环境化学教案.docx

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环境化学教案

《环境化学》教案

环境化学是研究有害化学物质在环境介质中的存在、特性、行为和效应的化学原理与方法的科学。

本课程依次讲解大气、水、岩石（土壤）各圈层的环境化学之后，对典型污染物在各圈层之间的迁移转化规律做了专门论述。

通过学习使学生了解环境化学在环境科学中和解决环境问题上的作用，环境化学研究的内容、特点和发展动向。

使学生掌握主要环境污染物的类别和它们在环境各圈层中的迁移转化过程，具备一定的处理实际环境问题的思路、方法和技术。

第一章绪论

第一节环境化学

一、环境问题

1、环境污染

2、可持续发展

二、环境化学

1、环境化学的概念

2、环境化学的任务；内容及特点

3、环境化学的发展动向

（1）环境分析化学

（2）各圈层环境化学

（3）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

（1）工业

（2）农业

（3）交通运输

（4）生活

2、化学污染物

（1）元素

（2）无机物

（3）有机化合物和烃类

（4）金属有机和准金属有机化合物

（5）含氧有机化合物

（6）有机氮化合物

（7）有机卤化合物

（8）有机硫化合物

（9）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

1、污染物的迁移与转化

2、迁移方式

3、转化方式

4、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

本章重点：

1污染物在大气中迁移过程

2光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理

第一节大气中污染物的转移

大气层简介

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、大气稳定度的判定

五、影响大气污染物迁移的因素

1、风和大气湍流的影响

2、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+hνA*

次级过程

举例：

HCl+hνH+Cl

H+HClH2+Cl

Cl+ClCl2

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+hνO+O

N2+hνN+N

（2）臭氧的光离解

O3+hνO+O2

（3）NO2的光离解

NO2+hνNO+O

（4）亚硝酸和硝酸的光离解

HNO2+hνHO+NO

HNO2+hνH+NO2

HNO3+hνHO+NO2

（5）二氧化硫对光的吸收

SO2+hνSO2*

（6）甲醛的光离解

H2CO+hνH+HCO

H2CO+hνH2+CO

（7）卤代烃的光离解

CH3X+hνCH3+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+hνO+O2

O+H2O2HO

HO来源二：

HNO2+hνHO+NO

H2O2+hν2HO

HO2的来源：

H2CO+hνH+HCO

H+O2+MHO2+M

HCO+O2HO2+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+hνCH3+HCO

CH3COCH3+hνCH3+CH3CO

烷基自由基：

RH+OR+HO

RH+HOR+H2O

甲氧基：

CH3ONO+hνCH3O+NO

CH3ONO2+hνCH3O+NO2

过氧烷基：

R+O2RO2

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+hνNO+O

O+O2+MO3+M

O3+NONO2+O2

3、氮氧化物的气相转化

（1）NO的氧化

NO+O3NO2+O2

NO+RO2NO2+RO

NO+HO2NO2+HO

NO+HOHNO2

NO+RORONO

（2）NO2的转化

NO2+HOHNO3

NO2+O3NO3+O2

NO2+NO3N2O5

（3）PAN

CH3CO+O2CH3COOO

CH3COOO+NO2CH3COOONO2

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+HOR+H2O

RH+OR+HO

（2）稀烃的反应

与HO发生加成反应和氢原子摘除反应

3、光化学烟雾现象

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

4、光化学烟雾形成的简化机制

引发反应：

NO2+hνNO+O

O+O2+MO3+M

NO+O3NO2+O2

自由基传递反应：

RH+HORO2+H2O

RCHO+HORC（O）O2+H2O

RCHO+hνRO2+HO2+CO

HO2+NONO2+HO

RO2+NONO2+R’CHO+HO2

RC（O）O2+NONO2+RO2+CO2

终止反应：

HO+NO2HNO3

RC（O）O2+NO2RC（O）O2NO2

RC（O）O2NO2RC（O）O2+NO2

5、光化学烟雾的控制对策

五、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

3SO2+O2SO4SO3+O

或SO2+SO42SO3

（2）SO2被自由基氧化

SO2与HO的反应

HO+SO2HOSO2

HOSO2+O2HO2+SO3

SO3+H2OH2SO4

与其他自由基反应

CH3CHOO+SO2CH3CHO+SO3

HO2+SO2HO+SO3

CH3O2+SO2CH3O+SO3

2、二氧化硫的液相氧化

3、硫酸烟雾型污染

六、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+H2OH2SO4

SO2+H2OH2SO3

HSO3+[O]H2SO4

NO+[O]NO2

2NO2+H2OHNO3+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

七、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

八、温室气体和温室效应

九、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+hν2O3

消耗：

O3+hνO2+O

O3+O2O2

2、南极的臭氧洞现象

第三节大气污染数学模式（补充内容）

第三章水环境化学

本章重点：

1、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化-还原、配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉淀的基本原理

