綠色化學原理和應用

2014年2月

一、課程基本信息

課程名稱：綠色化學和應用：3學時/周

二、教材

胡常偉、李賢均編，《綠色化學原理和應用》，中國石化出版社，2002年4月四、主要參考書目1《綠色化學通用教程》，汪朝陽主編

2《綠色化學導論》，仲崇立

編著，北京，化學工業出版社

3《綠色化學與化工》，閔恩澤，吳巍

編著，北京，化學工業出版社

4《綠色化學工藝》，朱憲

編著，北京化學工業出版社

五、本課程學生學習質量評定

對學生實行綜合素質評定，包括完成平時作業（每章作業8-10題），開(閉）卷綜合考試，平時作業和期末考試綜合評分，按比例計入總成績。其中平時作業占50%，期末考試占50%。

六、講授內容第一章緒論（4學時）第二章綠色化學（8學時）

第三章設計安全無毒化學品的基本原理和方法（8學時）

第四章設計更加安全化學品的應用（10學時）

第五章綠色化學方法（10學時）

第六章綠色化學的應用（6學時）

第七章綠色化學發展趨勢（4學時）第一章、緒論

主要內容有：第一節環境問題：全球氣候變暖，核冬天的威脅，臭氧層破壞，光化學煙霧和大氣污染，酸雨，生物多樣性銳減，森林的破壞，荒漠化

第二節資源問題：能源問題，其他資源問題

第三節健康問題(參閱）

第四節可持續發展問題

本章基本要求：

①了解綠色化學這門新興交叉學科產生的背景。了解化學學科發展的規律。

②弄清人類社會目前面臨的主要挑戰，資源和環境的挑戰及其化學本質。

③掌握可持續發展觀的科學內涵。綠色化學簡介引言

綠色化學是適應可持續發展的需要而誕生的一門新型交叉學科。它吸收了當代物理、生物、材料、信息等學科的最新理論和技術，具有明確的科學目標和社會需要。綠色化學又是人們為了節約資源和防止污染而針對化學界提出的一個新概念。它的產生和發展必將對人類健康、社會安定、生態環境等起到重要的積極作用，對人類的可持續發展具有重要意義！

從資源和環境的觀點看，綠色化學為我們提供了有效的合理利用自然資源的原理和方法，從化學反應源頭上消除污染，而不是治理污染的原理和方法。從經濟觀點看，綠色化學為我們提供了充分利用資源和能源，降低生產成本，符合經濟可持續發展的原理和方法。從科學的觀點看，綠色化學是傳統基礎內容的革新，隊要求設計對環境友好，經濟可行的綠色產品外，同時需要符合化學反應的原子經濟性。

綠色化學已經成為當前化學研究的前沿，是21世紀化學發展的重要方向之一。本書主要以產品的綠色化、原料的綠色化、過程的綠色化為主線，介紹綠色化學的基本原理和實際應用。

綠色化學的提出是從20世紀中葉的“稀釋廢物來防治環境污染”，到后期的“管制與控制”時代，而在九十年代初期美國首先提出了“源頭控制”，即從源頭防止廢物的生成。

1990年美聯邦政府通過了“防止污染行動”的法令，將污染的防止確立為國策，該法案條文中第一次出現了“綠色化學”一詞。

1995年美國環保在全美化學學會年會上對綠色化學進行了簡述，即“被設計成減低或消除有害物質的使用或產生的化學過程和化學產品”，美國政府還設立了“總統綠色化學挑戰獎”．1999年英國皇家化學會創辦了第一份國際性《綠色化學》雜志，標志著綠色化學成為化學科學的前沿。至此，全世界掀起了綠色化學的研究熱潮。核心內容（綠色化學對化學反應的基本要求）（一）、淘汰有毒原材料，盡量使用可再生材料，從源頭上杜絕污染，逐漸擺脫對石油、煤等礦產資源的依賴。（二）、原子經濟性。盡可能是參加反應的原子的都進入終端產物，這不但防止了污染，而且也提高了經濟效益。（注：原子利用率=（預期產物的摩爾質量/反應物的總摩爾質量）*100%）（三）、合成中盡量不使用和產生有毒害物質。（四）、尋找最佳轉換反應和良性循環，使用高選擇性催化劑，實現“零排放”，降低副產物，使整個過程只有原料和能量的輸出，而產出只有產品。（五）、設計對人類健康無害，對環境無污染的產品

