绿色化学第1-3章课件.ppt

绿色化学通用教程,欢迎你,化工学院：黄明泉,1,绿色化学（Green Chemistry),课件邮箱：hmq_lvsehuaxue163.com 密码：123456789,20世纪化学工业为衣、食、住、行、保健和娱乐以及国防安全提供了丰富的化学物质，也带来了不同程度的环境污染 21世纪绿色化学的进展将证明化学有能力推动经济和社会的可持续发展，保障子孙后代的美满幸福生活,2,可持续发展面临的问题 人居环境受到严重威胁,全国主要城市空气污染综合指数,电厂对大气污染,北京遭遇的沙尘暴,太湖污染,开设本课程的目的,环境污染、能源枯竭等问题是当前人们最为关心的热门话题之一,传统化学、化工面临着人类可持续发展要求的严重体挑战，而绿色化学化工的兴起和发展,既可以从根本上保护环境,又可以进一步促进化学工业生产发展,因此化学工业的出路在于大力开发和应用基于绿色化学原理产生和发展起来的绿色化学化工技术。,4,通过本课程的学习，掌握绿色化学与化工的基本概念、基本原理，了解化学、化工生产中的资源与能源合理利用及生态环境可持续性发展间的关系。 达到开阔视野，拓宽知识面，便于从整体上认识化学学科，树立既保护环境又推动工业生产发展的新观念。 同时及时了解最新最热门的科学技术成果的研究进展以及国内外发展状况，为成为知识渊博、研究方向明确的高素质人才打下基础。,开设本课程的目的,5,本课程为考查课，总学时数为34学时。 考核形式：平时成绩30%40%， 期终考查60%70%。 平时成绩：迟到、早退、事假、病假、旷课、作业,课程性质及要求,6,教材及参考书,1.汪朝阳绿色化学通用教程北京：中国纺织出版社，2007 2.仲崇立. 绿色化学导论.北京：化学工业出版社, 2000 3.贡长生、张克立. 绿色化学化工实用技术.北京：化学工业出版社, 2002 4.沈玉龙、魏利滨、曹文华.绿色化学.北京：中国环境科学出版社, 2004 5.顾国维、何澄. 绿色技术及其应用.上海：同济大学出版社,1999 6.P.T.阿纳斯塔斯， J.C.沃纳.李朝军,王东.绿色化学理论与应用. 北京：科学出版社, 2002,7,教学内容,第一部分 化学 第二部分 方兴未艾的绿色化学 第三部分 绿色浪潮中的绿色化学 第四部分 绿色工作与绿色经济 第五部分 绿色伦理与绿色科技观 第六部分 绿色社会需要人人参与,8,第一部分 化学 -受到挑战的中心科学,第一章 一门中心的、实用的和创造性的 科学-化学 第二章 人类十大环境危机中的化学困惑 -绿色化学的兴起,9,第一章 化学,一、化学是一门中心科学 1、化学与天然存在 化学定义：化学是一门试图了解物质的性质和物质发生反应的科学。 化学涉及存在于自然界的一切物质以及人类创造的新物质。 世界上的万物都是由化学物质构成的，多数以化合物的形式存在。,10,第一章 化学,一、化学是一门中心科学 2、化学与其它学科的关系 化学是很多学科的基础； 化学是一门实用科学，其直接对应的工业为化学工业； 化学是一门创造性科学，其相应的化学研究组织很庞大，如美国的化学会。,11,第一章 化学,一、化学是一门中心科学 2、化学与其它学科的关系,表1-1 化学家的工作领域,12,第一章 化学,一、化学是一门中心科学 2、化学与其它学科的关系,表1-2 美国化学会的分会,13,第一章 化学,二、化学基础知识 1、化学式 化学物质由分子、原子、离子等组成，它们通常都可以用相应的化学式表示。 如氦气(He)、(H2O) 分子组成的化学物质的化学式 如水(H2O)、二氧化碳(CO2)、 甲烷(CH4) (2) 原子组成的化学物质的化学式 金刚石(C)、氦气(He) (3) 离子组成的化学物质的化学式 如氯化钠(NaCl),14,第一章 化学,二、化学基础知识 2、共价键与离子键 离子组成的化学物质中存在离子键。 如氯化钠晶体中钠离子(Na+)与氯离子(Cl-)间的静电引力。 与离子键相对应的是共价键。如苯(C6H6)。,15,第一章 化学,二、化学基础知识 3、同分异构、手性与药物 手性异构 在化学中，对具有相同分子式而结构不同的现象，称为同分异构。 