人類十大環(huán)境危機中的化學(xué)——綠色化學(xué)的興起.ppt

第二章 人類 十大環(huán)境危機 中的 化學(xué)困惑 綠色化學(xué)的興起,第二章 綠色化學(xué)的興起,20世紀(jì)的高度工業(yè)化，為人類帶來豐富的物質(zhì)生活。當(dāng)人們陶醉在現(xiàn)代文明的舒適享受中時，人類對大自然的破壞已經(jīng)引起大自然的報復(fù)。 驀然回首，人類發(fā)現(xiàn)自己已深陷十大環(huán)境危機中：全球變暖（溫室效應(yīng)）、臭氧層破壞、生物多樣性減少（物種瀕危）、森林銳減、土地荒漠化、大氣污染（酸雨蔓延）、水體污染（水資源不足）、海洋污染（海洋生態(tài)危機）、固體廢物（垃圾越來越多）、人口猛增。,天災(zāi)人禍誰之過？,第一節(jié) “可燃冰”未來重要而清潔的潛在能源 第二節(jié) NO昔日“罪魁禍?zhǔn)住?，今朝“明星分子?第三節(jié) 氟利昂從“制冷界明星”到“臭氧殺手” 第四節(jié) 化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣”,第二章 綠色化學(xué)的興起,本章思考題,以怨報德何其多！,其中，問題的“主角”典型地涉及化學(xué)的有溫室效應(yīng)、臭氧層破壞、酸雨蔓延、人口猛增等幾大危機。但這些問題的“主角”真的都是如此“壞”嗎？,第一節(jié) “可燃冰”未來重要而清潔的潛在能源,一、溫室氣體： 1、溫室氣體的種類,H2O（水蒸氣）、CO2、NOX（氮氧化物）、CH4等都是溫室氣體，但其中最重要的是CO2和CH4。 工業(yè)的發(fā)展使CO2的排放量增加很多，有學(xué)者預(yù)測若大氣中CO2濃度翻一番，全球?qū)⒆兣?。 全球變暖的結(jié)果是，導(dǎo)致海平面上升、高山雪線上移、厄爾尼諾等現(xiàn)象的產(chǎn)生。,第一節(jié) “可燃冰”未來重要而清潔的潛在能源,一、溫室氣體： 2、甲烷的危害,雖然大氣中CH4的濃度很低，但它在大氣中聚熱的效果是CO2的25倍。最近200年，大氣中CH4濃度增加了一倍以上。在全球變暖的作用中，CH4占5%以上。 由于甲烷在空氣中的壽命比二氧化碳短得多，控制其排放對減緩全球增溫容易收到明顯效果，因此近年來甲烷的排放問題（養(yǎng)牛、種水稻）受到特別的重視。,水分子與甲烷和低分子量的烷烴，如乙、丙、丁烷，在低溫、高壓環(huán)境下形成的類似冰狀的固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)天然氣水合物，其大量存在海底和北極永久凍土層內(nèi)，中國南海、東海也有發(fā)現(xiàn)。 常溫、常壓下，天然氣水合物分解為水與甲烷等烷烴，1 cm3的水合物可釋放出164 cm3的天然氣，極易燃燒，也稱為“可燃冰”。,第一節(jié) “可燃冰”未來重要而清潔的潛在能源,二、甲烷及其水合物： 1、可燃冰及其好處,因為“可燃冰” 燃燒時幾乎不產(chǎn)生任何殘渣或廢棄物，被認為是未來重要而清潔的潛在能源。 但是，天然氣水合物開發(fā)上技術(shù)困難。目前，僅俄羅斯進行了工業(yè)開發(fā)，日本、印度也很重視，中國尚未真正開采出天然的“可燃冰”樣品。 同時，溫室效應(yīng)與海洋地質(zhì)災(zāi)害（如海嘯）難以預(yù)料。,第一節(jié) “可燃冰”未來重要而清潔的潛在能源,二、甲烷及其水合物： 2、可燃冰的風(fēng)險與挑戰(zhàn),一氧化氮（NO）是長期以來被公認是著名的大氣污染物（導(dǎo)致酸雨、危害呼吸系統(tǒng)）之一。 化學(xué)家們長期為NO的消除而發(fā)愁，近來找到了一種消除NO并生成苯酚的新方法：,第二節(jié) NO昔日“罪魁禍?zhǔn)住?，今日“明星分子?一、NO的危害：,SO2和NOx（氮氧化物）是形成酸雨的重要污染源之一，直接后果是造成大氣污染。 大氣污染可以直接損害人體的呼吸系統(tǒng)早為人知。近年來，一些研究還表明大氣污染與心臟病和癌癥等惡性疾病的發(fā)病率關(guān)系密切。在大氣污染嚴重時，還容易爆發(fā)流行性疾病。 現(xiàn)在，世界上已形成三個重大酸雨區(qū)：北美、歐洲、亞洲。而亞洲地區(qū)的酸雨危害在三個地區(qū)中呈后來居上之勢。酸雨對農(nóng)作物直接造成的危害，每年帶來幾百億元的損失。,大氣污染與酸雨蔓延,然而，自20世紀(jì)80年代末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，NO居然是一種重要的信使分子： NO可激發(fā)人體產(chǎn)生許多生物響應(yīng)，在各種生化過程中起著關(guān)鍵的作用，如有助于控制血壓、免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)傳遞和血小板凝聚抑制等生理功能等（偉哥NO：與性有關(guān)的物質(zhì)）。 