2、计算水体中金属存在形态

3、pE计算

4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数、挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率的计算方法

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

（1）镉

（2）汞

（3）铅

（4）砷

（5）铬

（6）铜

（7）锌

（8）铊

（9）镍

（10）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

（1）盐浓度升高

（2）氧化还原条件的变化

（3）降低pH

（4）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/nlg（[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

本章重点：

1、土壤的吸附

2、土壤的酸碱性

3、土壤的氧化还原特性

4、农药在土壤中的迁移原理与主要影响因素

5、农药在土壤中的转化规律

第一节土壤的组成与性质

一、土壤的组成

1、土壤由固体、液体和气体组成

2、土壤矿物质

（1）原生矿物

（2）次生矿物

3、土壤有机质

4、土壤水分

5、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

活性酸度

潜性酸度

2、土壤碱度

3、土壤的缓冲性能

土壤溶液的缓冲作用

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

第五章生物体内污染物质的运动过程及毒性

本章重点：

1、污染物的生物富集、放大和积累

2、耗氧和有毒有机物的微生物降解

3、元素的微生物转化

4、微生物对污染物的转化速率

5、毒物的毒性、联合作用、致突变、致癌及抑制酶活性

第一节物质通过生物膜的方式

一、生物膜的结构；利用示意图讲解生物膜的结构

提示：

1生物膜是流动变动的复杂体

2蛋白质的生理功能：

载体作用，转运膜内外物质

催化作用，如酶

能量转换作用

3膜孔：

带极性，含水的微小孔道

二、物质通过生物膜的方式

共5种：

膜孔滤过、被动扩散、被动易化扩散、主动转运及胞吞和胞饮

1、膜孔滤过

动力：

膜两侧静水压及渗透压

限制条件：

直径小于膜孔水溶性物质

2、被动扩散

脂溶性物质顺浓度梯度（高————低）扩散通过生物膜。

3、被动易化扩散

（物质+特异蛋白质载体）高浓度

生物膜

（物质+特异蛋白质载体）低浓度

该过程受载体及其数量制约，呈现特异性选择

4、主动转运

与被动易化扩散相反

特征：

消耗代谢能量，特异性选择

5、胞吞和胞饮

提示：

物质与膜上特定蛋白质亲和

膜的表面张力改变

膜外包或内陷进入膜内

固体胞吞

液体胞饮

小结：

1物质的脂溶性、水溶性、解离度、分子大小会影响其通过生物膜

2营养物质和代谢物质以被动易化扩散和主动转运进入生物膜

3大多数物质以被动扩散方式通过生物膜

第二节污染物质在机体内的转运

一、吸收

（以下介绍的是在人体内的转运）

1、吸收：

机体外体膜血液

2、吸收的途径

（1）消化管（主要途径）

方式：

被动扩散

吸收部位：

小肠、胃

（2）呼吸管（大气污染物）

吸收部位：

肺泡

污染物通过方式：

被动扩散肺泡

滤过毛细血管

（3）皮肤

被动扩散表皮真皮

血液毛细管壁膜

脂溶性污染物如酚、尼古丁、马钱子碱等易被皮肤吸收。

二、分布

吸收

污染物血液机体组织返回血液

代谢产物

污染物的转运方式：

被动扩散

1、不同组织污染物的分布特点

2、污染物质与血浆蛋白的结合

三、排泄

排泄是指污染物及其代谢物向机体外转运过程。

主要部位：

肾、肝、胆、肠、肺、外分泌腺。

1、肾排泄

2、胆汁排泄

3、肠肝循环

四、蓄积

指吸收大于排泄（或转化）

蓄积发生时，污染物的分布相对集中，主要集中在以下部位：

血浆蛋白、脂肪组织、骨骼。

小结：

毒物吸收、分布、排泄、蓄积图解

呼吸摄吸

出入入收

皮肤

肺和肺泡

胃和肠道

胆汁

肝

血液和淋巴系统

肾和膀胱

骨脂肪

毒物储存

尿

第三节污染物质的生物富集、放大和积累

一、生物富集

生物富集的概念：

