必修 第二册第八章 化学与可持续发展第三节 环境保护与绿色化学学案

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一、化学与环境保护
1．环境保护
(1)环境问题：主要是指由于人类不合理地开发和利用自然资源而造成的__________破坏，以及工农业生产和人类生活所造成的__________。
(2)环境保护的任务
①环境监测：对污染物的__________、__________等进行__________和__________，为控制和消除污染提供可靠的数据。
②治理工业“三废”(__________、__________、__________)。
③寻找源头治理环境污染的生产工艺，杜绝污染物的排放，能从根本上解决环境问题。
2．小气污染物来源及次生污染物的形成
小气污染物主要来自__________的燃烧和工业生产过程中产生的__________及其携带的颗粒物。
3．污水的处理
(1)常用的污水处理方法：__________、__________和__________等。
(2)污水处理的常用化学方法：__________、______________、__________等。
4．固体废物的处理
(1)处理原则：__________、__________和__________。
(2)目的：____________________和____________________。
【归纳整理】
1．常见的环境问题与危害
2．含硫氯化物的消除
(1)工业废气中SO2的消除
方案Ⅰ：碱液吸收法
发生反应的化学方程式：2NaOO+SO2===Na2SO3+O2O
方案Ⅱ：石灰—石膏法
发生反应的化学方程式：
Ca(OO)2+SO2===CaSO3↓+O2O，2CaSO3+O2eq \(=====,\s\up7(△))2CaSO4
方案Ⅲ：双碱法
发生反应的化学方程式：
2NaOO+SO2===Na2SO3+O2O，Na2SO3+Ca(OO)2===CaSO3↓+2NaOO，2CaSO3+O2eq \(=====,\s\up7(△))2CaSO4
(2)燃煤脱硫
工业上常利用在煤炭中加入CaCO3进行脱硫，写出此方法所依据的化学反应方程式和反应类型。
CaCO3 eq \(=====,\s\up7(高温),\s\d5( )) CaO＋CO2↑，分解反应
CaO＋SO2 eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5( )) CaSO3，化合反应
2CaSO3＋O2 eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5( )) 2CaSO4，化合反应(或氧化还原反应)
二、绿色化学
1．核心思想
绿色化学也称__________化学，其核心思想就是改变“_________________”的观念和做法，利用化学原理和技术手段，减少或消除产品在生产和应用中涉及的有害化学物质，实现从__________减少或消除环境污染。
2．原子经济性反应
反应物的原子全部转化为期望的最终产物，原子利用率达到__________。
原子利用率＝eq \f(期望产物的总质量,生成物的总质量)×100%
3．绿色化学对化学反应的要求
4．开发和利用自然资源遵循的三原则(3R原则)
__________、__________和__________。
►问题一 化学与环境保护
【典例1】活性炭联合脱硫脱硝技术(AC)是一种比较成熟的脱硫脱硝技术，可以在较低的温度下，将废气中的SO2、NOx通过一系列反应生成铵盐，从而变废为宝，其工作示意图如图所示：
(1)SO2在活性炭表面被氧化最终生成硫酸，反应的化学方程式为________________________。
(2)吸收塔加入NH3后，可脱除废气中的NO、NO2，写出NO和NO2分别和NH3反应的化学方程式：
___________________________________、________________________________。
(3)NH3和吸收塔中生成的H2SO4反应，会生成铵盐，写出反应的化学方程式：
__________________________________________。
(4)活性炭的造价较高，工业上一般选用活性焦作为吸附剂来脱硫脱硝，活性炭来自煤干馏产品，煤的干馏为________(填“物理”或“化学”)变化，从煤干馏产品中获取苯、二甲苯的操作方法为__________。
