2019-2020年高中化學(xué)專題六從污染防治到綠色化學(xué)第一單元環(huán)境污染的化學(xué)防治學(xué)案蘇教版選修.doc

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2019-2020年高中化學(xué)專題六從污染防治到綠色化學(xué)第一單元環(huán)境污染的化學(xué)防治學(xué)案蘇教版選修 1．了解進行環(huán)境污染化學(xué)防治的目的和重要性。 2．通過復(fù)習(xí)，了解化工生產(chǎn)中三廢的處理途徑和方法。 3．了解煤脫硫處理的目的與主要途徑。 4．認(rèn)識固體廢棄物處理的基本思路、基本方法。 墨西哥灣原油泄漏、紫金礦業(yè)有毒廢水泄漏、大連灣漏油事件、江蘇響水發(fā)生氯氣泄漏事故……當(dāng)前，國內(nèi)外環(huán)境污染事故不斷發(fā)生，嚴(yán)重污染環(huán)境，危害群眾身體健康和社會穩(wěn)定，加之一些污染事故，受害者得不到及時賠償，又容易引發(fā)群體性事件。 一、煤的脫硫處理 1．燃煤造成的污染 煤燃燒熱效率低，燃燒過程中排放出大量廢氣，其中的SO2及NOx對環(huán)境污染嚴(yán)重。 2．煤脫硫處理的目的 防止煤燃燒排放的SO2等有害氣體污染環(huán)境。 3．煤的脫硫處理的主要工藝 (1)采用“流化床”燃燒技術(shù)，在煤燃燒的同時進行脫硫處理。 把煤和脫硫劑(如石灰石)加入鍋爐燃燒室，使煤與空氣在流化過程中充分混合、燃燒，石灰石在氧氣存在條件下與二氧化硫反應(yīng)生成硫酸鈣，起固硫作用。這種方法脫硫率高。反應(yīng)方程式為CaCO3＋SO2CaSO3＋CO2、2CaSO3＋O2===2CaSO4。 (2)實施煤炭燃燒后的煙氣凈化技術(shù)。 對煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣進行除塵、脫硫和脫氮處理。煙氣脫硫過程中發(fā)生的反應(yīng)方程式為Ca(OH)2＋SO2===CaSO3＋H2O。 (3)使用微生物脫硫技術(shù)。 煤炭中以FeS2形式存在的硫，在有水和空氣存在的條件下，用脫硫微生物起生物氧化還原作用： 2FeS2＋7O2＋2H2O4H＋＋2Fe2＋＋4SO 4Fe2＋＋O2＋4H＋4Fe3＋＋2H2O FeS2＋2Fe3＋3Fe2＋＋2S 2S＋3O2＋2H2O4H＋＋2SO 微生物脫硫過程所發(fā)生的反應(yīng)中，F(xiàn)eS2最終被氧氣氧化，轉(zhuǎn)化為硫酸從煤炭中分離出去。 煤炭中還有些硫元素以有機物形式存在，人們正研究利用微生物的降解作用，使之最終轉(zhuǎn)化為硫酸除去。 二、固體廢棄物的處理 1．固體廢棄物的危害 當(dāng)今社會，固體廢棄物的污染日益嚴(yán)重。任意堆放垃圾既浪費資源、占用土地，又污染空氣、水體和地下水，危害人的身心健康。含有易燃、易爆、致毒、致病、放射性等有害物質(zhì)的工業(yè)廢棄物，危害更為嚴(yán)重。 2．從法律上支持固體廢棄物的資源化 從某種角度看，固體廢棄物是放錯地方的資源。許多國家都通過法律手段鼓勵和支持固體廢棄物回收利用技術(shù)的研究，力圖實現(xiàn)固體廢棄物的資源化。1995年，我國頒布了《固體廢棄物污染環(huán)境防治法》，要求加強城市垃圾在內(nèi)的固體廢棄物的回收處理工作，使固體廢棄物資源化。 3．垃圾的分類收集和處理 (1)目的：要使固體廢棄物資源化，首先必須對固體廢棄物進行分類收集和處理。 (2)分類收集的方法：將固體廢棄物分為：可回收垃圾、廚余垃圾、電池、其他垃圾等。 (3)分類處理的方法。 ①可直接利用。 ②可作為原材料使用。對于無法直接利用的垃圾，經(jīng)歸類、分解，可以作為原料使用(如廢棄金屬制品可回收冶煉，玻璃制品、廢書報、紙張、廢塑料可回收作為原料使用)。這種處理方法的缺點是耗費能源，處理過程可能造成新的環(huán)境污染，而且通常只能制成較為低級的產(chǎn)品。 ③垃圾的無害化處理。大部分難以直接利用的生活垃圾可用于生產(chǎn)沼氣或填埋、焚燒。城市垃圾中含塑料、紙類、果皮等有機物可燃成分，我們可以利用垃圾來建立“垃圾發(fā)電廠”，還可以把垃圾加工成燃料以及其他化工產(chǎn)品。 三、從農(nóng)業(yè)廢棄物中獲得能量 1．