专题讲座四 环境保护与绿色化学[考纲要求] 1.了解氮氧化物、二氧化硫等污染物的来源、性质和危害，体会化学对环境保护的重要意义。2.了解化工生产过程中产生的“三废”对环境的危害，树立绿色化学的观念。3.原子经济性的概念和原子利用率的计算。一、环境污染及其防治1．环境污染与化学相关的环境污染问题主要包括如下几个方面。一是大气污染问题：是指由空气中的颗粒物、硫的氧化物(SO2、SO3)、氮的氧化物(NO、NO2等)、CO、碳氢化合物、氟氯代烷等造成的污染(其中SO2、NOx主要来源于化石类燃料的大量使用)。大气污染的具体表现主要有：形成酸雨、酸雾；臭氧层空洞；光化学烟雾；室内空气污染(指家用燃料的燃烧、烹调、吸烟产生的CO、CO2、NO、NO2、SO2等，各种建筑材料和装饰材料释放出的甲醛、苯等有机物造成的污染等，其中CO与血红蛋白作用会使血液失去输氧能力，导致CO中毒)。二是水体污染：是指过量有害物质进入水中造成的污染。导致水体污染的物质主要有两大类，一类是重金属污染，如重金属Hg、Cd、Pb、Cr等进入水中形成的污染，这些重金属主要来自于化工、冶金、电子、电镀等排放的工业废水。另一类是植物营养物质污染：水中高浓度的N、P等植物营养物质，导致水体富营养化而形成的污染。它主要是由进入水中腐烂的含蛋白质的物质、含磷洗涤剂及大量使用磷肥造成的。三是固体废弃物造成的污染：主要是指生活垃圾、工业废料随意堆放造成的污染，目前最引人注意的是由塑料制品造成的白色污染及废旧电池造成的重金属污染。垃圾污染范围广泛，对环境及生物的不良影响途径多样。思考：当今环境污染存在以下几方面问题：(用物质化学式或元素名称填写相关原因)(1)酸雨——形成原因主要是SO2和氮氧化合物。(2)光化学烟雾——主要是氮氧化合物、碳氢化合物造成的。(3)臭氧空洞——主要是氟氯代烷、氮氧化合物等的排放引起的。(4)温室效应——主要是由于大气中CO2等的含量的不断增加造成的。(5)白色污染——聚乙烯等难降解塑料的大量使用。(6)赤潮——含磷洗衣粉的大量使用，工、农业及城市生活污水的任意排放。2．环境保护的措施(1)工业废气携带颗粒物的回收利用。(2)工业、生活污水经处理达标后排放，限制使用含磷洗涤剂。(3)回收、限制难降解塑料，研制可降解塑料。14\n【例1】 环境问题及解决措施Ⅰ.臭氧层空洞大气平流层中O2吸收紫外线可变成臭氧(O3)，而冰箱中的制冷剂氟里昂在紫外线作用下分解出氯原子，氯原子能加速臭氧的分解，从而破坏平流层中的臭氧层。同样超音速飞机的尾气及发动机尾气中的NO也能加快O3的分解，反应式如下：NO＋O3―→NO2＋2O；NO2＋O―→NO＋O2。请你写出总的反应式：______________；其中NO的作用是______________和____________。解析 通过化学反应方程式的加和可以得到总的反应式：O3O2＋O。通过第一个反应式可知NO作还原剂，由总反应式可知NO作催化剂。答案 O3O2＋O 还原剂 催化剂Ⅱ.水源污染(富营养化)(1)工、农业及城市生活污水中含磷。家用洗涤剂是污水中磷的一个重要来源(洗涤剂中含有磷酸钠)。关于处理污水时要不要除去磷的说法正确的是( )A．磷是生物所需的营养元素，不必除去B．含磷的污水是很好的肥料，不必除去C．含磷污水排到自然水中引起藻类增殖，使水变质，必须除去D．磷对人无毒，除去与否都无关紧要解析 含磷的污水是水污染的重要来源之一，这种富含营养元素(N、P等)的污水排入自然水中，会使水中微生物和藻类大量繁殖、生成、腐败，从而使水中的溶解氧大量减少，引起水中生物死亡、水质恶化，降低了水的使用价值。答案 C(2)赤潮我国沿海出现了大面积赤潮，赤潮是红藻、蓝藻等在较短时间内大量繁殖形成的，它造成的严重后果是____________________。赤潮是水体富营养化的结果，主要是因为__________________等，使水中含有大量的______________元素对应的离子。