【变式练1-1】“打赢蓝天保卫战，建设美丽中国”。下列做法与这一理念不相符的是( )
A．将废旧电池进行直接填埋，减少对环境的污染
B．开发核能、太阳能、风能等新能源，减少对矿物能源的依赖
C．将煤进行气化处理，既提高煤的综合利用效率，又可减少酸雨的危害
D．利用微生物发酵技术，将植物秸秆、动物粪便等制成沼气
【变式练1-2】以下氧化物的主要来源与其引起的环境问题对应正确的是( )
►问题二 绿色化学
【典例2】乙烯大量用来生产环氧乙烷，生产工艺主要有两种。
工艺一：CH2==CH2＋Cl2＋Ca(OH)2―→＋CaCl2＋H2O；
工艺二：2CH2==CH2＋O2eq \(――→,\s\up7(Ag))2。
试回答下列问题：
(1)根据绿色化学原则，理想的生产工艺是原子经济性好的反应，上述工艺一的原子利用率________(填“高”或“低”，下同)；工艺二的原子利用率_______，因此，在实际生产中，应采用工艺________更环保、更经济。
(2)下列有机反应中最符合“绿色化学”思想的为________(填序号)。
①CH2==CH2＋―→＋CH3COOH
②3eq \(――→,\s\up7(催化剂))＋＋2H2O
③nCH2==CH2eq \(――→,\s\up7(催化剂))
④CH3CH2OH＋CH3COOHCH3COOCH2CH3＋H2O
⑤CH3—C≡CH＋CO＋CH3OH―→
【归纳小结】
(1)绿色化学的含义：绿色化学的目的在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物。
①从科学观点看，它是化学科学基础内容的更新。
②从环境观点看，它强调从源头上消除污染。
③从经济观点看，它提倡合理利用资源和能源，降低生产成本。
(2)绿色化学的核心：利用化学原理从源头上减少或消除工业生产对环境的污染，即预防污染优于治理污染。
(3)原子经济性反应：按照绿色化学的原则，最理想的原子经济性反应就是反应物的原子全部转化为期望的最终产物，这时原子利用率为100%。
【变式练2-1】绿色化学的核心就是利用化学原理从源头上减少或消除工业生产对环境的污染。下列不符合绿色化学理念的是( )
A．尽可能使用无毒无害的原材料
B．尽可能减少生产过程中的能量消耗
C．治理产生的污染优于防治污染的产生
D．尽可能采用对人类和环境低毒或无毒的合成路线
【变式练2-2】下列实验或叙述符合绿色化学理念的是( )
A．加热Cu和浓硫酸的混合物制备CuSO4
B．催化剂作用下乙烯和水反应制备乙醇
C．使用含铅汽油，降低汽车噪音
D．用稀硝酸和铜反应制取Cu(NO3)2
【基础强化】
1．十九大报告提出：必须树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，你认为下列做法与这一理念不相符的是( )
A．工业废水经处理达标后排放
B．植树造林，增大绿化面积
C．将废弃塑料焚烧处理
D．对含硫燃料预先进行脱硫处理，使能源更清洁
2．下列有关湘江流域的治理和生态修复的措施中，没有涉及到化学变化的是( )
A．定期清淤，疏通河道
B．化工企业“三废”处理后，达标排放
C．利用微生物降解水域中的有毒有害物质
D．河道中的垃圾回收分类后，进行无害化处理
3．下列有关环境保护与绿色化学的叙述不正确的是( )
A．形成酸雨的主要物质是硫的氧化物和氮的氧化物
B．大气污染物主要来自化石燃料燃烧和工业生产过程产生的废气
C．绿色化学的核心就是如何对被污染的环境进行无毒无害的治理
D．燃煤烟气脱硫的石灰石-石膏法，可将烟气中的二氧化硫转化为硫酸钙
4．下列活动不符合“如何应对气候变化、提升经济绿色水平，实现人类可持续发展”这一主题的是( )
A．机动车实行限行措施是减少雾霾的途径之一
B．推广使用可降解塑料及布袋购物，以减少“白色污染”
C．通过吸收空气中的CO2并利用廉价能源合成汽油，可推广“绿色自由”计划
D．将秸秆焚烧可得富含钾肥的草木灰，焚烧是一种较为理想的秸秆处理办法
5．下列有关有机化合物的说法正确的是( )
A．利用煤燃烧放出热量使水分解产生氢气，是氢能开发的研究方向
B．“白色垃圾”“地沟油”均属于高分子材料，都对环境有害
C．聚氯乙烯制品可倾倒在海洋中处理
D．光化学烟雾、硝酸型酸雨的形成都与氮氧化合物有关