如乙醇和二甲醚，其结构式如下：,16,第一章 化学,二、化学基础知识 3、同分异构、手性与药物 手性异构 由一个碳原子连接四个不同基团而引起的异构现象，可称为手性异构(该碳原子称为手性碳原子，一般用*标记)。 如丙氨酸存在L-丙氨酸和D-丙氨酸，其结构式如下：,L-丙氨酸,D-丙氨酸,17,第一章 化学,二、化学基础知识 3、同分异构、手性与药物 (2) 手性与药物 手性异构的存在与认识，对于药物开发具有重要意义。 如药物“反应停(Thalidomide)”，其结构式如下：,18,第一章 化学,二、化学基础知识 4、化学反应式与反应方向 (1) 反应物、试剂、产物与条件 对一个化学反应式的理解，需要注意区分反应物、试剂、产物、条件等(尤其是有机化学的反应)。 举例如下。,19,第一章 化学,二、化学基础知识 4、化学反应式与反应方向 (2) 化学反应的方向 决定分子转变为其它分子的化学反应的原理： (1) 如果反应的产物比起始物质更不稳定(具有更高的能量)时，这样的反应不会发生。 (2) 即使反应是有利的，产物的能量比起始物质低，混乱度比起始物质大，反应也不一定进行得很快。 利用催化剂通常可以加快反应。,20,思考题,一、判断题 1、化学是一门试图了解物质性质和物质发生反应的科学。 2、化学的历史可追溯到有历史记载以前的时期。 3、世界上的万物都是由化学物质构成的。 4、氦(He)是单原子分子。 5、地球上没有“与化学物质无关”的物质。 6、天然物质对人类总是有益的。 7、天然物中没有任何化学物质。 8、化学家也在为化学工业之外的许多领域进行工作。 9、相同分子式的化合物具有相同的结构。 10、“反应停”的教训告诉公众：缺乏对化学的深入了解， 可能会导致严重灾难。,21,思考题,一、判断题 11、利用催化剂可以加快反应。 12、用箭头表示的化学方程式一定不可以用于计算。 二、选择题 1、化学物质由（）等组成。 A、分子 B、原子 C、离子 D、光子 2、化学与（）等很多的其他科学领域有关，对它们都有重大的贡献。 A、农业科学 B、生物学 C、药学 D、环境科学 E、计算机科学 F、地质学 G、冶金学 H、物理学 3、化学反应可能向（）的方向进行。 A、能量降低 B、熵增大 C、能量增大 D、混乱度减小,22,思考题,三、写出下列化学物质的名字，并写出与其性质、用途等相关的一句话 1、O2 2、CO2 3、He 4、CH4 5、H2O 6、NaCl 7、C6H6 8、C2H5OH 9、C2H5ONa 10、CH3OCH3,23,第二章 绿色化学的兴起,大气污染(酸雨蔓延) 水体污染(水资源不足) 海洋污染(海洋生态危机) 固体废物(垃圾越来越多) 人口猛增,全球变暖(温室效应) 臭氧层破坏 生物多样性减少(物种濒危) 森林锐减 土地荒漠化,人类深陷十大环境危机：,24,第二章 绿色化学的兴起,一、可燃冰 1、温室气体 温室气体种类：H2O、CO2、NOx、CH4等，其中最重要的是CO2和CH4; 有学者推测：若大气中CO2浓度翻一番，全球将变暖5 ； 甲烷CH4在大气中的聚热效果是CO2的25倍，全球变暖的作用 中， CH4占5%以上。,25,第二章 绿色化学的兴起,一、可燃冰 2、甲烷及其水合物 天然气水合物：水分子与甲烷，以及低分子量的烷烃如乙烷、丙烷、丁烷，在低温高压环境下形成的类似冰状的固态结晶物质。 可燃冰：常温常压下，天然气水合物分解为水和甲烷等烷烃，极易燃烧，俗称“可燃冰”。 存在：海底和北极永久冻土层内，中国南海、东海也有发现。,26,第二章 绿色化学的兴起,二、一氧化氮NO 危害：大气污染物之一，是形成酸雨的重要污染源之一，能损害人体的呼吸系统。 消除NO的方法： 新发现：NO是一种重要的信使分子，具有神奇的生理调节功能，如有助于控制血压、可进行免疫调节和神经传递、抑制血小板凝聚等生理功能。 NO昔日的“罪魁祸首”，今朝的“明星分子”。,27,第二章 绿色化学的兴起,三、氟利昂-从“制冷明星”到“臭氧杀手” 1、臭氧层破坏的后果 危害：臭氧层被称为地球的保护伞。臭氧层的破坏使短波紫外线(波长240329nm)的辐射增强，导致皮肤癌症者增加，给自然生态系统带来严重影响。 