本課程是在我們已經了掌握、“無機化學”、“分析化學”、“有機化學”等前置課程的基本理論和實驗技能的基礎上開出的。通過本課的程學習，我們將系統學習綠色化學的基本概念、基本原理和發展規律，并能在今后的工作和生活、生產實踐中，運用這些規律去分析問題和解決問題。化學源于煉金術，是一門中心的，實用的和創造性的學科。

化學的方法、結構、化學反應的研究仍在主導其他學科，如：開發天然資源滿足人類的生活需要形成了基于化學的產業——創造新物質人類的衣、食、住、行、用及保持健康均離不開化學化學的發展可分為：古代化學、近代化學和現代化學三個時期。

古代化學：17世紀以前，主要從事煉丹、煉金、醫用化學、冶金。沒有形成理論體系，研制出來的物質和實驗器皿，為化學科學的發展做出了重大貢獻。

歷史上懷疑秦始皇、唐太宗、雍正可能死于服食丹藥。近代化學：

17世紀中葉到19世紀末，明確了化學的科學性，創造和建立了化學的理論體系。如波義耳提出了元素的概念；拉瓦錫開創了實驗定量分析的科學方法，否定了“燃素說”；道爾頓提出了化學原子的科學概念，創立了“原子學說”。現代化學：

從19世紀末至今，揭示了原子的內部結構和微觀離子運動規律，揭示了分子運動本質。

主要成果有：盧瑟福含核原子的“天體行星模型”，量子力學基礎上的原子結構模型和化學鍵理論；

化學的發展高度分化又高度綜合，產生了如計算機化學、固體化學、生物化學、高分子化學、合成化學、環境化學等許多邊緣學科。20世紀化學工業的貢獻1、青霉素的發現和應用

1928年2月13日英國醫學家弗萊明發現青霉素。1935年德國科學家錢恩和澳大利亞科學家弗洛里對青霉素進行了分離、提純和強化，解決生產問題。青霉素——抗生素類藥物——制藥業蓬勃發展——使人類的抗疾病能力增強，壽命延長2、尼龍的發明

1935年以己二酸與己二胺為原料制得聚合物，又稱聚合物66。將這一聚合物熔融后經注射針壓出，在張力下拉伸稱為纖維。1939年實現工業化后定名為尼龍。尼龍的各種產品從絲襪、衣著到地毯，漁網等，以難以計數的方式出現，是三大合成纖維之一。還有：1921年天然氣1930年聚乙烯1939年的順丁橡膠石油化學工業——改變了人類的生活方式，為材料、計算機等提供了物質保障。

第一節、環境問題環境問題的起因人類在向大自然不斷索取以滿足自身需要的同時也造成了嚴重的環境污染。當代全球的十大環境問題是:(1)

大氣污染;

(2)

臭氧層破壞;(3)

全球變暖;

(4)

海洋污染;(5)

淡水資源的緊張和污染;

(6)

土地的退化和沙漠化;(7)森林銳減;

(8)生物多樣性減少;(9)

環境公害;

(10)

有害化學品和危險廢物。其中大部分與化學和化工產品的化學物質有關。關于環境污染的幾個案例案例一：DDT，持久有機污染物之一?

DDT是人所共知的曾是應用廣泛的殺蟲劑。然而，它在鳥類體內累積后，造成蛋殼變薄，使很多鳥類種群顯著減少，如獵鷹，禿鷹，鶚和棕色鵜鶘等。★其它一些持久性多氯代化合物，如PCBs，二惡英，已知是具有雌激素性質，成為環境內分泌干擾物。南極企鵝體內已經檢驗出DDT

