度地使用可更新原料。•尽量避免不必要的衍生步骤。•催化试剂优于化学计量试剂。•化学品应设计成使用后容易降解为无害物质的类型。•分析方法应能真正实现在线监测，在有害物质形成前加以控制。•化工生产过程中各种物质的选择与使用，应使化学事故的隐患最小。绿色化学的基本原则（十二条）