环境化学教案.doc

《环境化学》教案

《环境化学》课堂教学主要包括四大部分：
第一部分为绪论，介绍当前人类面临的环境问题，环境科学的形成和发展，环境化学的研究内容和发展方向，化学污染物及其在多介质环境中的迁移转化行为。
第二部分为大气污染化学，主要介绍大气的结构、组成和性质，大气中主要污染物及其迁移，光化学反应基础，温室效应、酸沉降、臭氧层破坏、光化学烟雾等重要的大气污染化学问题及其形成机理，气溶胶化学，室内空气污染及健康风险，大气污染的防治对策。
第三部分为水污染化学，主要介绍天然水的基本特征，水中重要化学污染物的存在形态及分布，污染物在水环境中迁移转化的基本原理及水质模型；重点介绍重金属在水环境中沉淀-溶解、氧化-还原、吸附-解吸、絮凝-沉降、配合作用、生物转化等迁移转化过程的基本原理及影响因素，有机污染物在水环境中挥发、吸附、化学与生物降解等迁移转化和多介质环境过程的基本原理、影响因素及其模型。
第四部分为土壤污染化学，介绍土壤的组成和基本性质，化学污染物在土壤-植物体系中的迁移、作用机理及影响因素，土壤中氮磷污染及迁移转化，重点介绍土壤中重金属和有机农药的迁移转化行为及生物生态效应，土壤中温室气体的形成及释放机理，土壤污染防治与修复等。
通过本课程的学习，使学生掌握环境化学的基本知识、基本原理和基本技能，为从事环境保护和环境科学研究工作奠定基础。

第一章 绪论
重点要求：1、了解环境化学的内容、作用及其地位。
2、了解环境化学各分支学科的发展动向。
3、掌握环境污染物和化学污染物的分类及主要组成。
4、环境效应的基本概念。
5、环境污染物在环境各圈层的迁移转化过程（了解）。

第一节 环境化学
一、环境问题
环境污染
可持续发展
二、环境化学
环境化学的概念
环境化学的任务；内容及特点
环境化学的发展动向
环境分析化学
各圈层环境化学
环境工程化学

第二节 环境污染物
一、环境污染物的类别
1、人类社会不同功能产生的污染物
工业

农业
交通运输
生活
2、化学污染物
元素
无机物
有机化合物和烃类
金属有机和准金属有机化合物
含氧有机化合物
有机氮化合物
有机卤化合物
有机硫化合物
有机磷化合物
二、环境效应及其影响因素
1、环境物理效应
2、环境化学效应
3、环境生物效应
三、环境污染物在环境各圈的迁移转化过程简介
污染物的迁移与转化
迁移方式
转化方式
污染物在多介质中的迁移、转化和循环
举例：大气—水—土壤

第二章 大气环境化学
重点要求：1、了解大气层结构及大气污染物迁移的主要因素。
2、光化学烟雾的形成过程和机理。
3、硫酸型烟雾的形成过程和机理。
4、酸雨及其化学组成。
5、大气颗粒物及其组成。
6、温室气体和温室效应。
7、臭氧层的形成与耗损。

第一节 大气中污染物的转移
一、大气温度层结
出示大图：
图1 大气温度的垂直分布
图2 大气密度的垂直分布
大气垂直递减率
二、辐射逆温层
三、绝热过程与干绝热过程
四、大气稳定度
五、影响大气污染物迁移的因素
风和大气湍流的影响
天气形势和地理地势的影响