沼氣池產(chǎn)生沼氣的原料和條件 水生植物、油料作物、城市與工業(yè)有機廢棄物、動物糞便等物質(zhì)中蘊含著豐富的生物質(zhì)能(biomass energy)，人們將秸稈、雜草、生活垃圾、人畜糞便、污泥、食品工業(yè)的有機廢水在沼氣池里發(fā)酵，在一定的溫度、濕度、酸堿度下，通過各類厭氧微生物(如沼氣菌)的分解代謝作用就能產(chǎn)生沼氣(marsh gas)。 2．產(chǎn)生沼氣的發(fā)酵過程 有機物在沼氣菌的作用下，一部分被徹底氧化，分解為二氧化碳，一部分被還原為甲烷。沼氣菌能以二氧化碳作碳源，還能以甲酸、乙酸為原料生成甲烷。研究認(rèn)為，在發(fā)酵過程中，難溶解的有機化合物先被水解轉(zhuǎn)化為可溶解的有機物，再經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為有機酸，最后由有機酸發(fā)酵產(chǎn)生甲烷。 3．沼氣池中殘渣、殘液的應(yīng)用 沼氣池生產(chǎn)的沼氣用作燃料，殘渣(沼渣)中除了含有豐富的氮、磷、鉀等常量元素外，還含有對作物生長起重要作用的硼、銅、鐵、鋅等微量元素，是一種非常好的有機肥。 發(fā)酵殘留的液體(沼液)中含有多種成分。有些成分對病菌有明顯的抑制作用，有的可以殺滅害蟲。 一、垃圾資源的再生利用 垃圾的再生利用是垃圾資源化的最佳途徑，主要包括以下幾個方面： (1)直接回收利用，如重新使用啤酒瓶等玻璃容器； (2)循環(huán)利用，如利用廢紙為原料造紙、利用廢塑料為原料制造塑料制品或其他產(chǎn)品等； (3)綜合利用，如利用垃圾中的有機物進行垃圾堆肥，利用垃圾中的可燃性物質(zhì)燃燒產(chǎn)生熱能實現(xiàn)供熱、供電等。 垃圾堆肥也是變廢為寶的一種方法。我國現(xiàn)已建成的示范垃圾堆肥系統(tǒng)由分選、堆肥、造粒及能量利用等單元技術(shù)構(gòu)成，分選后的垃圾進場后，經(jīng)過一系列程序：分選—發(fā)酵—加工—汽化發(fā)電。經(jīng)處理后，最后只有少量的廢渣進行填埋或固化制成建材。 二、沼氣的產(chǎn)生 沼氣是有機物如人畜糞便、秸稈、雜草、污泥，淀粉廠、糖廠、酒精廠的工業(yè)有機廢水等在厭氧條件和一定的溫度、濕度、酸堿度等條件下，通過各類厭氧微生物的分解代謝作用而產(chǎn)生的。沼氣菌就是一種厭氧細(xì)菌，它廣泛存在于自然界，如陰溝、糞坑、舊沼氣池底部的污泥沉沙中。沼氣菌的整個生命活動(生長、發(fā)育、繁殖、代謝等)都不需要氧，相反，氧氣對它有害。一般在8 ℃以上，沼氣菌即可活動，產(chǎn)生微量沼氣；20～24 ℃，活動正常；28～30 ℃，活動最旺盛，產(chǎn)生沼氣率最高。沼氣菌的生命活動需要一定的酸堿度(pH為6.5～7.5)。 沼氣菌能以CO2作碳源，有的還能以甲酸、乙酸作為原料生成甲烷，反應(yīng)過程可表示如下： CO2＋2H2O2O2＋CH4 CH3COOHCH4↑＋CO2↑ 4CH3OHCO2↑＋2H2O＋3CH4↑ 4HCOOHCH4↑＋3CO2↑＋2H2O 在沼氣菌作用下復(fù)雜有機物中的部分碳?xì)浠衔飶氐籽趸纸鉃槎趸?，一部分徹底還原為甲烷。研究認(rèn)為在發(fā)酵過程中，不溶解的有機化合物和聚合物先被水解轉(zhuǎn)化為可溶解的有機物；第二階段再發(fā)酵轉(zhuǎn)化為有機酸；最后由有機酸發(fā)酵產(chǎn)生甲烷，如： (C6H10O5)n＋nH2O―→nC6H12O6 C6H12O6―→2CH3CH2OH＋2CO2↑ 2CH3CH2OH＋CO2―→2CH3COOH＋CH4 CH3COOH―→CH4↑＋CO2↑ (以上反應(yīng)的條件是在硫微生物、甲烷桿菌存在下) 沼氣中甲烷含量約為55%～70%，二氧化碳含量約為30%～45%，其余為氧氣、氮氣和硫化氫。其中甲烷的熱值平均高達2.3104 kJm－3。 知識點1環(huán)境污染及其防治 【例題1】你認(rèn)為減少酸雨產(chǎn)生的途徑可采用的措施是(　　)。 ①少用煤作燃料?、诎压S煙囪造高　③燃料脫硫 ④在已酸化的土壤中加石灰?、蓍_發(fā)新能源 A．①②③ B．②③④⑤ C．①③⑤ D．①③④⑤ 解析：酸雨的形成是工業(yè)生產(chǎn)過程中大量礦物燃料使用，使空氣中SO2和氮氧化物氣體較多，與降水結(jié)合產(chǎn)生HNO3、H2SO4、H2SO3。