環境化學重點總結緒論環境化學是一門研究有害化學物質在環境介質中的存在、化學特性、行為和效應及其控制的化學原理和方法的科學。其核心是研究化學污染物在環境中的化學轉化和效應。環境問題可分為原生環境問題和次生環境問題，次生環境問題主要是由人類活動引起的，如環境污染和生態破壞。大氣環境化學大氣的組成和結構大氣主要由氮氣、氧氣、氬氣等氣體組成，還含有少量的二氧化碳、水汽、臭氧等。根據溫度隨高度的變化，大氣可分為對流層、平流層、中間層、熱層和逸散層。對流層是大氣的最底層，與人類活動關系最為密切，污染物的遷移和轉化主要發生在這一層。平流層中含有臭氧層，能吸收太陽紫外線，保護地球上的生物。大氣污染物的遷移大氣污染物的遷移是指污染物在大氣中發生的空間位移及其引起的富集、分散和消失的過程。影響大氣污染物遷移的因素主要有空氣的機械運動（如風和湍流）、天氣形勢和地理地勢。風可使污染物發生水平遷移，湍流可使污染物發生垂直擴散。大氣污染物的轉化1.光化學反應基礎-光化學反應是指分子、原子、自由基或離子吸收光子而發生的化學反應。光解反應是大氣中重要的光化學反應之一，如二氧化氮的光解：(NO_2+hnu(lambdaleq420nm)rightarrowNO+O)，產生的氧原子可進一步與氧氣反應生成臭氧。-大氣中存在的自由基主要有(HO)、(HO_2)、(R)（烷基）、(RO)（烷氧基）和(RO_2)（過氧烷基）等。自由基反應活性高，在大氣污染物的轉化過程中起著關鍵作用。2.氮氧化物的轉化-氮氧化物主要包括(NO)和(NO_2)，它們在大氣中的轉化過程較為復雜。(NO)可通過與(O_3)反應轉化為(NO_2)：(NO+O_3rightarrowNO_2+O_2)。-氮氧化物在陽光照射下會參與光化學煙霧的形成。光化學煙霧是一種由氮氧化物、碳氫化合物等污染物在陽光作用下發生光化學反應而形成的煙霧現象，具有強氧化性，會對人體健康和生態環境造成嚴重危害。3.碳氫化合物的轉化-碳氫化合物在大氣中可發生氧化反應。以丙烷為例，它可與(HO)自由基反應：(C_3H_8+HOrightarrowC_3H_7+H_2O)，生成的烷基自由基可進一步與氧氣反應生成過氧烷基自由基。-碳氫化合物還會參與光化學煙霧的形成，它與氮氧化物的相互作用是光化學煙霧形成的重要環節。4.硫酸型煙霧的形成-硫酸型煙霧主要是由煤炭燃燒排放的二氧化硫、顆粒物等污染物在低溫、高濕度的條件下，通過化學反應形成的。二氧化硫在金屬顆粒物的催化作用下可被氧化為三氧化硫，三氧化硫與水反應生成硫酸：(2SO_2+O_2xrightarrow{金屬顆粒物}2SO_3)，(SO_3+H_2OrightarrowH_2SO_4)。大氣中重要污染物的來源及歸宿1.溫室氣體-主要的溫室氣體有二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等。二氧化碳主要來源于化石燃料的燃燒和工業生產過程；甲烷主要來自農業活動（如水稻種植、牲畜養殖）、垃圾填埋和天然氣泄漏等；氧化亞氮主要來自農業土壤排放和工業生產。-溫室氣體的增加會導致全球氣候變暖，引發一系列環境問題，如海平面上升、極端氣候事件增加等。2.臭氧層破壞-平流層中的臭氧層能吸收太陽紫外線，保護地球上的生物。但人類活動排放的氯氟烴（CFCs）等物質會破壞臭氧層。