2、氟利昂制冷届的“昔日明星” 氟利昂：指用于制冷的饱和碳氢化合物的卤(氟、氯、溴)代物的总称(商品名)，尤其是氯氟烃类(Chloro-fluoron-carbon，缩写CFC)，共数十种。 替代品：二甲醚、氟代烷烃等。,28,第二章 绿色化学的兴起,三、氟利昂-从“制冷明星”到“臭氧杀手” 1、氟利昂称为“臭氧杀手”的秘密 机理：氟利昂达到大气上层，在紫外线照射下分解出自由氯原子，氯原子与臭氧发生反应，使臭氧分解。 以F11(CFCl3)为例，其作用机理如下：,总反应,29,第二章 绿色化学的兴起,四、化肥、农药、医药-人口猛增的“功臣” 1、化肥 固氮：将空气中的氮气(N2)高效地转化为植物生长所需的氮元素的过程。 化学固氮哈伯固氮法,30,第二章 绿色化学的兴起,四、化肥、农药、医药-人口猛增的“功臣” 2、农药 优点：使用农药是农业增产的重要因素，是解决世界60多亿人口温饱问题的有力措施。 缺点：由于农药的毒性及残留等因素的影响，其引起的负面影响也非常严重。 3、医药 人类寿命的延长很大程度上要归功于药物的作用，很多疾病的治疗都依赖与各种化学药物，但这些化学药物在生产过程中也会带来环境污染。,31,思考题,一、判断题 1、CH4是比CO2更危险的温室气体。 2、天然气水合物即“可燃冰”，其可能是未来的清洁能源。 3、NO是有害的。 二、选择题 1、（）等都是温室气体。 A、H2O B、CO2 C、NOx D、CH4 2、全球变暖的结果是，导致（）等现象的产生。 A、海平面上升 B、高山雪线上移 C、厄尔尼诺现象 D、非典型肺炎(SARS) 3、（）是形成酸雨的重要污染源。 A、SO2 B、CO2 C、NOx D、CH4,32,思考题,二、选择题 4、在臭氧变成氧气的反应过程中，氟利昂中氯原子是（）。 A、反应物 B、生成物 C、中间产物 D、催化剂 三、写出下列化学物质的名字并写出与其性质、用途等相关的一句话。 1. O3 2. N2 3. NO 4. CH4 5. CO2 6. SO2 7.NOx 8. C6H5OH 9. I2 10. NH3 11. C2H5OH 12. C2H5OC2H5 四、问答题 1、请收集酸雨与二氧化硫的资料，判断二氧化硫这种化学物质的好坏，并说明理由。 2、NO的“遭遇”说明了什么问题？ 3、请收集甲烷的资料，你认为开采“可燃冰”有必要吗？为什么？,33,思考题,四、问答题 4、如何看待氟利昂的功过？氟利昂冤枉吗？ 5、人类真的离不开药物吗？如果没有了农药和医药，可能只是地球上的人少点，“更新”快点。可见，我们是可以离开化学、离开化学物质的。这种观点对吗？为什么？,34,第二部分 方兴未艾的绿色化学 绿色化学的基本内容与实例,第三章 绿色化学的基本概念 第四章 绿色化学的主要内容 第五章 绿色化学的应用实例,35,20世纪化学工业的贡献及带来的问题,贡献： 1928年青霉素抗生素类药物制药业蓬勃发展使人类 的抗疾病能力增强，寿命延长 1913年合成氨 化肥、农药业迅猛发展农业生产 1941年DDT 减轻了人口的增长对粮食到处需求的压力 1921年天然气 1930年聚乙烯 石油化学工业改变了人类的生活方式 1939年的顺丁橡胶 为材料、计算机等提供了物质保障 问题：化学工业带来严重的环境污染,第三章 绿色化学的基本概念,近年来，由于化学工业向大气、水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。1992年，美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元。环保费用为10亿美元。所以从环保、经济和社会的要求看化学工业不能再承担使用和产生有毒。有害物质的费用.需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。,绿色化学的重要性,从科学观点看化学科学基础的创新 从环境观点看从源头上消除污染 从经济观点看合理利用资源和能源，降低生产成本 符合经济和社会可持续发展的要求,37,第三章 绿色化学的基本概念,一、绿色化学的诞生 美国1990年通过了污染预防法(Pollution Prevention Act of 1990)。它促进美国环保局于1991年建立了绿色化学规划 。 