案例二：黃曲霉毒素由于很多化學品有毒，出現了一些憎化學品的呼聲，認為全天然總比化學品為好！其實不然，天然物中也含有有毒化學物質。黃曲霉毒素

當用發霉的花生喂火雞時造成火雞發病或死亡才發現了它，已知它是致癌物。案例三：麥角酸

人吃了由黑麥上生長的麥角酸制成的麥角酸衍生物后，即變得發狂。麥角酸案例四：有些商人用黃樟樹根提取物作飲料的香味劑，其中就含有黃樟素，它是一種致癌物。當人吃了未處理好的河豚魚，可能中毒致死，由于它含有河豚毒素，可造成肺臟麻痹而死亡。黃樟素世界各國發生的關于有毒化學品的環境事故1、全世界每年消耗的化石燃料，２０世紀初不足１５億噸，７０年代初達７０－８０億噸．2、21世紀的第一個年代為200—300億噸。3、倫敦煙霧---1952年12月5－8日倫敦城市城市上空2個月后，又有8000多人陸續喪生。4、1984年12月印度博帕爾毒氣泄露，造成2000人死亡,受害人數達10余萬人,一些人雙目失明,終身殘廢5、1986年4月,烏克蘭基輔北部切爾諾貝利核電站4號反應堆爆炸,放射性物質大量外瀉,造成31人死亡,237人受放射性傷害.央視《東方時空》：毒患籠罩下的天津癌癥村根據村民的不完全統計，自1999年以來，西堤頭村和劉快莊村各種癌癥患者有232人，平均年齡51歲，最小的才7歲，已經死亡172人，其中肺癌、肝癌和腸癌的患病比例最高。兩個村的總人口大約是1.3萬，癌癥發病率達到了178/萬，是全國癌癥平均發病率7/萬的25倍多。在村莊周圍，道路兩旁，生產化學制劑、染料中間體、油漆涂料、農藥獸藥、香精香料等各類化工產品的化工企業一個挨著一個，數量超過了90多個。一、全球氣候變暖全球氣候變暖是一種“自然現象”。由于人們焚燒化石礦物生成能量或砍伐森林并將其焚燒時產生的二氧化碳等多種溫室氣體，溫室氣體主要有二氧化碳、氮氧化物、鹵代烴類。據估計，如果按照現在各國二氧化碳排放量增加的速度繼續排放，21世紀中葉地球表面的平均溫度將升高1.4~1.5℃，兩極冰雪將會加速融化，海平面將上升0.25~0.65m。因海平面的上升，風暴潮災害加劇、洪澇威脅增大，導致海水倒流，海岸內縮，這不但增加了排污難度，也使得江海堤防工程不能滿足需要，減災能力不斷降低。

總之，全球變暖的后果，會使全球降水量重新分配，冰川和凍土消融，海平面上升等，既危害自然生態系統的平衡，更威脅人類的食物供應和居住環境。

目前地球溫度正在升高，上個世紀全世界的平均溫度大約攀升了0.6攝氏度。北半球春天的冰雪解凍期比150年前提前了9天，而秋天的霜凍開始時間卻晚了10天左右。20世紀90年代是自19世紀中期開始溫度記錄工作以來最溫暖的十年，在記錄上最熱的幾年依次是：1998年，2002年，2003年，2001年和1997年。氣候變暖的因素主要有：1、人為因素2、大氣環境污染因素

3、海洋生態環境惡化因素

4、土地遭侵蝕、沙化等破壞因素

5、森林資源銳減因素

6、酸雨危害因素

7、物種加速滅絕因素

8、水污染因素

9、有毒廢料污染因素

二、核冬天的威脅

核冬天（假設熱核戰爭后煙塵阻擋太陽輻射到達地面,使地面氣溫降至-15～-25℃而形成類似冬天的嚴寒氣候）。

1982年，有人提出了有限的核戰爭所產生的煙塵會導致地球冷卻的假設，這個概念被稱為“核冬天”。煙塵和其他氣體溶膠的大透鏡作用煙塵對地球的影響可能會更大核爆炸產生的煙塵大量存在于大氣中，使得地球冷卻。

“現在的核冬天”

目前，世界上有5萬多個核彈頭，約達200億噸梯恩梯當量的核武器，一旦發生核戰爭，地球上就會出現類似于冬天的核冬天。這個問題引起五位美國科學家的注意。他們經過一年半的研究，于1983年10月正式提出“核冬天效應”的理論。

研究者以美蘇使用核武庫中40％核武器（50億噸）在北半球進行核戰爭為背景建立物理模型，利用公開發表的核武器性能數據建立數學模型，終于得出這樣的推論：

三、臭氧層破壞

在距離地球表面15-25公里的高空，因受太陽紫外線照射的緣故，形成了包圍在地球外圍空間的臭氧層，這臭氧層正是人類賴以生存的保護傘。臭氧層主要有三個作用。

其一為保護作用，臭氧層能夠吸收太陽光中的波長300nm以下的紫外線，主要是一部分(波長290～300nm)和全部的(波長＜290nm），保護地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。只有長波紫外線和少量的中波紫外線能夠輻射到地面。所以臭氧層猶如一件宇宙服保護地球上的生物得以生存繁衍。

其二為加熱作用，臭氧吸收太陽光中的紫外線并將其轉換為熱能加熱大氣，正是由于存在著臭氧才有平流層的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧氣，所以也就不存在平流層。

其三為溫室氣體的作用。臭氧層破壞元兇氯氟烴的實用，汽車排放的NOx

化合物同樣會分解臭氧.臭氧消耗劑(ODS)的用量發達國家：1986,975.8千噸

1992,424.1千噸

我國1986,47.5千噸

1992,102.7千噸

1993,117.1千噸

用量下降用量增長對人類健康的影響:

