第九章 化学与社会发展 第三节 化学与环境

第三节 化学与环境 重点： 1、实验探究酸雨的成因及危害，知道酸雨的防止措施； 2、水资源在今后可能出现的危机，水污染原因及净水原理； 3、垃圾对环境的污染，区分各种固体废弃物，寻找合适的回收、利用处理垃圾的方法。 难点： 实验探究净水原理。     1．通过有关环境污染的资料，让学生充分认识环境污染日益恶化的趋势和危害，再让学生讨论中国环境标志的创意，从而培养学生保护环境人人有责的社会责任感，激发学生从我做起，为环保作力所能及的工作。 2．实验探究和查阅资料认识酸雨的成因以及危害，加深对酸雨的认识，讨论治理酸雨的措施，增强消除大气污染的紧迫感。 3．过讨论了解水体污染源以及防治方法，实验探究污水净化原理；通过查阅资料并交流讨论了解污染水体的物质了解“赤潮”、“水华”的成因和危害，增强学生节约水，爱惜水，保护水的意识。 4．引导学生分析每天自己家中的废弃物，从而联想每天整个社区的固体废弃物，讨论了解这些废弃物将造成的危害；通过讨论“为什么垃圾是放错地方的资源”，知道一般垃圾的回收处理方法和意义。 [参考资料] 一、燃料电池 燃料电池与常规化学电源的显著区别是：常规化学电源的活性物质贮存在电池内部，这些物质耗尽后电池就不能再提供电能；而燃料电池所需的燃料和氧化剂贮存在电池外部的容器中，只要连续向电池供给燃料和氧化剂，它就可以不断地输出电能。 我们知道水电解以后，可以生成氢和氧，其逆反应则是氢和氧化合生成水。燃料电池正是利用水电解及其逆反应获得电能的装置。以天然气、石油、甲醇、煤等原料为燃料制造氢气，然后与空气中的氧反应，便可以轻易地得到需要的电能。 燃料电池主要由燃料电极和氧化剂电极及电解质组成，加速燃料电池电化学反应的催化剂是电催化剂。作为燃料电极的电催化剂有过渡金属和贵金属铂、钯、钌、镍等。作氧电极用的电催化剂有银、金、汞等。常用的燃料有氢气、甲醇、肼、液氨、烃类和天然气。氧化剂一般用空气或纯氧气，也有用过氧化氢水溶液的。航天用的燃料电池，大部分用氢或肼作燃料。由电催化剂和防水剂组成的燃料电极和氧电极形成正、负两极，正、负两极之间用电解质（碱溶液或酸溶液）隔开，燃料和氧化剂分别通入两个电极，在电催化剂的催化作用下，同电解质一道发生氧化还原反应，反应中产生的电子由导线引出，这样就产生电流。迄今为止，在所有电池中效率最高的是碱性燃料电池，它是燃料电池家族中的第一代，发电效率达70%，曾成功地应用于载人宇宙飞行中，但成本昂贵；磷酸型燃料电池是燃料电池的第二代，无论是技术方面还是实用方面，都非常引人注目，80年代中期这种电站开始试运行；熔融碳酸型（MCFC）电池是燃料电池的第三代产品，与主要用于小规模发电的磷酸型相比，MCFC可称得上是大容量发电燃料电池（可达2万千瓦）；在未来社会中更受人注目的是第四代燃料电池，即固体电解质型燃料电池（SOFC），它是以氧化锆等固体为电解质的，它不仅在性能方面远远优越于磷酸型电池和MCFC，而且，由于它的电解质是固体，免去了腐蚀和溢漏的危险。燃料电池家族中的第五代是聚合物电解质型薄膜燃料电池（PEMFC）。要将氢能用于汽车、飞机，就非得借助PEMFC不可。最近在燃料电池的行列中，又出现了一位新秀，它就是生物燃料电池。一般燃料电池的催化剂都用贵金属，从细菌细胞中，提炼出一种叫做甲醇脱氢酶的生物催化剂，可以加速氢气的释放，从而加快电子从甲醇中脱出的速度。 燃料电池的规模和用途可随意选择，大到可以代替大中型的火力发电厂，小到可以在医院、旅馆和特殊部门等特别场合中使用。燃料电池的综合效率高（发电效率可高达40%-60%，综合利用率可达80%）、对环境影响极小，因此它被认为是继火力、水力和原子力之后的第四大发电体系。 二、绿色的能源——太阳能         太阳是个巨大的能源，它不断向外辐射能量。由于直接利用太阳能不会污染环境，因此，它是很有开发价值的能源，现在正进一步研究如何开发利用这一无污染且用之不竭的新能源。目前，太阳能可通过四个渠道被人类利用： （1）通过大气和水分的升腾循环，再通过风、流水、波浪、海流等以风能和水能等形式释放出来。 （2）被海洋吸收，成为海洋内能，再以潮汐等形式释放出来。 （3）通过植物的光合作用把太阳能转化和储存起来，再以草木、沼气、煤、石油、天然气等燃料的形式释放出来。 （4）通过转化成电能，被人们直接利用，这种方式目前主要通过太阳能电池来实现。     太阳能电池就是利用晶体硅和非晶体硅为材料制成的一种将太阳能转化为电能的装置，常用的太阳能电池是硅电池。许多国家的太阳能利用日益商品化。在日本、美国和欧洲，用太阳能供电的无线电、风扇、电冰箱等日用品琳琅满目。 （1）太阳能照相机 日本制成的世界上第一架太阳能照相机，重量仅有475克，机内装有先进的太阳能电池系统，其蓄电池可连续使用4年。美国一家公司生产了一种新型的135照相机，它的光圈、速度均由微电脑自动控制，电力则有太阳能硒光电池提供，只要有光线，就能供电。 （2）太阳能电话 以太阳作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。它利用顶端上装的太阳能接受板，可以不断给电池充电。使用者的声音通过无线电波输入附近的电话交换机，再传送到各地电话通讯网去。巴黎伏德瓦特公司制作的太阳能收费公用电话，耗电量极低，只要在阳光下充电几小时，便足够使用十天之多。 （3）太阳能冰箱 法国的太阳能冰箱以甲醇为制冰机，每24小时可制冰10千克，保鲜30千克食物。印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱，上部装有的抛物线镜将阳光集中在半导体网孔上，把光转换成电流，箱内温度保持在负2摄氏度，可冷藏500千克食品，每天还可制出25千克冰。 （4）太阳能电视机 芬兰研制的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电转换器放在有阳光的窗台上，晚上不需要电源便可观看电视。转换器贮存的电能，可供工作电压为12V的电视机使用3~4小时。印度研制的太阳能电视机，其能源吸收系统只要每天工作4小时，即使3天无太阳，也能不用电源而正常接收讯号播放节目。 （5）太阳能住宅 这是利用太阳能电池的一种特殊民用建筑，包括阳光集能、蓄能、发电、加热以及相应的控制装置。目前各国设计的太阳能住宅一般比较小，居住面积100平方米左右。如以色列缺乏能源，但每年有320个以上的晴天，所以，政府号召市民购买太阳能住宅。目前，该国已成为世界普及太阳能发电、加热最快的国家。 太阳能电池的前景很广阔，据预测：到21世纪中期，全世界电力总耗量的20%-30%将由太阳能电池提供。   三、能代替钢铁的陶瓷        陶瓷能代替钢吗？回答是肯定的。我们所说的这个陶瓷，并不是我们常见的陶瓷，而是一种被称为高技术的新品种陶瓷。高技术陶瓷与普通陶瓷，“血统”上并无渊源，但材料科学家能从地球上现有的几十万种原料中，慧眼独具，发展出这种“身怀绝技”的“万能”材料来，的确是受了普通陶瓷的启迪。         长久以来，金属一直占据着材料王国的霸主，尤其是钢铁，应用范围更加广泛。钢铁作为材料有它的许多优点，然而也存在着诸如不耐腐蚀、不耐高温、不够坚硬、不能绝热等缺点。有趣的是，钢铁等金属的短处，反过来恰恰是非金属材料的长处。不过陶瓷也有自己的“薄弱环节”：虽硬但无韧性，一碰就碎，以敲就断，而且毫无弯曲延长的余地。因此，要让陶瓷代替钢铁，必须对陶瓷材料进行“抽筋换骨”的手术，做到扬长避短。材料科学家分析了普通陶瓷的成分以后，认为它的一种主要原料，含杂质较多的黏土，是普通陶瓷的“薄弱环节”的根源，所以，他们试用硅酸盐类化工原料和一些人工合成的氧化物来取代黏土。科学家曾将沙淀粉和氧化锆三种原料按一定比例混合，放进温度为1400oC、充有氮气的炉子内烧上7小时，最后制成一种银灰色的氧化硅陶瓷。这种高技术陶瓷，密度和铝差不多，能耐受1500oC以上的高温，韧性很好，硬度尤其惊人，只有用金刚石才能把它割断。以后，又试验制成了碳化硅、氧化锆、碳化钛、增韧氧化铝等几种新陶瓷材料。         成分不同的高技术陶瓷，性能和应用各不同。用钢铁制造的发动机汽缸，受温度的限制，只能利用汽油燃烧后的一小部分热能，大部分热能都从汽缸的冷却系统散失了。氧化锆陶瓷能解决此难题，它特别耐磨损、耐腐蚀、耐高温，用它制成的发动机汽缸，不需要冷却系统，使燃油在汽缸内燃烧产生的热能最大限度地转化成汽车获得的动力。而且由于汽缸硬度大，几乎不易受磨损，并且也不受燃油产生的酸性气体的腐蚀。