氯氟烴在紫外線的作用下會釋放出氯原子，氯原子會與臭氧發生反應：(Cl+O_3rightarrowClO+O_2)，(ClO+OrightarrowCl+O_2)，從而使臭氧不斷消耗。水環境化學天然水的基本特征1.天然水的組成-天然水中含有各種溶解物質和懸浮物質。溶解物質包括陽離子（如(Ca^{2+})、(Mg^{2+})、(Na^{+})、(K^{+})等）、陰離子（如(HCO_3^-)、(SO_4^{2-})、(Cl^-)等）、溶解氣體（如氧氣、二氧化碳等）和有機物。-天然水的酸堿度（pH）一般在6-9之間，其緩沖能力主要取決于水中的碳酸平衡體系。2.水體的氧化-還原電位-水體中的氧化-還原反應對污染物的存在形態和遷移轉化有重要影響。氧化-還原電位（Eh）可反映水體的氧化-還原狀態。在氧化性水體中，Eh值較高，一些物質以高價態存在；在還原性水體中，Eh值較低，物質以低價態存在。水中污染物的遷移轉化1.沉淀-溶解平衡-水中的金屬離子可與陰離子形成沉淀。例如，碳酸鈣在水中存在沉淀-溶解平衡：(CaCO_3(s)rightleftharpoonsCa^{2+}(aq)+CO_3^{2-}(aq))。pH值、離子強度等因素會影響沉淀-溶解平衡的移動。2.配合作用-水中的金屬離子可與配體形成配合物。常見的配體有氯離子、硫酸根離子、腐殖質等。腐殖質是天然水中一類重要的有機配體，它能與金屬離子形成穩定的配合物，影響金屬離子的遷移和生物有效性。3.氧化-還原反應-氧化-還原反應可改變污染物的化學形態和毒性。例如，六價鉻具有較強的毒性，在還原性條件下可被還原為三價鉻，毒性降低：(Cr_2O_7^{2-}+6Fe^{2+}+14H^+rightarrow2Cr^{3+}+6Fe^{3+}+7H_2O)。4.吸附作用-水中的顆粒物（如黏土礦物、金屬氧化物等）可吸附污染物。吸附作用可分為表面吸附、離子交換吸附和專屬吸附。表面吸附是基于分子間作用力；離子交換吸附是通過離子交換實現的；專屬吸附是指在吸附過程中，除了靜電作用外，還存在化學鍵的作用。水體富營養化1.定義和成因-水體富營養化是指由于大量氮、磷等營養物質進入水體，使藻類等浮游生物大量繁殖，導致水質惡化的現象。其主要成因是人類活動排放的含氮、磷廢水（如生活污水、農業面源污染等）進入水體。2.危害和防治措施-水體富營養化會導致水體透明度降低、溶解氧減少，影響水生生物的生存，還可能產生藻類毒素，危害人體健康。防治措施包括控制營養物質的排放、生物修復（如種植水生植物）和物理化學方法（如人工曝氣、投加化學藥劑等）。土壤環境化學土壤的組成和性質1.土壤的組成-土壤由礦物質、有機質、水分和空氣等組成。礦物質是土壤的骨架，主要包括原生礦物和次生礦物。土壤有機質主要來源于動植物殘體的分解，可分為腐殖質和非腐殖質。2.土壤的酸堿性-土壤的酸堿性取決于土壤中氫離子和氫氧根離子的濃度。土壤的酸性主要來源于土壤中鋁離子的水解、碳酸和有機酸的解離等；土壤的堿性主要來源于碳酸根和碳酸氫根的水解。3.土壤的緩沖性能-土壤具有緩沖性能，能抵抗外界酸堿物質的影響，保持土壤酸堿度的相對穩定。土壤的緩沖作用主要通過土壤中的碳酸-碳酸鹽體系、腐殖質等實現。土壤中污染物的遷移轉化1.重金屬在土壤中的遷移轉化-重金屬在土壤中可發生吸附、沉淀-溶解、氧化-還原等反應。