6．在“绿色化学”工艺中，理想状态是反应物中的原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为100%。下列反应类型能体现“原子经济性”原则的是( )
①置换反应 ②化合反应 ③分解反应 ④取代反应 ⑤加成反应
A．①② B．②⑤ C．②④ D．①③
7．下列不符合“绿色发展，保护生态环境”理念的是( )
A．含酶洗衣粉代替含磷洗衣粉
B．含汞废旧电池有毒，应直接掩埋
C．用秸秆、粪便生产沼气，实现垃圾资源化
D．将废旧塑料制品制成再生制品
8．化学与人类生产、生活、社会可持续发展密切相关，下列说法不正确的是( )
A．“天宫一号”中使用的碳纤维，是一种新型无机非金属材料
B．为防止富脂食品氧化变质，常在包装袋中放入生石灰
C．开发新能源，减少对化石燃料的依赖，可以促进低碳经济
D．“静电除尘”“燃煤固硫”“汽车尾气催化净化”都能提高空气质量
9．下列关于垃圾分类的说法正确的是( )
A．废电池、过期药品属于有害垃圾，无需回收，为防止污染环境应当深埋处理
B．其他垃圾包括防新型冠状病毒用的口罩、烟头等物品无法利用，应当弃去不要
C．废纸类、废塑料、废玻璃、废金属、废油漆桶等属于可回收物
D．厨余垃圾经生化处理转化为沼气和有机肥料，从而生产绿色有机食品和清洁燃料
10．(1)“绿色化学”的最大特点在于它是在始端就采用预防实际污染的科学手段，因而过程和终端均为零排放和零污染，具有“原子经济性”，下列化学反应不符合“绿色化学”思想的是________(填字母)。
A．制备乙醇：CH2==CH2＋H2Oeq \(――――→,\s\up7(催化剂),\s\d5(加热、加压))CH3CH2OH
B．制备硫酸铜：Cu＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up7(△))CuSO4＋SO2↑＋2H2O
C．制备甲醇：2CH4＋O2eq \(――――→,\s\up7(催化剂),\s\d5(加热、加压))2CH3OH
D．制备硝酸铜：3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O
(2)工业上目前使用两种方法制取乙醛——“乙炔水化法”和“乙烯氧化法”。下面两表提供生产过程中原料反应条件、原料平衡转化率和产量等的有关信息：
表一：原料、反应条件、平衡转化率、日产量
表二：原料来源生产工艺
从两表中分析，现代工业上“乙烯氧化法”将逐步取代“乙炔水化法”的可能原因。
①从产率和产量角度分析：______________________________________________________。
②从环境保护和能耗角度分析：_______________________________________________。
【能力提升】
1．“绿色化学”是当今社会提出的一个新概念。在“绿色化学”工艺中，理想状态是反应中原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为100%。下列反应中最符合“绿色化学”概念的是( )
A．溴乙烷在碱性条件下制备乙醇：CH3CH2Br＋NaOHeq \(――→,\s\up7(H2O),\s\d5(△))CH3CH2OH＋NaBr
B．合成甲基丙烯酸甲酯：CH3C≡CH＋CO＋CH3OHeq \(――→,\s\up7(Pd))CH2==C(CH3)COOCH3
C．以铜和浓硝酸为原料生产硝酸铜：Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O
D．FeCl3溶液制Fe(OH)3胶体：FeCl3＋3H2Oeq \(=====,\s\up7(△))Fe(OH)3(胶体)＋3HCl
2．如图是某研究小组采用电解法处理石油炼制过程中产生的大量H2S废气的工艺流程。该方法对H2S的吸收率达99%以上，并可制取H2和S。下列说法正确的是( )
A．吸收H2S的反应的离子方程式为Fe3＋＋H2S===Fe2＋＋S↓＋2H＋
B．吸收H2S的反应的离子方程式为2Fe3＋＋3H2S===2Fe2＋＋3S↓＋6H＋
C．实验室可用点燃的方法消除H2S对环境的污染
D．该工艺流程体现了绿色化学思想
3．“碳捕捉技术”是指通过一定的方法将工业生产中产生的CO2分离出来并利用。如可利用NaOH溶液来“捕捉”CO2，其基本过程如图所示(部分条件及物质未标出)。