因此，这种高技术陶瓷汽车发动机的使用寿命长、功率大、制造成本低，可以节省大量金属材料和30%的油耗量。        利用氧化锆硬度超过钢材在高温下不会软化的特点，机械工程师设计了氧化锆陶瓷车刀，在自动车床上以最高的切削速度，加工最硬的合金钢零件。陶瓷车刀削如泥，刀刃不软不崩，零件表面光洁度高。用含锆的高技术陶瓷制作的切削刀具，刀体一旦受到外力的冲击产生裂缝时，它会自动膨胀，将裂缝弥合起来。氧化锆陶瓷剪刀和家用小刀，刀口久用不钝，不锈不裂，被称为永不报废的长命剪刀。 高技术陶瓷可以比钢铁硬，也可以像铜铝等有色金属那样有延展性和可塑性。把氧化钛陶瓷研磨成极其细致的细晶粒，家上黏合剂，高温熔烧成板材，将板材加热到180oC，可以压延成波浪形的陶瓷板。氟化钙陶瓷，只需加热到80oC便欧挤压变形的特性。专家们认为高技术陶瓷能被“软化”，就意味着为这种材料最终能被延展、挤拉、卷绕成材打开了希望之门。 高技术陶瓷作为未来材料之王的“万能材料”，其潜力实在是无止境的。 四、污染水体的元凶 污染水体的主要物质有六类： 1．有毒物质 包括氰化物、有机农药、酚、砷及其化合物，重金属类物质（如汞、铅、镉、铬）和致、癌物质（如芳香族化合物）。 2．病微生物 包括各种病毒、细菌、原生动物等。 3．耗氧污染物     这些物质能消耗水中大量的溶解氧，恶化水质，使水发黑变臭，危害水生生物，危害农业，包括一些有机物和无机物。 4．无机污染物 包括酸、碱、无机盐和无机悬浮物等。这些物质使水具有酸性或碱性，降低水质，危害水生生物，危害农业。 5．合成洗涤剂等有机物 包括诸如多氯联苯，它们通过“食物链”逐级传递，最终影响到人类。 6．植物营养物质 包括含氮、磷、钾等元素的物质。这类物质是水体生物生长的营养物质，一旦过剩，会使水中的一些浮游生物和某些藻类迅速繁殖，破坏水体原有的生态平衡，最终会导致水体萎缩，这就是全球为之头疼的“水体营养化”。发生在江河、湖泊中的“水华”，近海海域或海口的“赤潮”就是水体富营养化导致的。         江、河、湖、海有它们自己的平衡，由于人类活动的干扰，生活污水、工业废水源源流入湖、海，农田肥料也被雨水携带而来，使水中生物所需的氮、磷等营养物质过剩，一些浮游生物和某些藻类迅速生长繁殖。     由于它们生长周期短，增殖与死亡频频交替，疯长，过多的占据了水体及水面，使阳光难以射入水中，使水生植物光合作用受阻，释放氧气减少，威胁水生动物。同时，这些小的浮游生物还可附在鱼鳃上，使本已缺氧的鱼、贝类呼吸困难，以致大量窒息死亡；而且水华或赤潮生物剧长及死亡分解过程也消耗大量水中溶解的氧，它们死后被微生物分解过程中还能产生某些生物毒素，也可使鱼、贝等中毒死亡。 五、对污水的处理         污水的处理，根据对水质的要求，可分为三级。污水的一级处理也称预处理。在污水处理引进的污水，通常先通过铁栅栏过滤，去掉体积较大的杂物，然后再流入污水池中，经沉淀及浮选等过程，把污水中的悬浮物和固体沉淀物去掉。然后再根据污水的性质，加入一定量的碱或酸等化学实际、试剂，将污水中的酸碱物质中和。我国20世纪80年代，各城市的污水处理站大多为一级处理。污水的一级处理可理解为一般的物理化学法的初步除污过程。        污水的二级处理，指的是在一级处理的基础上进一步做生化处理。例如采用生物膜法，利用微生物去除污水中的可溶性有机污染物。污水经过二级处理后，大部分有机质被去除，水中只留下一些无机盐类及少量的悬浮物。目前，我国不少新型化工厂可达污水二级处理标准。当然，作为企业污水的处理，根据排放污水的不同性质，采用的物理、化学、生物等去污的具体方法也是各式各样的。为提高企业经济效益，工厂的污水还可以与废料的回收再利用等因素结合起来，进行综合的治理。        污水的三级处理，也称深度处理，是利用较为复杂的物理、化学等方法进一步除去水中的有害物质。其处理方法有活性炭吸附、离子交换、臭氧氧化、电渗析、反渗透等等。通过深度处理后，污水可以净化到工业用水的标准，故三级处理后的水可以再次在工业上使用。由于深度处理的成本较高，因此目前还没能普遍采用。但我国的水资源并不丰富，许多城市供水还很紧张，可以相信，在不远的将来，水的深度处理必定会得到广泛的重视和应用。