为了防止水污染，我国许多地区已经对洗衣粉的成分加以限制，不得再销售含有______________(从下述选项中选)的洗衣粉。A．硅酸钠B．烷基苯磺酸钠C．三聚磷酸钠D．蛋白质答案 藻类消耗水中的溶解氧，造成水质恶化和鱼类死亡 滥用氮肥、磷肥、农药和城镇废水任意排放 氮、磷 CⅢ.酸雨14\n(1)自然界“酸雨”形成的原因主要是( )A．未经处理的工业废水的任意排放B．大气中二氧化碳含量增多C．工业上大量燃烧含硫的燃料和金属矿石的冶炼D．汽车排放的尾气和燃料不完全燃烧产生的气体解析 自然界中的酸雨主要是硫酸型酸雨，这是由于大气中SO2和SO3含量过高造成的，形成这种情况的主要原因是工业上大量燃烧含硫的燃料和金属矿石的冶炼，汽车尾气的排放不是主要原因。答案 C(2)SO2主要来自于硫酸工厂废气和含硫矿物的燃烧。①若用Na2SO3溶液来吸收工厂的SO2尾气，加热吸收液可获得高浓度的SO2，变废为宝。你能写出主要的化学方程式吗？②为除去燃料中的硫，可采用如图脱硫工艺。你能写出主要的化学方程式吗？答案 ①SO2＋H2O＋Na2SO32NaHSO3②CaO(s)＋SO2(g)CaSO3(s)，2CaSO3(s)＋O2(g)2CaSO4(s)Ⅳ.光化学烟雾：大气污染物一氧化氮、二氧化氮和某些碳氢化合物在太阳光的照射下，在低空大气中发生复杂的光化学反应(大气中的氧气也参加了反应)，形成白色或浅蓝色有特殊气味的光化学烟雾。光化学烟雾中主要含二次污染物，如醛类、酮类、臭氧、过氧乙酰硝酸酯等。光化学烟雾严重危害人体健康，损害植物及橡胶制品等。汽车尾气污染：汽车尾气(含有烃类、CO、SO214\n与NO等物质)是城市空气的污染源之一。治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”(用铂、钯合金作催化剂)。它的特点是使CO和NO反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使烃类充分燃烧及SO2的转化。(1)写出一氧化碳与一氧化氮反应的化学方程式___________________________。(2)“催化转换器”的缺点是在一定程度上提高空气的酸度，其原因是__________________________________________________________________。(3)控制城市空气污染源的方法可以有________。A．开发氢能源B．使用电动车C．植树造林D．戴上呼吸面具答案 (1)2CO＋2NON2＋2CO2 (2)SO2转化成SO3，SO3遇水生成硫酸(3)ABC二、绿色化学1．绿色化学有关概念(1)核心：利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境造成的污染。又称为“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”。绿色化学的理想在于不再使用有毒有害的物质，不再产生废物，不再处理废物，这是一门从源头上减少或消除污染的化学。(2)绿色化学的研究主要围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化开展的，因此化学反应及其产物具有以下特征：a．采用无毒、无害的原料；b．在无毒、无害的条件(包括催化剂、溶剂)下进行；c．产品应该是环境友好的；d．具有“原子经济性”，即反应具有高选择性、极少副产物，甚至实现“零排放”。此外，它还应当满足“物美价廉”的传统标准。2．原子经济性原子经济性在化学合成特别是有机合成中，减少废物的关键是提高选择性问题，即选择最佳反应途径，使反应物原子尽可能多地转化成产物原子，最大限度地减少副产物，才会真正减少废物的生成。美国著名有机化学家B.M.Trost在1991年首先提出“原子经济性”的概念：认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中(如完全的加成反应：A＋B===C)，达到零排放。