人口增長(zhǎng)中的化學(xué)因素.ppt

身邊的化學(xué) 第一講民以食為天 1914年 第一次世界大戰(zhàn)一開(kāi)始 英國(guó)就從海上封鎖德國(guó)從智利進(jìn)口硝石 于是人們預(yù)言 德國(guó)得不到智利硝石 農(nóng)田將缺乏肥料 炸藥工廠也將停產(chǎn) 那么德國(guó)最遲在1915年或1916年便要自動(dòng)投降 可使1916年過(guò)去了 德國(guó)還在頑強(qiáng)的戰(zhàn)斗 農(nóng)田照樣一派濃綠 前線的炮火反而更加猛烈 原來(lái) 德國(guó)以哈伯為首的一批化學(xué)家克服了當(dāng)時(shí)的世界化學(xué)難題 以廉價(jià)的空氣 水和煤炭合成了重要的化工原料 氨 NH3 一 偉大的合成氨 哈伯與合成氨 合成氨從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時(shí)間 德國(guó)科學(xué)家哈伯在10年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的探索 單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑 2年間他們就進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn) 測(cè)試了2500種不同的配方 最后選定了一種合適的催化劑 使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實(shí) 鑒于合成氨工業(yè)的實(shí)現(xiàn) 瑞典皇家科學(xué)院于1918年向哈伯頒發(fā)了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) 智利硝石 NaNO3 缺氮的棉花 氮的固定 把大氣中的氮轉(zhuǎn)化為氮的化合物叫做氮的固定 包括 自然固定 豆科植物固氮 雷雨天產(chǎn)生NO氣體 人工固定 合成氨等 合成氨工業(yè) 1 合成氨的適宜條件 1 壓強(qiáng) 20 50MPa 2 溫度 500 3 催化劑 鐵觸媒 以Fe為主體的多成分催化劑 2 合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述 原料 空氣 水 燃料 原料氣的制備 凈化 壓縮 防止催化劑中毒 合成 分離 液氨 N2 H2 二 尿素 在化學(xué)肥料的氮肥中 尿素的發(fā)展是比較晚的 但自投入工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)得到迅速的發(fā)展 20世紀(jì)70年代以來(lái) 其生產(chǎn)速度和規(guī)模遠(yuǎn)超過(guò)其它氮肥 目前 全世界尿素產(chǎn)量占氮肥總產(chǎn)量的三分之一以上 躍居首位 且還有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì) 尿素施于土壤 銨的碳酸鹽 水分 NH3和CO2 水解 微生物 NH3在細(xì)菌的作用下硝化為硝酸鹽而被作物吸收CO2也可被作物吸收 促進(jìn)光合作用 在土壤中不留下無(wú)用物 也不會(huì)酸化土壤 1 尿素的發(fā)展歷程 生產(chǎn)方法簡(jiǎn)介 1828年 唯勒在實(shí)驗(yàn)室由氨和氰酸合成尿素 1773年 魯愛(ài)耳 Rouelle 蒸發(fā)人尿時(shí)發(fā)現(xiàn)了尿素 在人類歷史上 這是第一次用人工方法從無(wú)機(jī)物制得人體排泄出來(lái)的有機(jī)化合物尿素 打破了當(dāng)時(shí)流行的 生命力論 成為現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)興起的標(biāo)志 目前 世界上廣泛采用由氨和CO2直接合成尿素法 1922年 首先在德國(guó)的法本公司奧堡工廠實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn) 30年代中期有了連續(xù)生產(chǎn)的不循環(huán)法50年代初期發(fā)展了半循環(huán)法60年代初期生產(chǎn)技術(shù)以水溶液全循環(huán)法為主70年代初期氣提法生產(chǎn)尿素占優(yōu)勢(shì) 此后 出現(xiàn)了以氨基甲酸銨 碳酸銨及氰氨基鈣 石灰氮 等作為原料的50余種合成尿素方法 但都因原料難得到或有毒性或因反應(yīng)條件難以控制或在經(jīng)濟(jì)上不合理而在工業(yè)上均未得到實(shí)現(xiàn) 2NH3 CO2 CO NH2 2 H2O Q 2 工業(yè)上 可作為高聚物合成材料工業(yè)尿素約有一半用來(lái)制成尿素 甲醛樹(shù)脂 用于生產(chǎn)塑料 漆料和膠合劑等 此外 醫(yī)藥 纖維素 造紙 炸藥 選礦 顏料等生產(chǎn)中也要用到尿素 國(guó)外用尿素作污染控制劑 吸收污染物 保護(hù)環(huán)境 1 尿素作化肥含氮量為硝酸銨的1 