校本教程——环境化学初步doc-“福建高中新课程”网

环境化学初步环境化学是环境科学的一个分支学科。它主要是运用化学的理论和方法，鉴定和测量化学污染物在大气圈、水圈、土壤-岩石圈和生物圈中的含量，研究它们在环境中存在形态及其迁移、转化和归宿的规律。环境化学是在无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、化学工程学的基础上形成的。人们对于水化学、大气化学、土壤化学等早就开始研究，但主要是围绕着资源的开发和利用进行的，很少注意环境污染问题。后来，人们大量使用煤作燃料，底层大气中的二氧化硫、一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮以及颗粒物等含量不断增加，以至接连发生由煤烟引起的烟雾污染事件。第二次世界大战后，又大量使用石油作燃料，出现了光化学烟雾污染问题，从而使人们对大气的化学研究从还原性烟雾的研究，发展到氧化性烟雾的研究，包括对臭氧、过氧乙酰硝酸酯、烃类、醛类、酮类铅尘、酸雾的分布状况、生成机理和化学反应动力学的研究。另外，核爆炸把放射性尘埃抛射至平流层，造成全球性放射性污染；飞机在平流层飞行，排出大量的氮氧化物等，对臭氧层有破坏作用，又使大气的化学研究的范围从对流层扩展到平流层。随着城市的扩大和工业的发展，大量的生活污水和工业废水排入水体。进入水体的化学物质，或者通过饮水，或者通过食物链危害人体健康，促使人们对水体的化学研究从生化耗氧、自然净化、卫生学等方面的研究发展到水的环境毒理学、水生生态平衡等方面的研究。进入水体的化学物质即使数量很少，通过生物富集，最终也会危害人类。所以，化学物质的量的研究，也从常量发展到微量和痕量；对人体健康影响的研究，也从常量的急性中毒转向微量的慢性中毒。化学肥料和农药的施用，以及工业和生活废弃物进入土壤，造成农药、重金届和其他化学物质在土壤中的积累，并进入农作物中。例如，日本的痛痛病事件，主要就是用含镉的矿山废水灌溉农田的结果；农药稻瘟醇进入稻秆在堆肥中分解为四氯苯甲酸，含有这种物质的肥料就可引起秧苗畸形。因此，人们对土壤的化学研究也从研究土壤中化学物质的分布、积累、迁移、转化等方面的宏观研究，逐渐发展到从细胞水平研究其毒性影响，以及致畸致突变、致癌作用的机理等方面的微观研究上。在此基础上，尤其是60年代以后，对化学物质在大气、水体、土壤等自然环境中引起的化学现象的研究，发展迅速，一些原来不受重视的化学问题，从保护自然生态和人体健康的角度出发，成为重要的、急待解决的问题。为了探讨这些问题，逐渐发展了新的研究方法和手段，提出了新的观点和理论，形成一门新的化学分支学科——环境化学。另一方面，环境化学与环境科学的其他分支有着密切联系，因而它又是环境科学的一个组成部分。目前环境化学的基础理论尚处于发展过程中，环境化学的研究领域主要有：研究化学污染物在环境中的变化，包括迁移、转化过程中的化学行为、反应机理、积累和归宿等方面的规律。化学污染物质在大气、水体、土壤中迁移，并伴随着发生一系列化学的、物理的变化，形成了大气污染化学、水污染化学、土壤污染化学和污染生态化学。在环境这个开放体系中，参与反应的物质品种多，含量低，反应复杂，影响因素很多，促进反应的光能和热能又难以准确模拟。因此必须发展新的技术和理论来进行研究。如近年来运用系统分析方法，研究多元和多介质体系中污染物迁移和转化反应机理，就为进行环境污染的预测、预报，以及环境质量评价等提供了科学的依据。环境化学分析是取得环境污染各种数据的主要手段。要得知化学物质在环境中的本底水平和污染现状，必须应用化学分析技术。环境中污染物种类繁多，而且含量极低，相互作用后的情况则更为复杂，因此要求采取灵敏度高、准确度高、重现性好和选择性也好的手段。环境化学分析不仅对环境中的污染物要做定性和定量的检测，还对它们的毒性，尤其是长期低浓度效应进行鉴定；这就要应用各种专门设计的精密仪器，结合各种物理和生物的手段进行快速、可靠的分析。