原子经济性可用原子利用率来衡量，其定义可表示为原子利用率＝×100%。经济性的反应有两个显著优点：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地减少了废物的排放。14\n【例2】 在下列制备环氧乙烷的反应中，原子利用率最高的是( )解析 根据原子利用率内涵，副产物越少原子利用率越高。C项的副产物为0，则原子利用率为100%，答案为C。也可以分别计算其他方法的原子利用率，再比较。A项原子利用率：×100%≈42.3%；B项原子利用率：×100%≈25.4%；C项原子利用率：×100%＝100%；D项原子利用率：×100%≈23.7%。所以原子利用率大小：C＞A＞B＞D。答案 C【例3】 工业上合成氨的原料之一为氢气，其来源之一是利用石油气的有关成分如丙烷(C3H8)制取。以下途径，假设反应都能进行，从经济效益考虑最合理的反应是( )A．C3H83C＋4H2B．C3H8C3H6＋H2C．C3H8＋6H2O3CO2＋10H2D．2H2O2H2↑＋O2↑答案 C【例4】 下列几种生产乙苯()的方法中，原子经济性最好的是(反应均在一定条件下进行)( )14\n答案 C【例5】 在“绿色化学工艺”中，理想状态是原子利用率为100%。在用CH3C≡CH合成CH2===C(CH3)COOCH3的过程中，欲使原子利用率达到最高，还需要其他的反应物有( )A．CO和CH3OHB．CO2和H2OC．H2和CO2D．CH3OH和H2解析 从原子守恒和绿色化学的思想出发：CH3C≡CH＋其他的反应物―→CH2===C(CH3)COOCH3，则其他的反应物的原子组成为C2H4O2，只有选项A中的物质按等物质的量混合符合题意。答案 A三、无机非金属材料的应用及环境保护无机化工原理在考查方面的另外一个着力点是以全新的信息考查化学反应原理在合成氨、工业制H2SO4、氯碱工业及无机非金属材料方面的应用。中学化学需要掌握的重要的化工生产原理如下：14\n【例6】 工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产，流程如下：(1)简述原料气N2、H2的来源：______________________________________________。(2)下列可以代替硝酸镁加入到蒸馏塔中的是______________________________。A．浓硫酸B．氯化钙C．氯化镁D．生石灰(3)氨气和氧气145℃就开始反应，在不同温度和催化剂条件下生成不同产物(如图所示)：4NH3＋5O24NO＋6H2OK1＝1×1053(900℃)4NH3＋3O22N2＋6H2OK2＝1×1067(900℃)温度较低时以生成______________为主，温度高于90014\n℃时，NO产率下降的原因：________________。吸收塔中需要补充空气的原因：_____________________________________________________________________。(4)尾气处理时，小型化工厂常用尿素作为氮氧化物的吸收剂，此法运行费用低，吸收效果好，不产生二次污染，吸收后尾气中NO和NO2的去除率高达99.95%。其主要的反应为氮氧化物混合气与水反应生成亚硝酸，亚硝酸再与尿素[CO(NH2)2]反应生成CO2和N2，请写出有关反应的化学方程式：____________________，____________________。解析 硝酸镁是吸水剂，四个选项中各物质都具有吸水性，但只有浓硫酸对产物没有影响，生石灰可与硝酸反应，氯化钙、氯化镁中的Cl－会与H＋结合生成HCl，在加热时易挥发而混在硝酸中。答案 (1)N2来源于空气，H2来源于焦炭与水蒸气的反应(2)A(3)N2 生成NO的反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，NO的产率下降 提高氨气的转化率，进一步与NO反应，尽可能多的生成所需产品(4)NO＋NO2＋H2O===2HNO2 CO(NH2)2＋2HNO2===CO2↑＋2N2↑＋3H2O【例7】 “低碳”既是时尚，也是环保要求。