3倍 硫酸銨的2 2倍 碳酸氫銨的2 6倍 節(jié)省了以噸氮營(yíng)養(yǎng)物計(jì)的運(yùn)輸 貯存 施用等費(fèi)用 尿素是中性速效肥料 長(zhǎng)久施用不會(huì)土質(zhì)板結(jié) 施用及貯藏性能好 不分解 不吸潮 不結(jié)塊 流動(dòng)性好 還可配成多營(yíng)養(yǎng)成分的混合肥料和復(fù)合肥料 以滿足不同土質(zhì) 不同作物之需 尿素的重要用途 與甲醛的縮合反應(yīng)尿素與甲醛作用生成尿甲醛縮合物 可作為脲醛塑料的原料 也是一種很好的緩效肥料 NH2CONHCONHCONH2 HCNO 3 NH3三聚氰酸 6Ur 三聚氰胺 6NH3 3CO2 2CO NH2 2 NH2CONHCONH2 NH3縮二脲 NH2CONHCONH2 CO NH2 2 NH2CONHCONHCONH2 NH3縮三脲 二 毀譽(yù)參半的農(nóng)藥 1 DDT是怎樣發(fā)現(xiàn)的 1874年 德國(guó)著名化學(xué)家O Zeidler首先合成出來(lái)的 當(dāng)時(shí)人們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它有什么用途 O Zeidler合成它完全是出于對(duì)化學(xué)反應(yīng)研究和化學(xué)結(jié)構(gòu)的興趣 1939年 瑞士化學(xué)家PaulMiller合成了二氯二苯基三氯乙烷 Dichloro Diphenyl Tricloroethane DDT的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為 Cl C ClCl C Cl Cl 2 不可磨滅的歷史功績(jī)DDT的六個(gè)特點(diǎn) 1 對(duì)害蟲(chóng)毒性很高 2 對(duì)溫血?jiǎng)游锖椭参锵鄬?duì)無(wú)害 3 無(wú)刺激性 氣味極淡 4 能廣泛使用 5 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 殘效期長(zhǎng) 6 廉價(jià)且容易大量生產(chǎn) 1944年美國(guó)首先在意大利的軍隊(duì)和平民中廣泛使用DDT 對(duì)付斑疹傷寒流行病 1952年不少國(guó)家用DDT對(duì)付虐蚊 以控制瘧疾流行病 沒(méi)用DDT以前 由于瘧疾 全世界每年死亡200 300萬(wàn)人 使用DDT10年后 瘧疾作為人類的主要禍患基本消除 印度 7500萬(wàn)人 1952 10萬(wàn)人 1964 前蘇聯(lián) 3500萬(wàn) 1956 1 3萬(wàn) 1966 斯里蘭卡 1 2萬(wàn)人 1956 0 1966 WHO的一項(xiàng)報(bào)告中指出 單從瘧疾病看 DDT可能拯救了5000萬(wàn)個(gè)生命 因此 1948年 PaulMiller獲諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1963年 希臘賽塞努力克大學(xué)授予他博士學(xué)位 飛機(jī)噴灑DDT殺蚊 3 退出歷史舞臺(tái) 1972年 美國(guó)環(huán)境保護(hù)局 EPA 對(duì)在美國(guó)使用DDT發(fā)出一項(xiàng)禁令 DDT的成功歷史就此結(jié)束 這是因?yàn)?1946年 科學(xué)家就認(rèn)識(shí)到 DDT可在人體的脂肪中富集 并能長(zhǎng)期地殘留 富集效應(yīng) 土壤100ppm 蚯蚓140ppm 知更鳥(niǎo)400ppm 1960年 美國(guó)加利福尼亞的圖利湖 TuleLake 和下克拉馬斯保護(hù)區(qū)發(fā)生食魚(yú)性鳥(niǎo)類大量死亡 檢查發(fā)現(xiàn)小鵜鶘體內(nèi)脂肪中的DDT含量比湖水中高77萬(wàn)倍 DDT經(jīng)食物鏈濃縮107倍 水中DDT濃度3x10 6ppm 鷹體內(nèi)DDT濃度25ppm DDT對(duì)消滅農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)和居家殺蟲(chóng)確實(shí)發(fā)揮過(guò)神奇作用 但DDT是一種難降解有毒化合物 長(zhǎng)期使用會(huì)在環(huán)境及生物體內(nèi)積累 造成環(huán)境污染 1976年美國(guó)洛杉磯動(dòng)物園小河馬突然全部死亡 就是飲用附近農(nóng)藥廠排放的DDT廢液所致 據(jù)此 許多國(guó)家70年代就停止使用DDT 影響遠(yuǎn)未終結(jié) 在1995年美國(guó)醫(yī)生發(fā)現(xiàn)死嬰的腦部也有DDT DDT還造成男性發(fā)育異常 有 非男性化 表現(xiàn) 同時(shí)DDT還造成在美國(guó) 日本出現(xiàn)大量畸形青蛙 1983年 中國(guó)停止生產(chǎn) 停止使用DDT 歷年累計(jì)產(chǎn)量約40多萬(wàn)噸 占國(guó)際用量的20 目前 某些國(guó)家仍生產(chǎn)用于控制疾病的傳播 