1991年，美国著名有机化学家Trost在Science上提出了“原子经济性(原子利用率)”的概念。 1992年，荷兰有机化学家Sheldon提出了“E因子”的概念。 这两个重要的绿色化学的基本概念的提出，引起了化学界的极大关注，也标志着绿色化学开始萌芽。,38,一、绿色化学的诞生 1994年8月于美国华盛顿市召开的208届美国化学会全国年会环境化学分会，首次以“绿色化学”为主题。 1996年6月，克林顿颁发了美国首届“总统绿色化学挑战奖”。 1999年初，英国皇家化学会创办了国际性的“Green Chemistry”学术刊物。 这两个重大事件，正式宣告了绿色化学的诞生。,第三章 绿色化学的基本概念,39,各国政府推动绿色化学的措施, 美国 1990年美国颁布了污染防治条例，将 污染的防治定为国策。 1995年4月美国副总统Gore宣布了国家环境技术战略。其目标为:至2020年地球日时。将废弃物减少40-50%,每套装置消耗原材料减少20一25 1999年，世界上第一本绿色化学杂志诞生。 2000年，美国化学会出版了第一本绿色化学教科书。 日本 制订“21世纪重建绿色地球”的新阳光计划，设立“为地球创新技术的研究院” 欧盟各国 德国 1991年制订“为环境而研究的计划” 英国 2000年设立“Jerwood Salters环境奖” 荷兰 制订“清洁生产手册”,40, 中国 制订了“科教兴国”和可持续发展策略，并于1993年世界环境和发展大会之后，编制了中国21世纪议程郑重声明走可持续发展道路的决心。 1995年中国科学院化学部组织了绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径院士咨询活动 1997年国家自然科学基金委“九五”重大项目：环境友好石油化工催化化学与反应工程 1997年5月，香山科学会议第72次学术研讨会：可持续发展问题对科学的挑战绿色化学 1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨会 1999年北京第16次九华山科学论坛“绿色化学的基本科学问题” 2000年科技部国家重点基础研究发展规划项目立项石油炼制和基本有机化学品合成的绿色化学,41,(1)对我国的环境至关更要的一些工业，如煤炭，石油，化工，造纸，制革，酿造和制药中的绿色化学开展基础研究； (2)在“原子经济性”和可持续发展的基础上研究合成化学和催化化学的基础问题，即绿色合成和绿色催化等； (3)综合利用现代生物技术和化学化工技术的绿色生化工程，如生物煤炭脱硫，微生物造纸，新生物煤炭脱硫和新生物质能源等； (4)研究如何用类似于生物分子的自复制和自组装过程生产一般分子(特别是无机小分于)和特殊功能的纳米粒子。,我国把绿色化学列入重点支持的更大基础领域， 确定如下具体目标：,42,二、绿色化学的定义 定义1即利用化学原理在化学品的设计、生产和应用中即消除或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有毒有害物质的使用和产生，又设计研究没有或只有尽可能少的环境负作用、在技术上和经济上可行的产品和化学过程。 定义2采用最少的资源和能源消耗，并产生最小的排放的工艺过程。,第三章 绿色化学的基本概念,43,二、绿色化学的定义 绿色化学是更高层次的化学，又称可持续发展化学、环境无害化学(Environmentally Benign Chemistry)或环境友好化学(Environmentally Friendly Chemistry)、清洁化学(Clean Chemistry)。 在绿色化学基础上发展的技术称环境友好技术或洁净技术(Clean Technology)。,第三章 绿色化学的基本概念,44,二、绿色化学的定义 1、绿色化学的目的预防优于治理 绿色化学的根本目的是从节约资源和防止污染的观点，重新审视和改革传统化学，使对环境的治理从治标转向治本。 “一两的预防胜于一斤的治疗”。,第三章 绿色化学的基本概念,45,二、绿色化学的定义 2、绿色化学的特点从注重产率到注重原子经济性 传统上，描述某一合成方法的有效性和效率的概念是产率。 