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 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)以來得到迅速的發(fā)展 20世紀(jì)70年代以來 其生產(chǎn)速度和規(guī)模遠(yuǎn)超過其它氮肥 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機(jī)物制得人體排泄出來的有機(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)尿素約有一半用來制成尿素 甲醛樹脂 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首先合成出來的 當(dāng)時(shí)人們并沒有發(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)害蟲毒性很高 2 對(duì)溫血?jiǎng)游锖椭参锵鄬?duì)無害 3 無刺激性 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 沒用DDT以前 由于瘧疾 全世界每年死亡200 300萬人 使用DDT10年后 瘧疾作為人類的主要禍患基本消除 印度 7500萬人 1952 10萬人 1964 前蘇聯(lián) 3500萬 1956 1 3萬 1966 斯里蘭卡 1 2萬人 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)生食魚性鳥類大量死亡 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)害蟲和居家殺蟲確實(shí)發(fā)揮過神奇作用 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 一般用魚作為實(shí)驗(yàn)生物來測(cè)定 BCF值為穩(wěn)定狀態(tài)下 魚體內(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 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 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