“低碳”在工业生产中意义重大，充分利用原材料，不排放或减少排放“三废”，不同工厂今后联合生产等都是很好的“低碳”生产方式。下面是几个工厂利用废气、废渣(液)联合生产化肥硫酸铵的工艺：请回答下列问题：(1)工艺操作①、②分别为____________、____________。(2)工业合成氨的化学方程式为________________________________________。(3)写出生成“产品”的离子方程式：_________________________________________________________。(4)在实验室中检验合成氨厂排出的废气中是否含有氨气的方法是________________________________________________________________________________。(5)副产品的化学式为______________________。该联合生产工艺中可以循环使用的物质是______________________。解析 (1)合成氨的原料之一氮气来源于空气，分离方法是将空气液化后蒸发分离出氧气，获得氮气。(2)工业合成氨的条件是高温、高压和催化剂。14\n(3)“产品”是硫酸铵，反应物是硫酸钙悬浊液、二氧化碳、氨气等，产物除产品硫酸铵外，还有碳酸钙沉淀。(4)氨气溶于水显碱性，实验室中可以用湿润的红色石蕊试纸检验，或利用氨气与氯化氢化合为氯化铵的反应进行检验等。(5)分析框图中各物质的关系可知“副产品”为CaO，能够循环使用的物质是CO2。答案 (1)将空气液化后蒸发分离出氧气，获得氮气 过滤(2)N2＋3H22NH3(3)CaSO4＋CO2＋2NH3＋H2O===CaCO3↓＋2NH＋SO(4)将湿润的红色石蕊试纸放在导气管口，若试纸变蓝，则证明有NH3(或其他可行的方法)(5)CaO CO2【例8】 Ⅰ.某硝酸厂附近的空气中的主要污染物为氮的氧化物。为了保护环境和综合利用，可采用氨—碱两级吸收法。此法兼有碱吸收和氨吸收两法的优点，其吸收工艺流程如下：(1)排空物质的主要成分为_____________________________________________。(2)进入吸收塔以前加一个缓冲器的目的是_______________________________。(3)从吸收塔排出的混合液的用途之一为_________________________________。Ⅱ.空气中的主要污染物为硫的氧化物和氮的氧化物。研究人员设计了同时净化废气中二氧化硫和氮的氧化物的方法，将其转化为硫酸和硝酸，工艺流程如下：各室中发生的反应如下：氧化室：NO2(g)＋SO2(g)＋H2O(l)===H2SO4(aq)＋NO(g)ΔH＝akJ·mol－1。清除室：NO(g)＋NO2(g)===N2O3(g) ΔH＝bkJ·mol－1；N2O3(g)＋2H2SO4(aq)===2NOHSO4(s)＋H2O(l)ΔH＝ckJ·mol－1。分解室：4NOHSO4(s)＋O2(g)＋2H2O(l)===4H2SO4(aq)＋4NO2(g) ΔH＝dkJ·mol－1。回答下列问题：(1)物质①和②分别为(写化学式)________、__________。14\n(2)写出SO2、O2和H2O反应生成H2SO4的热化学方程式：______________________。解析 Ⅰ.(1)排空物质是无污染的气体，主要成分为N2、O2。(2)进入吸收塔以前加一个缓冲器的目的是使氨气和污染的空气充分混合，使氮的氧化物与氨气充分反应，从而转化为无毒的N2。(3)从吸收塔排出的混合液含有铵盐，可以作为氮肥。Ⅱ.(1)根据各室中的反应，物质①、②分别为分解室中NOHSO4与O2、H2O反应生成的NO2、H2SO4。