产率的缺陷是完全忽略了合成反应中生成的任何不希望得到的产物，而这些产物却是合成产物中固有的一部分。,第三章 绿色化学的基本概念,46,二、绿色化学的定义 2、绿色化学的特点从注重产率到注重原子经济性 绿色化学的主要特点就是原子经济性，即在获取新物质的化学过程中充分利用每个原料原子，实现零排放，使化学从粗放型向集约型转变，既充分利用资源，又不产生污染。 原子经济性在数值上用E因子、原子利用率来衡量。,第三章 绿色化学的基本概念,47,Barry Trost：原子经济性(Atom Economy)概念 A B C D A B C ,产物,废物或副产物,废物 为零,48,第三章 绿色化学的基本概念,二、绿色化学的定义 2、绿色化学的特点从注重产率到注重原子经济性,二、绿色化学的定义 2、绿色化学的特点从注重产率到注重原子经济性 E因子定义为每生产1kg期望产品与同时产生的废物质量的比值。,第三章 绿色化学的基本概念,49,E因子越大，其对环境的污染越大。,不同化工部门生产中的E因子,制药、精细化工更需开发原子经济反应,50,二、绿色化学的定义 2、绿色化学的特点从注重产率到注重原子经济性,第三章 绿色化学的基本概念,二、绿色化学的定义 2、绿色化学的特点从注重产率到注重原子经济性 原子利用率 利用原子利用率，可以从理论上初步判断E因子的大小。 原子利用率越大，E因子越小。,第三章 绿色化学的基本概念,51,二、绿色化学的定义 3、绿色化学的基础从化学物质的毒理学性质、化学反应(过程)的安全性思考 问题 (1) Q值与EQ值 化学物质的毒理学性质用Q值衡量，Q值是有机化学衡量环境友好生产过程的重要因素。 Q值是根据废物在环境中的行为给出的对环境不友好度。,第三章 绿色化学的基本概念,52,二、绿色化学的定义 3、绿色化学的基础 举例： 氯化钠NaCl Q=1；硫酸铵(NH4)2SO4 Q=1 则重金属(如铜Cu、汞Hg等) 离子的盐类基于毒性大小，Q=1001000。 环境商值(EQ) EQ=E × Q 式中E为E因子 EQ同时考虑了废物的排放量和废物环境行为的本质，能更精确地评价一种合成方法相对于环境的好坏。,第三章 绿色化学的基本概念,53,二、绿色化学的定义 3、绿色化学的基础 (2) LD50 LD50一般以毫克(物质)/千克(mg/kg)体重为单位，代表使动物(通常是白鼠)种群一次口服、注射，或皮肤涂抹药剂后产生急性中毒而有半数死亡所需该药剂的量。 举例：水 180000mg/kg 蔗糖 35000mg/kg 氯化钠 3750mg/kg 咖啡碱 130mg/kg 氰化钾 15mg/kg 砒霜(As2O3) 15mg/kg,第三章 绿色化学的基本概念,54,二、绿色化学的定义 4、绿色化学的理想零排放 如果根本没有废物排放，则E因子为0，EQ必然为0，即为零排放，这是绿色化学的最根本的特征，也是绿色化学的最终理想。 绿色化学在理论上是一个新的观念，在实践上，更多地是一个过程，即绿色化。,第三章 绿色化学的基本概念,55,思考题：,1、判断题 (1) E因子越大，原子经济性越好。 (2) 原子利用率越大，E因子越小。 (3) 更为精确地评价一个合成方法相对于环境的好坏，应用EQ衡量。 (4) 绿色化学最根本的特征是零排放。 2、选择题 绿色化学是()。 A、更高层次的化学 B、可持续发展化学 C、环境友好化学 D、清洁化学,56,思考题：,2、选择题 (2) 绿色化学技术(绿色化学工艺)又称为( ) A、绿色技术 B、干净技术 C、环境友好技术 D、清洁技术 (3) 原子经济性在数值上用( )等衡量。 A、E因子 B、EQ C、原子利用率 D、产率 3、写出下列化学物质的名字，写出与其性质、用途等相关的一句话 (1) NaCl (2) (NH4)2SO4 (3) Cu (4) Hg,57,思考题：,4、问答题 (1) 什么是E因子？为什么E因子越大越糟糕？ (2) 什么是Q值？有何意义？查找资料，了解Q值研究的新进展。 (3) 除了原子利用率、E因子、EQ等化学反应(过程)评估指标外，人们也在不断探索更全面的评估方法。查找资料，了解评价指标研究的新进展，并撰写论文介绍你的成果。,58,