为了掌握区域环境的实时污染状况及其动态变化，还必须应用自动连续监测和卫星遥感等新技术。由于环境分析和监测的需要，必须在采样方法、样品保存方面，在信息传递、数据统计和处理方面，在分析方法和技术方面进行革新；必须在分析方法、样品、仪器设备方面实行规范化、标准化。此外，污染物的生物效应是当前环境化学研究领域里十分活跃的研究课题，它综合运用化学、生物、医学三方面的理论和方法，研究化学污染物造成的生物效应，如致畸、致突变、致癌的生物化学机理，化学物质的结构与毒性的相关性，多种污染物毒性的协同和拮抗作用的化学机理，污染物食物链作用的生物化学过程等。随着分析技术和分子生物学的发展，环境污染的生物化学研究取得很大进展，并与环境生物学、环境医学相互交叉渗透，成为当前生命科学的一个重要组成部分。环境化学的兴起和发展，为人类保护、改善环境提供了化学方面的依据。一些研究课题日益受到人们的重视。如：大气平流层中臭氧层破坏的过程和速度，以及由此而造成的影响；农药、硫酸烟雾在大气中的反应动力学及其变化过程；酸雨的形成和危害；大气中二氧化碳的积累及其温室效应；致畸、致突变和致癌物质的筛选，以及污染物的致畸、致突变、致癌性与其化学结构间的关系；有毒物质毒性产生的机理，拮抗和协同作用的机理，及其与化学结构的关系；新的污染物的发现和鉴定；分析方法的探讨和分析技术的改进；卫星监测系统和光学遥感系统的研制等。第一节全球性大气化学污染及其危害目前，全球性出现的几个比较严重的大气化学污染问题，如温室效应加剧引起的全球增暖、臭氧洞的扩大及加深、酸雨的危害等。这些问题彼此相关，且均影响到全球生态环境的恶化和人类的健康。(1)超级温室效应本来地球上燃料的燃烧所释放出来的CO2和和被植物、海洋、江河、湖伯吸收的CO2之间是保持平衡的，致使大气中的CO2浓度能维持在一定的范围内，而大气中的CO2、水蒸气、甲烷、氮氧化物等室温气体允许太阳光中短波辐射部分透过并到达地面，使地球表面温度升高；同时大气又能有效地吸收太阳和地球表面发出的长波辐射，仅让很少一部分热辐射返回太空，这两个过程使地球表面保持相对稳定的温度，大气能使地表温差不超过几十度的作用称为温室效应。近30多年来，由于世界人口翻番，工农业迅猛发展，各种燃料消耗量急剧增加，加上人类盲目性活动(诸如滥伐森林、烧山开荒、填湖围海造田等)，造成大气中CO2等温室气体含量逐年大量增加。据统计，全世界每年向大气排放CO2100亿吨，并且每年以2%速度递增。我国是世界上耗煤大国，也是CO2等温室气体最大的排放国。大气中CO2的增多，使大气吸收和反射回地面的长波辐射能增大，造成地球表面温度升高。事实上，1960年前后30年对比，亚洲大部分地区平均气温升高0.5～1℃，西伯利亚地区气温平均升高1℃。温室效应的加剧将导致全球气候变暖，长此下去，会使高山冰川和南北极冰层融化滑动，海平面上升，沿海地区某些城市被淹没。(2)酸雨酸雨主要是由大气中的废气SO2和NOx造成的。大气中的SO2、SO3、NO、NO2等与O2或H2O在固体烟尘(含Fe、Cu、V等)催化下形成H2SO4或HNO3,所以酸雨的主要成分是H2SO4和HNO3。世界上每年排入大气中的SO2约1.5亿吨，我国每年约1800万吨。酸雨对环境危害很大，使土壤、水体酸化，危机人类的健康和农、林、牧、渔业的生产；腐蚀工厂设备桥梁、公路、建筑物，尤其是古文化遗迹。目前，世人公认世界上的三大酸雨影响区：西欧、北美和中国西南部，都是工业发达和工业快速发展地区。如美国东北部与加拿大交界地段的湖泊曾受到严重污染。八十年代我国酸雨仅限于川贵两广地区，到九十年代酸雨已从西南、华南地区，并且大多数省都发现过酸雨。尤其是贵州省的都匀市和四川的重庆市，例如都匀市降过pH=3.1的酸雨。近年来专家们发现我国城市大气环境污染从九十年代起已从过去的以SO2排放为主的煤烟型污染逐步转变为以氮氧化物为主的氧化性污染。例如北京118万辆汽车排放的尾气，已使我国首都成为全球大气污染严重的城市之一，对市民的呼吸系统和心血管系统的危害难以估计。