減少酸雨產(chǎn)生的措施關(guān)鍵是降低SO2的排放量?？梢詼p少礦物燃料的使用，開發(fā)新的潔凈能源，對燃料進行脫硫等等，而加高煙囪只是“降低了地表SO2”的濃度，在已酸化的土壤中加石灰只是克服土壤過多酸性，均與SO2的排放量無關(guān)。 答案：C 【例題2】合成氨的工藝流程如下圖，試回答相關(guān)問題： (1)不同的原料生產(chǎn)氫氣其經(jīng)濟指標(biāo)如下表： 天然氣 石腦油 重油 煤焦 5.6 6.5 8.0 — 28～30 35.5 41.8 54.4 257 390～447 220～280 500 從上表數(shù)據(jù)及自然資源來看最具發(fā)展前景的是______。 A．天然氣 B．石腦油 C．重油 D．煤焦 (2)脫硫工藝一般是通過金屬氧化物來實現(xiàn)的，通過三步反應(yīng)最后再生成金屬氧化物，并得到單質(zhì)硫，請補充第三步反應(yīng)。 ①MezOy＋zH2S＋(y－z)H2===MezSz＋yH2O ②MezSz＋(＋z)O2===MezOy＋zSO2 ③________________________________________________________________________ (3)氣體的精制　經(jīng)凈化過的氣體仍有少量的CO等有害氣體。常用的方法有銅洗法和甲烷化法。CO(g)＋Cu(NH3)2Ac＋NH3(l)[Cu(NH3)3CO]Ac；正反應(yīng)放熱，反應(yīng)在銅洗塔中進行，吸收后的銅液送到再生器中，在再生器處解吸CO，適宜條件是______________，解吸后銅液循環(huán)使用。甲烷化法則是把CO、CO2轉(zhuǎn)化為對氨合成無害的CH4，主要反應(yīng)是CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g)；正反應(yīng)放熱，甲烷化的條件是______________________。 (4)500℃時，y隨及壓強的變化關(guān)系如上圖所示?？v坐標(biāo)可能是______________，結(jié)合目前生產(chǎn)的條件，應(yīng)控制的是__________。 解析：本題考查了平衡原理在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。(1)發(fā)展前景一方面從成本比較，另一方面還要比較能量消耗，綜合兩者天然氣更具前景。(2)補充方程式的關(guān)鍵是理解題意，最后生成金屬氧化物和硫單質(zhì)。反應(yīng)②中生成SO2，要將SO2轉(zhuǎn)化成硫單質(zhì)。金屬硫化物中硫顯－2價，SO2中硫顯＋4價，通過兩者歸中反應(yīng)可制得硫。(3)將 CO解吸出來，要使平衡向逆反應(yīng)方向移動，甲烷化的條件是平衡正向移動，高壓和適宜溫度。(4)壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，觀察圖像，y也增大；提高H2的比例，y先增大后減小，y可能是平衡時混合氣體中氨氣的體積分?jǐn)?shù)。觀察圖像可知，當(dāng)略小于3∶1時，氨氣的體積分?jǐn)?shù)在相同條件下最大。 答案：(1)A　(2)MezSz＋SO2===MezOy＋(z＋)S　(3)減壓和加熱　高壓、適當(dāng)溫度　(4)平衡時混合氣體中氨氣的體積分?jǐn)?shù)　略小于3∶1 知識點2固體廢棄物的處理 【例題3】某些廢舊塑料可采用下列方法處理：將廢塑料隔絕空氣加強熱，使其變成有用的物質(zhì)，實驗裝置如下圖。 加熱聚丙烯廢塑料得到的產(chǎn)物如下表： 產(chǎn)物 氫氣 甲烷 乙烯 丙烯 苯 甲苯 碳 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 12 24 12 16 20 10 6 (1)試管A中殘余物有多種用途，如下列轉(zhuǎn)化就可制取高聚物聚乙炔。 A中殘留物聚乙炔 寫出反應(yīng)②③的化學(xué)方程式：____________________、________________________。 (2)試管B收集到的產(chǎn)品中，能使酸性高錳酸鉀溶液褪色的物質(zhì)其一氯代物有______種。 (3)錐形瓶C中觀察到的現(xiàn)象是______________。經(jīng)溴水充分吸收，剩余氣體經(jīng)干燥后的平均相對分子質(zhì)量為______。 (4)寫出C中逸出的氣體在工業(yè)上的兩種用途：________________、________________。 解析：試管B收集到的產(chǎn)品中，能使酸性高錳酸鉀溶液褪色的物質(zhì)是甲苯，其一氯代物有4種；錐形瓶C中觀察到的現(xiàn)象應(yīng)該為乙烯、丙烯等使溴水褪色；若設(shè)產(chǎn)物的總質(zhì)量為100 g，則還剩有6 mol H2和1.5 mol CH4，其平均相對分子質(zhì)量為＝4.8。 答案：(1)CaC2＋2H2O―→Ca(OH)2＋C2H2↑  (2)4　(3)棕黃色溶液變?yōu)闊o色或褪色　4.8 (4)合成氨原料　作燃料或有機化工原料(其他合理答案均可) 點撥：在解答化學(xué)問題時，一定注意題給條件是否得到合理的應(yīng)用。如表格中各有機物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以假設(shè)混合物共100 g，則說明H2的質(zhì)量為12 g，物質(zhì)的量為6 mol，CH4的質(zhì)量為24 g，物質(zhì)的量為1.5 mol，這樣比較容易求出該混合氣體的平均相對分子質(zhì)量。 1環(huán)境保護已成為當(dāng)前和未來的一項全球性重大課題之一。為消除目前燃料使用過程中的環(huán)境污染問題，并緩解能源危機，有的專家提出利用太陽能促進燃料循環(huán)使用的構(gòu)想(如圖)。 這種構(gòu)想或方案可用如下反應(yīng)表示： ①2CO22CO＋O2； ②H2O―→______________________________________________________； ③N2＋H2O―→NH3＋______； ④CO2＋______―→CH3OH＋______； ⑤______＋H2O―→CH4＋______。 (1)請完成上述化學(xué)方程式。 (2)要實現(xiàn)上述的一些構(gòu)想，目前和今后要解決的關(guān)鍵問題是______________________。 (3)如果光子的能量不夠，上述反應(yīng)是無法完成的。而大自然已經(jīng)解決了這個問題，即__________________，它是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)之一，請寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________________________________________________________。 解析：本題將化學(xué)和生物知識相結(jié)合，綜合考查環(huán)境保護。(1)根據(jù)題干和圖示，燃料循環(huán)使用的構(gòu)想是利用太陽能將燃燒產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為燃料和氧氣。因此反應(yīng)①～⑤中均有氧氣產(chǎn)生，結(jié)合原子守恒，可以推斷出各反應(yīng)中的產(chǎn)物。(2)實現(xiàn)構(gòu)想的關(guān)鍵是燃燒產(chǎn)物怎么吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂虾脱鯕狻?3)大自然中綠色植物的光合作用能把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成碳水化合物(糖類)。 答案：(1)②2H2O2H2↑＋O2↑　③2N2＋6H2O4NH3＋3O2?、?CO2＋4H2O2CH3OH＋3O2?、軨O2＋2H2OCH4＋2O2 (2)如何使物質(zhì)吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì) (3)綠色植物的光合作用，即在日光作用下，利用光能把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成碳水化合物(糖類) 6CO2＋6H2OC6H12O6＋6O2 2由于工業(yè)發(fā)展，燃燒設(shè)備不斷增多，設(shè)備規(guī)模不斷增大。