第二节 大气中污染物的转化
一、光化学反应基础
1、光化学反应过程
什么是光化学反应？
初级过程：
A + hν A*
次级过程：
举例：
HCl + hν H + Cl
H + HCl H2 + Cl
Cl + Cl Cl2
2、量子产率（不做介绍）
3、大气中重要吸光物质的光离解：
（1）氧分子和氮分子的光离解
O2 + hν O + O
N2 + hν N + N
（2）臭氧的光离解
O3 + hν O + O2
（3NO2的光离解
NO2 + hν NO + O
（4）亚硝酸和硝酸的光离解
HNO2 + hν HO + NO
HNO2 + hν H + NO2
HNO3 + hν HO + NO2
（5）二氧化硫对光的吸收
SO2 + hν SO2*
（6）甲醛的光离解
H2CO + hν H + HCO
H2CO + hν H2 + CO
（7）卤代烃的光离解
CH3X + hν CH3 + X
二、大气中重要自由基的来源
1、大气中HO和HO2自由基的浓度
2、大气中HO和HO2自由基的来源：
HO来源一： O3 + hν O + O2
O + H2O 2HO
HO来源二： HNO2 + hν HO + NO
H2O2 + hν 2HO
HO2的来源： H2CO + hν H + HCO
H + O2 + M HO2 + M
HCO + O2 HO2 + CO
3、R、RO和RO2等自由基的来源
大气中存在最多的烷基是甲基，主要来源是：
CH3CHO + hν CH3 + HCO
CH3COCH3 + hν CH3 + CH3CO
烷基自由基：
RH + O R + HO
RH + HO R + H2O
甲氧基：
CH3ONO + hν CH3O + NO
CH3ONO2 + hν CH3O + NO2
过氧烷基：
R + O2 RO2
三、氮氧化物的转化
1、大气中的含氮化合物
2、氮氧化合物和空气混合体系中的光化学反应
NO2 + hν NO + O
O + O2 + M O3 + M
O3 + NO NO2 +O2
3、氮氧化物的气相转化
（1）NO 的氧化
NO + O3 NO2 + O2
NO + RO2 NO2 + RO
NO + HO2 NO2 + HO
NO + HO HNO2
NO + RO RONO
（2）NO2的转化
NO2 + HO HNO3
NO2 + O3 NO3 + O2
NO2 + NO3 N2O5
（3）PAN
CH3CO + O2 CH3COOO
CH3COOO + NO2 CH3COOONO2
4、氮氧化物的液相转化（补充内容）
四碳氢化合物的转化
1、大气中主要的碳氢化合物
2、碳氢化合物在大气中的反应
（1）烷烃的反应
RH + HO R + H2O
RH + O R + HO
（2）烯烃的反应
与HO发生加成反应和氢原子摘除反应
五、光化学烟雾现象
1、什么是光化学烟雾
（1）光化学烟雾的日变化曲线
出示大图：光化学烟雾日变化曲线
（2）烟雾箱模拟曲线
2、光化学烟雾形成的简化机制
引发反应：
NO2 + hν NO + O
O + O2 + M O3 + M
NO + O3 NO2 + O2
自由基传递反应：
RH + HO RO2 + H2O
RCHO + HO RC（O）O2 + H2O
RCHO + hν RO2 + HO2 + CO
HO2 + NO NO2 + HO
RO2 + NO NO2 + R’CHO + HO2
RC（O）O2 + NO NO2 + RO2 +CO2
终止反应：
HO + NO2 HNO3
RC（O）O2 + NO2 RC（O）O2NO2
RC（O）O2NO2 RC（O）O2 + NO2
3、光化学烟雾的控制对策
六、硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染
1、二氧化硫的气相氧化
（1）SO2的直接光氧化
SO2 + O2 SO4 SO3 + O
或 SO2 + SO4 2SO3
（2）SO2被自由基氧化
SO2与HO的反应
HO + SO2 HOSO2
HOSO2 + O2 HO2 + SO3
SO3+ H2O H2SO4
与其他自由基反应
CH3CHOO + SO2 CH3CHO + SO3
HO2 + SO2 HO + SO3
CH3O2 + SO2 CH3O + SO3
2、二氧化硫的液相氧化
3、硫酸烟雾型污染
七、酸性降水
1、降水的pH
2、降水pH的背景值
3、降水的化学组成
（1）降水的组成
大气中固定气体成分
无机物
有机物
光化学反应产物
不溶物
（2）降水中的离子成分
4、酸雨的化学组成
SO2 + [O] SO3
SO3 + H2O H2SO4
SO2 + H2O H2SO3
HSO3 + [O] H2SO4
NO + [O] NO2
2NO2 + H2O HNO3 + HNO2
5、影响酸雨形成的因素
（1）酸性污染物的排放及其转化条件
（2）大气中的氨
（3）颗粒物酸度及其缓冲能力
（4）天气形势的影响
八、大气颗粒物
1、颗粒物的粒度及表面性质
（1）颗粒物的粒度分布
总悬浮颗粒物
飘尘
降尘
可吸入粒子
（2）大气颗粒物的三模态
2、大气颗粒物的化学组成
（1）无机颗粒物
（2）有机颗粒物
3、大气颗粒物的去除过程
（1）干沉降
（2）湿沉降
九、温室气体和温室效应
十、臭氧层的形成与耗损
1、臭氧层形成与耗损的化学反应
生成： 3O2 + hν 2O3
消耗： O3 + hν O2 + O
O3 + O 2O2
2、南极的臭氧洞现象