因此，對一氧化氮的研究，迅速發(fā)展成為一門目前最活躍的生命科學(xué)前沿領(lǐng)域。1998年，NO被時代雜志評為“明星分子”。,第二節(jié) NO昔日“罪魁禍?zhǔn)住?，今日“明星分子?二、NO的神奇：,1、NO中的哲學(xué)： 關(guān)鍵是一氧化氮的量自然界的辯證法！在許多組織中，盡管其真正的釋放量目前尚難于檢測，但已確知會釋放出不同濃度的一氧化氮，且濃度的變化與機體的生理機能緊密相關(guān)。 2、NO中的疑惑： 硝化甘油炸藥（電影垂直極限） 藥物（心機梗塞）諾貝爾的疑惑？,第二節(jié) NO昔日“罪魁禍?zhǔn)住保袢铡懊餍欠肿印?三、NO的困惑：,高空臭氧層的存在，使人類免受紫外線的侵害，為人類的正常生存提供了必不可少的保障。因此，臭氧層被稱為地球的“保護傘”。 但是衛(wèi)星預(yù)測資料顯示，高空臭氧（O3）生成和消亡的自平衡關(guān)系，已被人類活動（如氟利昂大規(guī)模使用、核爆炸和噴氣式飛機高空飛行）所破壞，其濃度正在降低。 臭氧層的破壞，將使紫外線等短波輻射增強，導(dǎo)致皮膚癌患者增加，同時對自然生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重影響。維護臭氧層的平衡，已成為一個全球性的環(huán)境問題。,第三節(jié) 氟利昂從“制冷界明星”到“臭氧殺手”,一、臭氧層破壞的后果：,氟利昂作為制冷劑（空調(diào)、冰箱中）、拋射劑（氣霧劑產(chǎn)品中）等，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，它還可作為發(fā)泡劑（發(fā)泡塑料制造）、清潔劑（電子產(chǎn)品清洗）和滅火劑。 氟利昂的發(fā)現(xiàn)，曾一度被認為是元素周期表應(yīng)用的重要成果。,第三節(jié) 氟利昂從“制冷界明星”到“臭氧殺手”,二、氟利昂制冷界的“昔日明星” 1、氟利昂的用途與發(fā)現(xiàn),（2）結(jié)構(gòu)：根據(jù)氯氟烴的英文名稱Chloro-fluoron- carbon，取其字頭組成縮寫CFC，用CFC代碼作為氯氟烴的統(tǒng)稱。,第三節(jié) 氟利昂從“制冷界明星”到“臭氧殺手”,二、氟利昂制冷界的“昔日明星” 2、氟利昂的種類與結(jié)構(gòu),（1）種類：氟利昂是飽和碳氫化合物的鹵（氟、氯、溴）代物的總稱。其種類有數(shù)十種，其中F12和F22（R12和R22）為中壓中溫制冷劑，具有無色、無味、基本無毒、不燃燒、不爆炸、不腐蝕金屬等特點，是極其安全的制冷劑。,氟利昂到達大氣上層后，在紫外線照射下分解出自由氯原子，氯原子與臭氧反應(yīng)，使臭氧分解，具體反應(yīng)過程為： 起點：CFCl3+紫外線自由氯原子（Cl） a. Cl + O3 ClO + O2 b. O3 O + O2 （光照下的可逆反應(yīng)） c. ClO + O Cl + O2 凈反應(yīng)：2 O3 3 O2 由于氯原子在發(fā)生上述反應(yīng)后能重新分解出來，所以高空中即使有少量氯原子，也會使臭氧層受到嚴重破壞（每個氯原子能催化破壞數(shù)千個到10萬個臭氧分子）。,第三節(jié) 氟利昂從“制冷界明星”到“臭氧殺手”/ 三、氟利昂成為“殺手”的秘密,第四節(jié) 化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣”,一、固氮功臣是非多哈伯,二、蟲口奪糧靠什么農(nóng)藥,三、人間七十已不稀醫(yī)藥,植物的生長需要氮（N）、磷（P）、鉀（K）元素。 將空氣中的氮氣（N2）高效轉(zhuǎn)化為植物生長所需的氮元素這一過程稱之為“固氮”。 一般固氮多為生物固氮。生物固氮（天然）是指固氮微生物將大氣中的氮還原成氨的過程，但遠遠不能滿足人類的需要。 因此，化學(xué)固氮（人工固氮）的研究對于解決糧食問題具有十分重要的意義。,1、化學(xué)固氮的意義,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,德國化學(xué)家哈伯，一生致力于化學(xué)平衡及氣體反應(yīng)等方面的研究。1918年，他提出借熱化學(xué)循環(huán)來求出晶體點陣能的方法，被稱為哈伯循環(huán)。 哈伯最大的貢獻，是1909年在卡爾斯魯厄任教期間所完成的氨（NH3）合成法。他采用了過渡金屬鋨為催化劑，并使未反應(yīng)的氣體原料循環(huán)使用、首次取得具有工業(yè)化價值的合成氨方法，并立即為德國巴登苯胺純堿公司所采用。 因此，哈伯獲得了1918年諾貝爾化學(xué)獎。