這些工廠排放的煙氣中都會有大量的SO2廢氣。據(jù)統(tǒng)計，我國1995年工業(yè)SO2的排放量為1 396萬噸，xx年工業(yè)SO2的排放量達到了3 800萬噸，由于SO2的污染，我國每年損失高達1 100億元。 (1)寫出兩個工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生SO2的實例： ①________________________________________________________________________、 ②________________________________________________________________________。 (2)防治SO2污染可采用的措施有(寫出兩種)： ①________________________________________________________________________、 ②________________________________________________________________________。 (3)濕式石灰石—石膏法脫硫工藝是煙氣脫硫技術(shù)中最成熟的一種方法。其工藝流程是：煙氣經(jīng)鍋爐預(yù)熱器出來，進入電除塵器除掉大部分粉煤灰煙塵，再經(jīng)過一個專門的熱交換器，然后進入吸收塔，煙氣中的SO2與含有石灰石的漿液進行氣液接觸，通入空氣后生成石膏(CaSO42H2O)。經(jīng)脫硫的煙氣，應(yīng)用循環(huán)氣體加熱器進行再加熱，進入煙囪，排入大氣。 ①寫出濕法石灰石—石膏法脫硫所涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式：______________________。 ②用石灰石漿液作SO2吸收劑而不用熟石灰吸收SO2的原因是_____________________。 ③上述過程中得到的石膏，如果含氯化合物(主要來源于燃料煤)超過雜質(zhì)極限值，則石膏產(chǎn)品性能變壞。工業(yè)上消除可溶性氯化物的方法是______________________________。 固體質(zhì)量與反應(yīng)時間 (4)某化學(xué)興趣小組為了測定煙氣脫硫所得石膏的組成(CaSO4xH2O)即測定x值。做如下實驗：將石膏加熱使之脫水，加熱過程中固體的質(zhì)量與時間的變化關(guān)系如圖所示。數(shù)據(jù)表明當(dāng)固體的質(zhì)量為2.72 g后不再改變。求(必須寫出計算過程)： (1)石膏的化學(xué)式。 (2)圖像中AB段對應(yīng)化合物的化學(xué)式。 解析：(1)SO2主要是化石燃料的燃燒和含硫礦石的冶煉產(chǎn)生的。 (2)防治SO2污染的措施，一是從污染源著手，削減污染物的排放量，減少煤的直接燃燒，開發(fā)新能源，以減少煤和石油的用量，二是采用各種技術(shù)，控制污染物的排放，進行燃料脫硫和煙氣脫硫。 (3)①略。②Ca(OH)2在工業(yè)上是以石灰石為原料經(jīng)過煅燒生產(chǎn)的，如果用熟石灰進行脫硫，成本較高。③因石膏微溶于水，而氯化物易溶于水，可用水洗法除去其中的氯化物。 (4)①CaSO4xH2O===CaSO4＋xH2O 136 18x 2.72 g 0.72 g ＝ 解得x＝2 即石膏的化學(xué)式為CaSO42H2O。 ②設(shè)AB段對應(yīng)化合物的化學(xué)式為CaSO4nH2O。 CaSO4nH2O===CaSO4＋nH2O 136 18n 2.72 g (2.90－2.72) g ＝ 解得n＝1/2，則AB段化合物的化學(xué)式為2CaSO4H2O。 答案：(1)①化石燃料的燃燒 ②含硫礦石的冶煉 (2)①減少化石燃料的燃燒，大量使用清潔能源 ②提高煤的燃燒利用率?、圻M行脫硫處理等 (3)①SO2＋CaCO3===CaSO3＋CO2、 2CaSO3＋O2===2CaSO4 ②用石灰石漿液的成本較低?、塾盟礈? (4)①CaSO42H2O?、?CaSO4H2O