(3)臭氧层损耗自1985年起观测事实表明，全球大气层臭氧总量锐减，臭氧层变薄，甚至先后在南极、北极上空发现了臭氧层空洞（如图）。1998年世界气象组织发表报告指出，过去几年一直出现在南极洲上空的臭氧空洞其面积已达2720万平方公里(比北美洲还大)，且深度已切入大气平流层达24公里。当然，所谓臭氧空洞并非说该区域内已全无臭氧了，而是指某时间该地区的臭氧含量显著低于周边地区，远低于正常值。最近几年，人们又发现在欧洲上空、北半球臭氧层也在变薄，连北极臭氧层有高达2/3的部分已经受损。我国科学家也发现在青藏高原地区大气的臭氧含量明显低于周边地区，每年约以0.375%的速度减少。据统计分析，大气中的O3每减少1%照射到地面上的紫外光线就增加2%，皮肤癌的发病率就增加4%左右，同时使患白内障眼疾的人数增多，还会损害人的免疫系统，妨碍生物的正常生长。关于臭氧洞的成因，存在许多推测和假设，但总应包括自然变化过程和人类活动影响两个方面。对自然变化过程，人类至今知之甚少，但从人类活动影响的角度，普遍认为主要原因是目前主要用作制冷剂、清洗剂、发泡剂、杀虫剂的氟里昂(CF2Cl2、CFCl3等)的大量使用及排放，尤以冰箱、空调排放对臭氧层的破坏最为显著。氟里昂易挥发，不溶于水，进入大气平流层后，受紫外线照射产生的Cl原子可引发破坏O3的反应：2O2→O+O3CF2Cl2→Cl+CF2ClCl+O3─→ClO+O2ClO+O─→Cl+O2CF2Cl2化学性质相当稳定，在大气中可存在60～200年。由以上可看出；Cl原子本身只做催化剂，但却长时间、反复地破坏着O3。另一原因是日益增多的喷气机、汽车尾气和核爆炸产生的NOx释放到大气平流层，在紫外光下也引发破坏O3的反应：2O2→O+O3O3+NO─→NO2+O2NO2+O─→NO+O2NO可循环反应，实际上也起到催化剂的作用，使O3层遭到破坏。为了保护臭氧层，联合国环境规划署制定了《保护臭氧层的维也纳公约》，1987年签订了“蒙特利尔协议”，禁止使用氟氯烃和其它卤代烃，1990年进一步规定，于2010年全球完全停止氟氯烃的生产和排放。看来在世界范围内限制氟氯烃的生产、使用。开发研究氟氯烃代用品势在必行。但是，冰冻三尺非一日之寒，即使目前能写上停止相应工业废气的排放，五十年后臭氧层也未必能恢复到原来的状态，因此必须采取更为积极的措施，修复臭氧层。俄罗斯航空机械制造研究所提出在太空站安装激光辐射源，利用太阳能，向臭氧层发出激光，已发生下列合成O3的反应：O2+O─→O36.我国大气化学污染的防治我国大气化学污染情况是严重的。主要原因是我国能源结构以煤炭为主，我国工业总体能耗大、设备陈旧、工艺落后、治污技术水平低；加之人口众多，广大农村及中小城市使用的小炉灶造成的污染也是很严重的。其次，环境保护投入不足、执法不严、以罚代法，治理效率赶不上污染速度。另外，滥伐森林、破坏植被、填湖造田以及汽车尾气肆虐也是雪上加霜。目前，世界各国根据本国具体情况，制定了大气质量标准。我国于1982年颁布了《大气环境质量标准》，并颁布了《中华人民共和国大气污染治理法》，于1988年6月起开始实施。1995年全国人大又通过了《大气污染防治法》，其重点是强化燃煤污染防治，规定不仅要防治由燃煤造成的污染，同时要控制SO2及NOx污染；遏制区域性的酸雨污染，加强机动车排气管理。目前，北京、上海、天津、广州、深圳等城市已下大决心改善这一现状，，限制生产和使用铅汽油，所有汽车都必须安装尾气净化装置；海南省提出2001年前要首创无氟省。但是，从根本上来说要重新再造蓝色的天空，还必须采取有效的措施，大力开发使用洁净新能源，逐步减少化石燃料(煤、石油、天然气)的使用量，改变我国的能源结构；大力研究开发无污染生产工艺；禁止使用排放有损臭氧层的化学品；防尘治沙，植树造林，营造草地，绿化环境。第二节水体化学污染及其防治水与生命关系关系极为密切，它是一切生命机体的组成部分（人体质量的2/3是水），又是生物新陈代谢的一种介质，并对生物体起着发散热量、调节体温的作用，因此，水与人类健康关系密切，并且是发展社会生