第三章 水环境化学
水环境化学是研究物质在天然水体中的存在形态、反应机制、迁移和转化、归趋规律与化学行为及其对生态环境的影响。它是环境化学的重要组成部分，这些研究将为水污染控制和水资源的保护提供科学依据。
主要内容：1、天然水基本特征。
2、水中重要污染物存在形态及分布。
3、水中无机物的迁移转化。
4、水中有机物的迁移转化。
重点内容：1天然水的碳酸平衡。
2、水中颗粒物的聚集。
3、溶解—沉淀、氧化—还原、配合作用的基本原理。
4、分配作用、挥发作用、水解作用、光解作用、生物降解的原理。
难点内容：1、天然水碳酸平衡的计算。
2、絮凝原理的理解。
3、pE-pH图的获得和理解。
4、挥发作用的双膜理论。

第一节 天然水的基本特征及污染物的存在形态
一、天然水体的基本特征
1、天然水的组成
（1）天然水中的主要离子组成
（2）水中的金属离子
（3）气体在水中的溶解性
亨利定律
（4）水生生物
2、天然水的性质
（1）碳酸平衡
CO2 + H2O == H2CO3
H2CO3 == HCO3 + H+
HCO3- == CO32- + H+
（2）天然水中的碱度和酸度
总碱度 = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] –[H+]
总酸度 = [H+] + [HCO3-] + 2[H2CO3] - [OH-]
二、水中污染物的分布和存在形态
1、有机污染物
（1）农药
（2）多氯联苯
（3）卤代脂肪烃
（4）醚类
（5）单环芳香族化合物
（6）苯酚类和甲酚类
（7）酞酸酯类
（8）多环芳烃
9）亚硝胺和其他化合物
2、金属污染物
镉 汞 铅 砷 铬 铜 锌 铊 镍 铍

第二节 水中无机污染物的迁移转化
一、颗粒物与水之间的迁移
1、水中颗粒物的类别
（1）矿物微粒和黏土矿物
（2）金属水合化合物
（3）腐殖质
（4）水体悬浮沉积物
（5）其他
2、水环境中颗粒物的吸附作用
（1）吸附等温线和等温式
H 型等温线
F型等温线
L型等温线
（2）氧化物表面吸附的配合模式
3、沉积物中重金属的释放
诱发释放的因素：盐浓度升高
氧化还原条件的变化
降低pH
增加水中配合剂的含量
二、水中颗粒物的聚集
1、胶体颗粒物凝聚的基本原理和方式
2、胶体颗粒絮凝动力学
三、溶解和沉淀
1、氧化物和氢氧化物
Me（OH）n（s） == Men+ + nOH-
Ksp = [Men+][OH-]n
[Men+] = Ksp/[OH-]n = Ksp[H+]n/Kwn
Pc = Ksp – npKw + npH
2、硫化物
H2S == H+ + HS-
HS == H+ + S2-
H2S == 2H+ + S2-
K12 = K1K2
如溶液中存在二价金属离子Me2+，则有：
[Me2+][S2-] = Ksp
3、碳酸盐
4、水溶液中不同固相的稳定性
四、氧化-还原
1、电子活度和氧化还原电位
pE = pE0 + 1/n lg（[反应物]/[生成物]）
2、天然水体的pE-pH图
3、天然水的pE和决定电位
4、无机氮氧化物的氧化还原转化
5、无机铁的氧化还原转化
6、水中有机物的氧化
五、配合作用
1、配合物在溶液中的稳定性
2、羟基对重金属离子的配合作用
3、氯离子对重金属的配合作用
4、腐殖质的配合作用
5、有机配体对重金属迁移的影响