降低免疫力；皮膚癌患者的增加，美國：5000人/年死亡，50萬患者，澳大利亞：死亡5000/人年（總人口1700萬）白內障患者的增加；對于植物的影響:降低農作物的產量品質

四、光化學煙霧和大氣污染大量廢棄物質不停地排向大氣圈，直接污染大氣并危及人類的生命。

光化學煙霧——主要是氮氧化合物與烴類物質再紫外線照射下，經過一系列復雜反應后形成的一種大氣污染現象。

對人會引起咳嗽、胸痛、惡心、疲乏等，若逐漸積累影響就會損傷到肺功能，影響呼吸道結構，引起炎癥。氮氧化物是引發光化學煙霧的主要元兇。

NO2→NO＋O

O+CXHY→CXHYOCXHYO.+O2→CXHYO3.CXHYO3.+CmHn→RCHO+R’CO+O2→O3

五、酸雨1、酸雨：pH值小于5.6的降水。包括雨、雪在內，其酸性成分主要是硫酸，也有硝酸和鹽酸等。酸雨主要由化石燃料燃燒產生的二氧化硫、氮氧化物等酸性氣體，經過復雜的大氣化學反應，被雨水吸收溶解而成。

2、我國有三大酸雨區，主要是硫酸型，分別為：西南酸雨區：僅次于華中酸雨區。華中酸雨區：目前已成為全國酸雨污染范圍最大，中心強度最高的酸雨污染區。華東沿海酸雨區：它的污染強度低于華中、西南酸雨區。

許多資料表明形成酸雨的主要物質是:酸性SOX、NOX氣體等.

目前,全球有三大酸雨地區：西歐,北美和東南亞。我國長江以南也存在連片的酸雨區域，覆蓋四川、重慶、貴州、廣東、廣西、湖南、湖北、江西、浙江、江蘇和青島等省市部分地區，面積達200多萬平方公里的酸雨區是世界三大酸雨區之一。酸雨的危害：湖泊酸化,漁業減產,森林衰退,土壤貧脊,糧菜減產,建筑物腐蝕,文物面目皆非

六、生物多樣性銳減（一）、生物多樣性銳減

生物多樣性——是指地球上所有生物——植物、動物和微生物及其他物質構成的綜合體。它包括遺傳的多樣性、物種多樣性和生態系統多樣性三個組成部分。

據統計，近2000年來，地球上已有106種哺乳類動物和127種鳥類滅絕；瀕臨滅絕的哺乳類動物有406種，鳥類有593種，爬行動物209種，魚類242種，其它低等動物更不計其數。

從1950年到1992年，非洲的大象從10萬頭銳減到1500頭。如果偷獵活動不禁止，到下世紀初，非洲大象將滅絕。

據統計，目前全世界平均每小時有兩個物種滅絕，照此下去，本世紀末，現有物種1/5將會滅絕，生物多樣性保護遭受到嚴峻的挑戰。（二）、生物多樣性減少的原因（1）森林濫砍亂伐，碎裂分散（2）草場超載過牧，退化嚴重（3）對動植物資源過量開發利用及偷獵偷采珍稀瀕危動植物（4）不斷發展的環境污染（5）干旱、半干旱地區水資源的不合理利用帶來的環境變化（6）外來物種的引入（7）漁業資源的過度捕撈導致資源的衰退（8）旅游、采礦等其它活動也對生物多樣性產生不利影響（三）、生物多樣性的價值

物種為人類提供了食物的來源。作為人類基本食物的農作物、家禽和家畜等均源自野生相型。野生物種是培育新品種不可缺少的原材料。

間接經濟價值。固定太陽能、調節水文學過程、防止水土流失、調節氣候、吸收和分解污染物、貯存營養元素并促進養分循環和維持進化過程等7個方面。

隨著時間的推移，生物多樣性的最大價值可能在于為人類提供適應當地和全球變化的機會。七、森林的破壞森林是地球生命之肺森林不僅有生態價值，而且還有很重要的經濟價值。如果不嚴加控制，繼續亂砍亂伐，我們將面臨無足夠的氧氣供呼吸用的困境。八、荒漠化