(2)设3个室中发生的4个反应依次为①、②、③、④，根据盖斯定律，反应2SO2(g)＋O2(g)＋2H2O(l)===2H2SO4(aq)可以通过①×2＋②×2＋③×2＋④得到，则该反应的ΔH＝(2a＋2b＋2c＋d)kJ·mol－1。答案 Ⅰ.(1)N2、O2(只填N2也算对)(2)使氨气和污染的空气充分混合(3)用作肥料Ⅱ.(1)NO2 H2SO4(2)2SO2(g)＋O2(g)＋2H2O(l)===2H2SO4(aq)ΔH＝(2a＋2b＋2c＋d)kJ·mol－114\n1．(2022·广东理综，7)化学与生活息息相关，下列说法不正确的是( )A．用食醋可除去热水壶内壁的水垢B．淀粉、油脂和蛋白质都是高分子化合物C．自行车钢架生锈主要是电化学腐蚀所致D．新型复合材料使手机、电脑等电子产品更轻巧、实用和新潮答案 B解析 结合各选项中叙述的物质的组成、结构、性质及反应来分析、解决问题。A项热水壶内壁的水垢主要成分是CaCO3和Mg(OH)2，加入食醋会生成可溶性醋酸钙和醋酸镁；B项淀粉、蛋白质是高分子化合物，油脂不是高分子化合物；C项自行车钢架在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀而生锈；D项新型复合材料具有质量轻、硬度大、耐腐蚀等优点，被广泛应用于手机、电脑等电子产品。2．(2022·四川理综，6)下列关于“化学与健康”的说法不正确的是( )A．服用铬含量超标的药用胶囊会对人体健康造成危害B．食用一定量的油脂能促进人体对某些维生素的吸收C．“血液透析”利用了胶体的性质D．光化学烟雾不会引起呼吸道疾病答案 D解析 铬是重金属，铬含量超标的药用胶囊是有毒的，故A正确；有些维生素是脂溶性的，油脂能促进其吸收，故B正确；血液透析是指血液中的一些废物通过半渗透血液透析膜除去，血液透析是一种较安全、易行、应用广泛的血液净化方法之一，故C正确；光化学烟雾是大气中的氮氧化物与碳氢化合物经过紫外线照射发生反应形成的，光化学烟雾的成分非常复杂，具有强氧化性，刺激人的眼睛和呼吸道黏膜，伤害植物叶子，加速橡胶老化，并使大气能见度降低，故D错。3．(2022·天津理综，1)化学在人类生活中扮演着重要角色，以下应用正确的是( )A．用浸泡过高锰酸钾溶液的硅土吸收水果释放的乙烯，可达到水果保鲜的目的B．为改善食物的色、香、味并防止变质，可在其中加入大量食品添加剂C．使用无磷洗衣粉，可彻底解决水体富营养化问题D．天然药物无任何毒副作用，可长期服用答案 A14\n解析 A项硅土的表面积较大，具有较强的吸附能力，可以吸附乙烯，高锰酸钾溶液可将乙烯氧化；B项使用食品添加剂时，要严格控制其用量，如大量使用防腐剂NaNO2可引起中毒；C项水体中的N、P元素均可引起水体富营养化；D项天然药物也有一定的毒副作用，要遵照医嘱合理使用。4．(2022·重庆理综，6)“化学，让生活更美好”，下列叙述不能直接体现这一主旨的是( )A．风力发电，让能源更清洁B．合成光纤，让通讯更快捷C．合成药物，让人类更健康D．环保涂料，让环境更宜居答案 A解析 风力发电是利用自然界中的动能，属于物理变化，与化学无关，因此A项不能直接体现题给主旨；合成光纤、合成药物、环保涂料确实体现了“化学，让生活更美好”的主旨。5．(2022·福建理综，6)下列关于化学与生产、生活的认识不正确的是( )A．CO2、CH4、N2等均是造成温室效应的气体B．使用清洁能源是防止酸雨发生的重要措施之一C．节能减排符合低碳经济的要求D．合理开发利用可燃冰(固态甲烷水合物)有助于缓解能源紧缺答案 A解析 造成温室效应的气体包含CO2和CH4，但不包含N2。6．(2022·四川理综，6)下列“化学与生活”的说法不正确的是( )A．硫酸钡可用于钡餐透视B．盐卤可用于制豆腐C．明矾可用于水的消毒，杀菌D．醋可用于除去暖水瓶中的水垢答案 C解析 硫酸钡难溶于水，不溶于酸，医疗上常用于钡餐透视，A正确；盐卤中的电解质可以使豆浆(胶体)中胶粒聚沉，B正确；明矾可用于净水，但不能用于水的消毒、杀菌，C错误；水垢的主要成分是碳酸钙和氢氧化镁，故用醋可以除去暖水瓶中的水垢，D正确。