5 POPsandPTS POPs PersistentOrganicPollutants持久性有機(jī)污染物PTS PersistentToxicSubstances持久性有毒污染物 國(guó)際上公認(rèn)POPs具有下列四個(gè)重要的特性 1 能在環(huán)境中持久地存在 由于POPs物質(zhì)對(duì)生物降解 光解 化學(xué)分解作用有較高抵抗能力 一旦排放到環(huán)境中 它們難于被分解 可以在水體 土壤和底泥等環(huán)境中存留數(shù)年時(shí)間 衡量化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境中持久性的評(píng)價(jià)參數(shù)為半衰期 2 能蓄積在食物鏈中 對(duì)有較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物造成影響 由于POPs具有低水溶性 高脂溶性特性 導(dǎo)致POPs從周圍媒介物質(zhì)中生物富集到生物體內(nèi) 并通過(guò)食物鏈的生物放大作用達(dá)到中毒濃度 由于POPs多為對(duì)人類 動(dòng)物和水生生物有較高毒性的物質(zhì) 通過(guò)飲食和環(huán)境污染接觸到POPs 從而造成健康危害 生物富集因子 BCF 評(píng)價(jià)一種化學(xué)物質(zhì)被生物富集時(shí)可能達(dá)到的程度 一般用魚(yú)作為實(shí)驗(yàn)生物來(lái)測(cè)定 BCF值為穩(wěn)定狀態(tài)下 魚(yú)體內(nèi)受試化學(xué)物質(zhì)的濃度與實(shí)驗(yàn)水體中受試物質(zhì)的比值 3 能夠經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離遷移到達(dá)偏遠(yuǎn)的極地地區(qū) POPs所具有的半揮發(fā)性使得它們能夠以蒸汽形式存在或者吸附在大氣顆粒物上 便于在大氣環(huán)境中做長(zhǎng)距離遷移 同時(shí)這一適度揮發(fā)性又使得它們不會(huì)永久停留在大氣中 能重新沉降到地球上 通常以飽和蒸汽壓作為評(píng)價(jià)化學(xué)物質(zhì)揮發(fā)性的指標(biāo)參數(shù) 所謂飽和蒸汽壓是指化學(xué)物質(zhì)在一定溫度下 與液體或固體處于相互平衡時(shí)的蒸汽飽和壓力 4 在一定的濃度下會(huì)對(duì)接觸該物質(zhì)的生物造成有害或有毒影響 POPs大多具有 三致 致癌 致畸 致突變 效應(yīng) 對(duì)人類和動(dòng)物的生殖 遺傳 免疫 神經(jīng) 內(nèi)分泌等系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的危害作用 由于POPs兼具上述四個(gè)方面的特性 因此造成的結(jié)果是 POPs進(jìn)入環(huán)境 其持久性會(huì)長(zhǎng)時(shí)間殘留 對(duì)人類和動(dòng)物的潛在暴露 其強(qiáng)烈的親脂憎水性 POPs會(huì)在生物器官的脂肪組織內(nèi)產(chǎn)生生物積累 并沿著食物鏈逐級(jí)濃縮 從而使在大氣 水 土壤等環(huán)境介質(zhì)中低濃度存在的污染物最終在高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的人類和野生動(dòng)物體內(nèi)達(dá)到足以造成嚴(yán)重負(fù)面影響的水平 其半揮發(fā)性 POPs會(huì)隨著大氣和水的流動(dòng)以及動(dòng)物遷徙等到達(dá)距離污染源較遠(yuǎn)的地方 并通過(guò)所謂的 全球蒸餾效應(yīng) 和 蚱蜢跳效應(yīng) 而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離越境遷移 最終沉積到地球的偏遠(yuǎn)極地地區(qū) 導(dǎo)致全球性污染 大量的檢測(cè)研究已表明 目前從炎熱的赤道地區(qū)到寒冷的極地地區(qū)的各種環(huán)境介質(zhì) 大氣 氣溶膠 水體 土壤 底泥等 以及動(dòng)物 人體組織中均發(fā)現(xiàn)存在POPs 人類已經(jīng)處于POPs的包圍中 POPs對(duì)全球環(huán)境和人類健康所構(gòu)成的威脅正是各國(guó)政府 管理部門(mén) 學(xué)術(shù)界 工農(nóng)業(yè)界和公眾對(duì)其廣泛關(guān)注的直接原因 目前POPs成為一個(gè)新的備受關(guān)注的全球性環(huán)境問(wèn)題 2001年5月 中國(guó)政府簽署了 關(guān)于對(duì)某些持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約 根據(jù)這項(xiàng)公約 各締約國(guó)將采取一致行動(dòng) 首先控制并逐步消除12種對(duì)人類健康和自然環(huán)境特別有害的持久性有機(jī)污染物 POP 它們是 艾氏劑 氯丹 狄氏