由于氣候變化和人類經濟活動在內的各種因素影響所造成的干旱、半干旱和干燥、亞濕潤地區的土地退化。造成結果：地球可利用土地減少。荒漠化是目前人類急待解決的一大突出的環境問題。①狹義的荒漠化（即沙漠化）指在脆弱的生態系統下，由于人為過度的經濟活動，破壞其平衡，使原非沙漠的地區出現了類似沙漠景觀的環境變化過程。沙漠化土地還包括了沙漠邊緣風力作用下沙丘前移入侵的地方和原來的固定、半固定沙丘。由于植被破壞發生流沙活動的沙丘活化地區。②廣義荒漠化

指由于人為和自然因素的綜合作用，使得干旱、半干旱甚至半濕潤地區自然環境退化（草場退化、水土流失、土壤沙化等以某一環境因素為標志的具體的自然環境退化）的總過程。荒漠化的兩種類型（按氣候區分類為熱帶荒漠與溫帶荒漠）

熱帶荒漠：位于熱帶沙漠氣候區。受副熱帶高壓控制，盛行下沉氣流，降水少。

溫帶荒漠：位于溫帶大陸性氣候區，深居內陸距海遠。

當前我國荒漠化形勢

根據全國沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化調研結果表明，我國荒漠化土地面積為262.2萬平方公里，占國土面積的27.4％，近4億人口受到荒漠化的影響。

據中、美、加國際合作項目研究，中國因荒漠化造成的直接經濟損失約為541億人民幣。

形成荒漠化的因素（特例：以西北地區荒漠化為例）一、自然因素（不能改變）①

干旱，蒸發量大于降水量，深居內陸，距海遠，海洋水汽難以到達。四周高山環繞，有青藏高原阻擋。②風多風大。

③接近冬季風源地（西伯利亞），地形起伏小，無高山阻擋，使大風長驅直入。④植被稀少，植被覆蓋率低。⑤土質疏松，多沙漠（此為荒漠化的基礎）二、人為因素（可改變）——對應的解決措施

人為因素的根本原因：

人口增長快，人地矛盾突出。解決的根本措施：控制人口數量，提高人口素質，實行生態移民政策。

第二節資源問題

一、能源問題石油：尚可開采約40年天然氣：尚可開采約60年煤：尚可開采約220年近二百年來，人類利用煤、石油及天燃氣作為能源，使生產力提高近200倍，主要用途為：

1、作為火力發電廠的燃料，提供電力。

2、作為開動工廠中各類機器的動力。

3、作為各種交通工具（飛機、汽車、輪船、大車）的動力。

4、作為各種化工產品的原料以制造化肥、農藥、醫藥、染料、合成塑料、合成纖維、合成橡膠等。

二、其他資源問題如土地資源、礦產資源和生物資源等。土地資源為全大約60%的人口提供了生計。但由于人類人口的迅速增長，加之人類生存的各種需要，土地越來越少。礦產資源的開發和不合理利用對工業的發展造成嚴重影響，同時還造成了嚴重的環境污染。因土地資源、礦產資源是不可再生資源，最終會面臨枯竭。

生物資源：在人類的壽命范圍內屬于可再生資源，但是，在生物資源的使用上有一個使用速度與再生速度相對平衡的問題，若消耗速度大于再生速度，生物資源也會枯竭。

資源枯竭后，人類靠什么生存？從何談發展？第三節健康問題（參閱教材P5頁）古人為求長壽求仙拜神修身養性煉丹尋藥不可取

現代醫藥頑疾需新藥抗衰老延壽命減少副作用避抗性增療效、薩立多胺其R-異構體是一種有效的鎮靜劑而其S-異構體則是一種極強的畸胎劑第四節可持續發展問題

一、可持續發展的定義：

可持續發展是既滿足當代人的需求，又不對后代人滿足其需求的能力構成危害的發展稱為可持續發展。

可持續發展主要包括社會可持續發展，生態可持續發展，經濟可持續發展。

可持續發展概念的提出

最先是在一九七二年在斯德哥爾摩舉行的聯合國人類環境研討會上正式討論。

1980年國際自然保護同盟提出：“必須研究自然的、社會的、生態的、經濟的以及利用自然資源過程中的基本關系，以確保全球的可持續發展。

隨后，中國政府編制了《中國21世紀人口、資源、環境與發展白皮書》，首次把可持續發展戰略納入我國經濟和社會發展的長遠規劃。

可持續發展主要包括社會可持續發展，生態可持續發展，經濟可持續發展。

可持續發展的五點思想：參閱教材P7頁1、可持續發展思想強調的是發展，把消除貧困當作是可持續發展的一項不可缺少的條件。

2、可持發展思想把環境保護作為發展過程的一個重要組成部分，作為衡量發展質量、發展水平和發展程度的客觀標準之一。3、