7．(2022·江苏，1)化学与人类生活、社会可持续发展密切相关。下列措施有利于节能减排、保护环境的是( )14\n①加快化石燃料的开采与使用；②研发易降解的生物农药；③应用高效洁净的能源转化技术；④田间焚烧秸秆；⑤推广使用节能环保材料。A．①③⑤B．②③⑤C．①②④D．②④⑤答案 B解析 研发易降解的生物农药、应用高效洁净的能源转化技术、推广使用节能环保材料均有利于节能减排、保护环境。8．(2022·江苏，1)化学与能源开发、环境保护、资源利用等密切相关。下列说法正确的是( )A．为提高农作物的产量和质量，应大量使用化肥和农药B．绿色化学的核心是应用化学原理对环境污染进行治理C．实现化石燃料清洁利用，就无需开发新能源D．垃圾是放错地方的资源，应分类回收利用答案 D解析 化肥和农药虽然能提高农作物的产量和质量，但会污染环境，影响人体健康，不能大量使用，A错误；绿色化学的核心是利用化学原理从源头上减少和消除对环境的污染，B错误；化石燃料属于不可再生能源，故仍需开发新能源缓解能源缺乏的问题，C错误；垃圾可分类回收利用，节约能源，D正确。9．(2022·江苏，1)化学在资源利用、环境保护等与社会可持续发展密切相关的领域发挥着积极作用。下列做法与社会可持续发展理念相违背的是( )A．改进汽车尾气净化技术，减少大气污染物的排放B．开发利用可再生能源，减少化石燃料的使用C．研发可降解高分子材料，减少“白色污染”D．过度开采矿物资源，促进地方经济发展答案 D解析 可持续发展是一种注重长远发展的经济模式，充分、合理利用资源、减少污染等方面都是可持续发展的内容。10．(2022·海南，1)化学与环境密切相关，下列有关说法正确的是( )A．CO2属于大气污染物B．酸雨是pH小于7的雨水C．CO2、NO2或SO2都会导致酸雨的形成D．大气中CO2含量的增加会导致温室效应加剧答案 D解析 CO2是大气的组成成分，不属于大气污染物，A选项错；酸雨是指pH小于5.6的雨水，B选项错；CO2不会导致酸雨，NO2或SO2都会导致酸雨，C选项错；CO214\n是温室气体，其含量的增加会导致温室效应加剧，故D选项正确。11．[2022·四川理综，29(1)(2)]直接排放煤燃烧产生的烟气会引起严重的环境问题，将烟气通过装有石灰石浆液的脱硫装置可以除去其中的二氧化硫，最终生成硫酸钙。硫酸钙可在下图所示的循环燃烧装置的燃料反应器中与甲烷反应，气体产物分离出水后得到几乎不含杂质的二氧化碳，从而有利于二氧化碳的回收利用，达到减少碳排放的目的。请回答下列问题：(1)煤燃烧产生的烟气直接排放到空气中，引发的主要环境问题有__________(填写字母编号)。A．温室效应B．酸雨C．粉尘污染D．水体富营养化(2)在烟气脱硫的过程中，所用的石灰石浆液在进入脱硫装置前，需通一段时间的二氧化碳，以增加其脱硫效率；脱硫时控制浆液的pH，此时浆液含有的亚硫酸氢钙可以被氧气快速氧化生成硫酸钙。①二氧化碳与石灰石浆液反应得到的产物为__________。②亚硫酸氢钙被足量氧气氧化生成硫酸钙的化学方程式为____________________________________________________________________。答案 (1)ABC (2)①Ca(HCO3)2(或碳酸氢钙)②Ca(HSO3)2＋O2===CaSO4＋H2SO4解析 (1)煤燃烧产生的烟气中含有的粉尘会造成粉尘污染，含有的二氧化硫(与空气接触可产生三氧化硫)会造成酸雨，二氧化碳可以造成温室效应，故应选A、B、C。(2)①因CO2＋CaCO3＋H2O===Ca(HCO3)2，故二氧化碳与石灰石浆液反应得到的产物为Ca(HCO3)2；②1molCa(HSO3)2被氧气氧化肯定生成1molCaSO4，根据S元素守恒，还要有H2SO4生成，故反应方程式为Ca(HSO3)2＋O2===CaSO4＋H2SO4。14