例如，鎘在土壤中可被黏土礦物和腐殖質吸附，也可與碳酸根等陰離子形成沉淀。土壤的酸堿度、氧化-還原電位等因素會影響重金屬的遷移和生物有效性。2.農藥在土壤中的遷移轉化-農藥在土壤中的遷移主要通過揮發、擴散和淋溶等方式進行。農藥在土壤中的轉化主要包括光化學降解、化學降解和生物降解。生物降解是農藥在土壤中降解的主要方式，微生物可通過酶促反應將農藥分解為小分子物質。生物體內污染物質的運動過程及毒性物質通過生物膜的方式1.被動擴散-物質從高濃度一側向低濃度一側擴散，不需要消耗能量，也不需要載體。例如，一些脂溶性物質（如苯、甲苯等）可通過被動擴散的方式穿過生物膜。2.主動轉運-物質逆濃度梯度運輸，需要消耗能量和載體。主動轉運可使細胞積累某些物質，如細胞對氨基酸、葡萄糖等營養物質的吸收。3.促進擴散-物質從高濃度一側向低濃度一側擴散，需要載體，但不需要消耗能量。促進擴散的速率比被動擴散快，如葡萄糖進入紅細胞。污染物質在生物體內的轉運污染物質進入生物體后，可通過血液循環等方式在體內轉運。污染物可分布到不同的組織和器官，其分布情況取決于污染物的性質、組織器官的親和力等因素。例如，鉛主要蓄積在骨骼中，汞主要蓄積在腎臟和肝臟中。污染物質的生物轉化1.生物轉化的類型-生物轉化主要包括氧化、還原、水解和結合反應。氧化反應可使污染物的極性增加，便于排出體外；還原反應可改變污染物的化學性質；水解反應可將大分子污染物分解為小分子物質；結合反應是將污染物與體內的一些物質（如葡萄糖醛酸、硫酸等）結合，增加其水溶性。2.影響生物轉化的因素-影響生物轉化的因素包括污染物的結構和性質、生物的種類和生理狀態、環境因素等。不同結構的污染物生物轉化的難易程度不同；不同生物對同一污染物的生物轉化能力也存在差異。污染物質的毒性1.急性毒性和慢性毒性-急性毒性是指污染物在短時間內對生物體造成的危害，通常用半數致死量（(LD_{50})）或半數致死濃度（(LC_{50})）來表示。慢性毒性是指污染物在長期低劑量作用下對生物體造成的危害，可能導致癌癥、生殖發育障礙等疾病。2.毒性作用的機理-毒性作用的機理主要包括干擾正常的生理生化過程、損傷細胞和組織、影響遺傳物質等。例如，重金屬可與生物體內的蛋白質、酶等結合，使其失去活性，從而影響正常的生理功能。典型污染物在環境各圈層中的轉歸與效應重金屬污染1.汞-汞在環境中可以單質汞、無機汞和有機汞的形式存在。汞的主要來源包括化石燃料燃燒、有色金屬冶煉等。汞在水體中可被微生物甲基化，生成甲基汞，甲基汞具有很強的毒性，可通過食物鏈富集。2.鎘-鎘主要來源于采礦、冶煉和電鍍等工業活動。鎘在土壤中易被植物吸收，進入食物鏈。鎘會損害人體的腎臟和骨骼，導致骨痛病等疾病。3.鉛-鉛的來源主要有汽車尾氣排放、含鉛涂料等。鉛可在人體的骨骼和血液中蓄積，影響神經系統、造血系統和免疫系統的功能，對兒童的智力發育危害尤其嚴重。有機污染物污染1.多氯聯苯（PCBs）-PCBs具有化學穩定性高、難降解等特點，曾被廣泛用于變壓器、電容器等電氣設備中。PCBs可通過大氣、水等途徑進入環境，在生物體內蓄積，具有致癌、致畸和致突變等毒性。2.多環芳烴（PAHs）-PAHs主要來源于化石燃料的不完全燃燒和有機物質的熱解。PAHs具有較強的致癌性，可通過呼吸道、皮膚等途徑進入人體。例如，苯并[a]芘是一種典型的強致癌性PAHs。環境化學研究方法現場