,2、哈伯的歷史貢獻,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,1918年的化學(xué)獎頒給了哈伯，科學(xué)史上引起了無數(shù)的爭議：因為他在第一次世界大戰(zhàn)期間發(fā)明了毒氣最早的化學(xué)武器氯氣（Cl2），使戰(zhàn)爭中死于毒氣的人不計其數(shù)。 當(dāng)時，許多科學(xué)家都不屑與之為伍。戰(zhàn)后，哈伯自己也感到罪孽深重，以致于怕被人認出來而蓄起了胡子，并到外國去避了一段時間的風(fēng)頭。 但是，因哈伯是猶太人，二戰(zhàn)中他被祖國德國“拋棄”而被迫流亡瑞士，最終客死他鄉(xiāng)?？茖W(xué)、愛國與正義的沖突？,3、哈伯的個人遺憾,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,肥料有助于改善土壤有助于產(chǎn)生營養(yǎng)物，諸如氮等，對農(nóng)作物的生長是必不可少的。 化肥在為世界增長的人口，特別是像印度這些人口劇增的國家，在提供食物方面發(fā)揮了很大的作用。 但是，環(huán)境專家抨擊使用化肥，因為供水可能因此受到污染；再者，大量的能源耗于氨的生產(chǎn)。 因此，農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、人口與環(huán)境之間的矛盾，使化學(xué)固氮的過去與未來都充滿了困惑。,4、如今化肥是非多,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /一、固氮功臣是非多哈伯,農(nóng)藥的使用是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要因素，是解決世界上60億人口溫飽問題的有力措施。 據(jù)統(tǒng)計，世界谷物生產(chǎn)每年因蟲害損失14%，病害損失10%，草害損失11%。我國的農(nóng)作物從種植到儲藏，因病、蟲、草、鼠的危害，糧食最少損失10%15%，棉花約15%，水果、蔬菜20%30%。 農(nóng)藥的使用可以挽回大部分的損失，在農(nóng)業(yè)抵抗病蟲害方面起著積極的作用。,1、驚人的數(shù)字,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /二、蟲口奪糧靠什么農(nóng)藥,歷史上曾經(jīng)發(fā)生過很多次大災(zāi)害，都是由于缺乏有效的防治手段的結(jié)果。 例如，1845年由于馬鈴薯晚疫病大流行所造成的震驚世界的愛爾蘭大饑荒，18701880年間由于葡萄霜霉病大流行所導(dǎo)致的法國葡萄種植業(yè)的崩潰以及葡萄酒釀造業(yè)的倒閉，我國歷史上十多次由于“南螟北蝗”造成的全國大饑荒等，都是由于缺乏有效的防治手段的結(jié)果。,2、歷史上的災(zāi)害,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /二、蟲口奪糧靠什么農(nóng)藥,由于世界人口激增，糧食生產(chǎn)仍低于需求，在一些貧困國家，仍有很多人在挨饑受餓，平均每3.6秒就有一個人餓死。所以，農(nóng)藥作為植物保護的重要手段，今后還是必要的。 此外，殺蟲劑在疾病載體控制，以及健康和生命保護的衛(wèi)生項目中，也起著決定性的作用。例如，瘧疾問題中的瘧蚊的防治，農(nóng)藥挽救了世界各地數(shù)以百萬計人的生命，而且今后還將如此。 總之，農(nóng)藥也是最重要的對付饑餓和保護人類生命的武器之一。然而，由于農(nóng)藥毒性引起的負面影響也非常嚴重。,3、任重而道遠的農(nóng)藥,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /二、蟲口奪糧靠什么農(nóng)藥,1900年，在美國出生的一名男子的期望壽命只有47歲（中國33歲左右）。 但是，2000年出生在這個國家的一名男子的期望壽命大約是75歲（中國72歲左右） 。 這個難以置信的進步，可以主要歸功于藥物化學(xué)家的貢獻，其中最重要的當(dāng)數(shù)抗菌素的開發(fā)。,1、年齡與藥物的關(guān)系,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,19世紀(jì)20年代，細菌感染常導(dǎo)致人生病死亡。 此時，隨著染料工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)家開始合成許多用于布料的染料，包括某些帶有稱做氨磺?；倌軋F的化合物。 德國科學(xué)家Gerhard Domagk發(fā)現(xiàn)一家染料廠的工人較少因細菌感染患病，因此他決定對多種人工合成的染料化合物進行試驗，觀察其中是否有可以殺死細菌的化合物。 