第三节 水中有机污染物的迁移转化
一、分配作用
1、分配理论
2、标化分配系数
3、生物浓缩因子
二、挥发作用
1、亨利定律
2、挥发作用的双膜理论
三、水解作用
四、光解作用
五、生物降解作用

第四节 水质模型
一、氧平衡模型
二、湖泊富营养化预测模型
三、有毒有机污染物的归趋模型

第四章 土壤环境化学
重点要求：1、了解土壤的组成与性质，土壤的粒级与质地分组特征。
2、了解污染物在土壤—植物体系中迁移的特点、因素、机制。
3、农药在土壤中迁移的特点、因素、机制。
4、主要农药在土壤中的转归与效应。

第一节 土壤的组成与性质
一、土壤的组成
土壤由固体、液体和气体组成
1、土壤矿物质
（1）原生矿物
（2）次生矿物
2、土壤有机质
3、土壤水分
4、土壤中的空气
二、土壤的粒级分组与质地分组
1、土壤矿物质的粒级划分
2、各粒级的主要矿物成分和理化特性
（1）石块和石砾
（2）沙砾
（3）粘粒
（4）粉粒
3、土壤质地分类及其特性
三、土壤吸附性
1、土壤胶体的性质
（1）土壤胶体具有巨大的比表面和表面能
（2）土壤胶体的电性
（3）土壤胶体的凝聚性和分散性
2、土壤胶体的离子交换吸附
（1）土壤胶体的阳离子交换吸附
影响吸附的因素：电荷数、离子半径及水化程度
（2）土壤胶体的阴离子交换吸附
四、土壤酸碱性
1、土壤酸度
（1）活性酸度
（2）潜性酸度
2、土壤碱度
3、土壤的缓冲性能
（1）土壤溶液的缓冲作用
（2）土壤胶体的缓冲作用
对酸的缓冲作用
对碱的缓冲作用
铝离子对碱的缓冲作用
五、土壤的氧化还原性

第二节 污染物在土壤——植物体系中的迁移及其机制
一、污染物在土壤—植物体系中的迁移
1、污染物由土壤向植物体迁移的方式
2、影响重金属在土壤-植物体系中转移的因素
（1）植物种类
（2）土壤种类
（3）重金属形态
（4）重金属在植物体内的迁移能力
二、植物对重金属污染产生耐性的几种机制
1、植物根系通过改变根际化学性状、原生质泌溢等作用限制重金属离子跨膜吸收
2、重金属与植物的细胞壁结合
3、酶系统的作用
4、形成重金属硫蛋白或植物络合素
第三节 土壤中农药的迁移转化
一、土壤中农药的迁移
1、扩散
（1）土壤水分含量
（2）吸附
（3）土壤的紧实度
（4）温度
（5）气流速度
（6）农药种类
2、质体流动
二、非离子型农药与土壤有机质的作用
1、非离子型有机物在土壤-水体系的分配作用
2、土壤湿度对分配过程的影响
三、典型农药在土壤中的迁移转化
1、有机氯农药
（1）滴滴涕
（2）林丹
2、有机磷农药
（1）有机磷农药的非生物降解过程
吸附催化水解
光降解
（2）有机磷农药的生物降解