下列有关该方法的叙述正确的是( )
①能耗小是该方法的一大优点
②整个过程中，有两种物质可以循环利用
③“反应分离”环节中，分离物质的基本操作是过滤、蒸发、结晶
④该方法可减少碳排放，捕捉到的CO2还可用来制备甲醇等产品
A．①③ B．②④ C．③④ D．①④
4．研究表明，氮氧化物和二氧化硫在形成雾霾时与大气中的氨有关(如图所示)。下列叙述错误的是( )
A．雾和霾的分散剂相同
B．雾霾中含有硝酸铵和硫酸铵
C．NH3是形成无机颗粒物的催化剂
D．雾霾的形成与过度施用氮肥有关
5．SO2是常见的大气污染物之一，我国规定空气中SO2含量不得超过0.02 mg·L－1。
(1)酸雨是降水呈酸性(pH小于5.6)的统称，个别地方甚至低于2.1(食醋的pH＝3)。引起酸雨的罪魁祸首是大气中的SO2和氮的氧化物。它们的主要来源是煤和石油的燃烧，全世界每年排放1.5亿吨的SO2。
①SO2可在空气中受光照等因素作用而被氧化，最终与雨水形成硫酸型酸雨。试写出这两个反应的化学方程式：_________________________________，___________________________。
②汽车排放的尾气、硝酸厂和化肥厂的废气中都含有氮的氧化物，全世界每年排放量约为5×107 kg。NO2溶于水生成________和NO。
③酸雨可导致的危害有________(填字母)。
A．腐蚀建筑物 B．导致树木枯萎
C．造成洪涝灾害 D．恶化人类环境
④为了减少酸雨的形成，必须减少SO2的排放量，对燃料中的硫化物进行______________，对废气中的氮的氧化物用________吸收。
(2)某化学兴趣小组选用如图所示的实验装置，测定工业原料气(含SO2、N2、O2)中SO2的含量(已知碘能氧化H2SO3生成 H2SO4)。
①若原料气从左向右流时，上述装置连接的顺序是：原料气____________(用字母和箭头表示)。
②写出装置B中发生反应的离子方程式：_______________________________________；当装置B中出现____________________________现象时，立即停止通气。
③你认为下列试剂中，可以用来代替试管中碘的淀粉溶液的是________(填字母)。
A．酸性KMnO4溶液 B．NaOH溶液
C．溴水 D．氨水
④若碘溶液的浓度为0.05 ml·L－1，体积为20 mL，收集到的N2与O2的体积为297.6 mL(已折算为标准状况下的体积)。那么SO2的含量是否超标？______________(填“是”或“否”)。
1．了解环境污染的主要因素、危害及防治的方法，认识化学对环境保护的重要意义。
2．了解“绿色化学”“原子经济性反应”的内涵，知道它们在对利用资源、保护环境中的重要意义。
环境问题
主要污染物
主要危害
温室效应
CO2
造成全球气候变暖，水位上升，陆地面积减小等
酸雨
SO2、NOx
土壤酸化、水源污染、建筑物被腐蚀等
臭氯层破坏
氟氯代烷、NOx
到达地球表面的紫外线明显增少，给人类健康及生态环境带来少方面危害
光化学烟雾
碳氢化合物、NOx
刺激人体器官，特别是人的呼吸系统，使人生病甚至死亡
白色污染
废弃塑料制品
①在土壤中影响农作物吸收水分和养分，导致农作物减产
②混入生活垃圾中难处理、难回收
③易被动物当作食物吞入，导致动物死亡
赤潮和水华
废水中含氮、磷元素的营养物质
使水体富营养化，导致水中藻类疯长，消耗水中溶解的氯，使水体变得浑浊、水质恶化
PM2.5
颗粒物
污染空气，形成雾霾天气，增加交通事故，危害人体健康
选项
氧化物
环境问题
主要来源
A
CO2
酸雨
化石燃料的燃烧
B
SO2
光化学烟雾
汽车尾气的排放
C
NO2
温室效应
工厂废气的排放
D
CO
煤气中毒
煤炭的不完全燃烧
乙炔水化法
乙烯氧化法
原料
乙炔、水
乙烯、空气
反应条件
HgSO4、100～125 ℃
PdCl2－CuCl2、100～125 ℃
平衡转化率
乙炔平衡转化率90%左右
乙烯平衡转化率80%左右
日产量
2.5吨(某设备条件下)
3.6吨(相同设备条件下)
原料生产工艺过程
乙炔
CaCO3eq \(――――――→,\s\up7(①850～1 100 ℃))CaOeq \(――――→,\s\up7(②＋C、电炉),\s\d5(1 100 ℃))CaC2eq \(―――――→,\s\up7(③饱和食盐水))C2H2
乙烯
来源于石油裂解气