1932年，他找到了一種叫做Prontosil（百浪多息）的紅棕色的染料，有效地治愈了受細菌致命感染的老鼠。,2、磺胺藥物的偶然發(fā)現(xiàn)（上）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,于是，他用此藥對一位因患細菌性血中毒已處于無望狀態(tài)的孩子進行了試驗，使她得以康復(fù)。 在此啟發(fā)下（Domagk因此獲得了1939年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎），化學(xué)家制備了許多含有氨磺酰基的新型藥物，即磺胺藥物。 磺胺曾經(jīng)廣為使用，現(xiàn)在有時仍用于臨床。某些藥物可以殺死細菌而不傷害人畜的發(fā)現(xiàn)，開辟了一個主要的新研究領(lǐng)域，于是許許多多性能更好的抗菌化合物就此不斷地被創(chuàng)造或發(fā)現(xiàn)出來。,2、磺胺藥物的偶然發(fā)現(xiàn)（下）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,生物化學(xué)方面的研究已經(jīng)弄清楚了磺胺能夠殺菌而對人無毒的原因人和細菌的生物化學(xué)是不同的。 細菌要制造葉酸的基礎(chǔ)維生素，而磺胺能夠阻礙細菌中制造葉酸的酶；沒有葉酸，細菌基因不能存活。 但人體內(nèi)沒有這種酶。從某種意義上來看，因為人在生物化學(xué)方面的缺陷，反而使人得到安全。這種缺陷是，我們不能制造一種重要的維生素（但是我們可以從食物中獲取葉酸）。,3、磺胺藥物的神奇機理（上）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,人類利用自己的聰明，使細菌“上當(dāng)受騙”而亡。,3、磺胺藥物的神奇機理（下）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,磺胺藥物的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了今天的抗生素領(lǐng)域，但是這還不是化學(xué)對健康的第一個貢獻。 例如，用于表皮創(chuàng)傷的消毒劑，如碘（I2）或苯酚（C6H5OH）比磺胺藥物還要早些，此外還有麻醉劑。 酒精（C2H5OH）是最早的麻醉劑之一，過去曾經(jīng)用過讓患者在疼痛的手術(shù)之前先使之酒醉的辦法。 后來發(fā)現(xiàn)，乙醚（C2H5OC2H5）更加有效，從而使無痛外科手術(shù)和牙科手術(shù)成為可能。,4、更多的藥物離不開化學(xué)（上）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,自那以后，又發(fā)明了許多更好的麻醉劑，包括像普魯卡因（Novocain）這樣的局部麻醉劑在內(nèi)。如果沒有麻醉劑，現(xiàn)代的外科手術(shù)是不可能實現(xiàn)的。 目前，用來治療人類各種疾病的藥用化合物已基本齊全，但是對于許多重要的疾病還不是完全有效，因此有許多的工作是旨在征服它們的。,4、更多的藥物離不開化學(xué)（下）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,人人都希望自己病了有藥吃，但許多人卻不喜歡制藥的人化學(xué)工作者； 類似地，人人都期望自己的孩子受良好的教育，但卻不愿意自己的孩子去做教師！ 有意、無意的自私行為！ 可憐的中國教師！可憐的中國人！可憐的人！可憐的！,5、吃藥后的反思（上）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,中草藥所含化學(xué)成分很復(fù)雜，每一種中草藥都可能含有多種成分。在這些成分中，有一部分具有明顯生物活性并起醫(yī)療作用的，常稱為有效成分，如生物堿、甙類、揮發(fā)油、氨基酸等。 但是，中藥的藥用只是在華人中得到認可。因為中藥有效成分的用量并沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)尺度，故國際上并不明文認可它的醫(yī)學(xué)價值。 中藥應(yīng)定量化，現(xiàn)代化！,5、吃藥后的反思（中）,第四節(jié)化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥人口猛增的“功臣” /三、人生七十已不稀醫(yī)藥,關(guān)于藥物更多的憂慮與困惑： A、人口老年化嚴重：保健離不開藥物（腦白金） B、人類免疫力下降：對個人是醫(yī)學(xué)上的奇跡，對全體呢？你吃不吃藥？ C、人口的持續(xù)猛增：計劃生育