非吞食方式蓄积污染物，使其在机体内浓度超过周围环境浓度

BCF=Cb/Ce

影响BCF的因素

物质性质

生物特性

环境因素

富集速率的计算：

BCF=Cf/Cw=Ka/Ke

说明在一定条件下生物浓缩系数有一阈值，此时水生生物富集达到动态平衡。

富集体机理：

污染物在水和生物脂肪两相间的分配

前提：

较高的脂溶性，较低水溶性，难降解，通过生物膜的方式是被动扩散

二、生物放大

生物放大的概念：

高营养级生物吞食低营养级生物蓄积污染物，浓度随营养级数提高而增大。

表达：

BCF

结果：

Cf>Ce

注解：

生物放大并不是在所有条件下都发生

三、生物积累

生物积累的概念：

注意与生物富集的区别----多了食物链这一获取污染物的渠道

表达：

BCF

积累速率：

Ci=Cwi+Cφi

即：

积累浓度=水中摄取浓度+食物链传递的浓度

反映的是在生物积累达到平衡时，生物富集和生物放大的相对贡献

第四节污染物质的生物转化

污染物质在环境中的三大转化途径：

化学转化、光化学转化、生物转化

一、生物转化中的酶

1、酶的成分：

蛋白质，

底物

酶促反应

2、酶催化的特点

专一性高

效率高

外界条件温和

3、酶催化反应类型

氧化还原

转移化学基团

水解

裂解

异构

合成

4、单成分酶和双成分酶

二、若干种重要辅酶

1、FMN和FAD

即：

黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸

是一类氧化还原辅酶，传递氢原子

2、NAD+和NADP+

即：

辅酶I和辅酶II

是一类氧化还原辅酶，传递氢原子

3、辅酶Q（泛醌）CoQ

氧化还原辅酶，传递氢原子

4、细胞色素酶系辅酶

铁卟啉，传递电子

5、辅酶ACoASH，传递酰基

三、生物氧化中的氢传递过程

生物氧化主要是去氢氧化，

1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程

举例：

2、有氧氧化中分子氧为间接受氢体的递氢过程

举例：

3、无氧氧化中底物中间产物作氢受体递氢过程

举例：

4、无氧氧化无机含氧化合物作受氢体递氢过程

举例：

四、耗氧有机污染物质的微生物降解

简介：

生物降解的概念：

有机物质通过生物氧化及其他的生物转化，变成更小更简单的分子

彻底降解，不彻底降解

耗氧有机污染物

1、糖类的微生物降解

糖类的通式：

Cx（H2O）y

分类：

单糖、二糖、多糖

糖类降解总的结果：

有氧条件下：

二氧化碳和水

无氧条件下：

有机酸、醇、二氧化碳

降解过程：

TCA循环（有氧），生成二氧化碳和水

多糖单糖丙酮酸

有机酸、二氧化碳、醇（无氧）

2、脂肪的微生物降解

（1）脂肪水解成脂肪酸和甘油

（2）甘油转化成丙酮酸

（3）脂肪酸的转化

有氧条件下，经ß-氧化，最后进入TCA循环

无氧条件下，转化成为有机酸、醇、二氧化碳

3、蛋白质的微生物降解

（1）蛋白质氨基酸脂肪酸

4、甲烷发酵

五、有毒有机污染物转化类型

1、氧化反应

（1）混合功能氧化酶加氧氧化

C=C环氧化

C羟基化

氧脱烃

硫脱烃、硫氧化及脱硫

N脱烃、氮氧化及脱氮

（2）脱氢氧化

（3）氧化酶氧化

2、还原反应

（1）加氢还原

（2）硝基还原

（3）偶氮还原

（4）脱氯还原

3、水解反应

4、结合反应

（1）葡萄糖醛酸结合

（2）硫酸结合

（3）谷胱甘肽结合

六、有毒有机污染物的微生物降解

先绍以下内容：

生物转化的复杂性

影响因素：

酶的种类

酶的分布

外界影响条件

每种物质的转化途径包含一系列连续反应

转化途径多样、交错

确定一种物质的生物转化，通常需要通过实验进行。

1、烃类

以有氧氧化占绝对优势

（1）正烷烃

末端氧化（即羟基化），其中次末端和双端氧化是次要的两种情况。

正烷烃醇醛脂肪酸TCACO2+H2O

对于甲烷，情况稍有变化，需要有专一微生物。

（2）稀烃

a饱和末端氧化，经与正烷烃相同途径，形成不饱和脂肪酸

b双键环氧化，开环二醇脂肪酸

（3）苯

第一步：

双醇中间产物儿茶酚

第二步：

形成有机酸

第三步：

进入TCA循环形成二氧化碳和水。

能够降解苯及苯系物的菌种的介绍：

小结：

烃类降解的难易顺序

a稀烃>烷烃>芳烃>多环芳烃>脂环烃

b正构烷烃>异构烷烃

c直链烷烃>支链烷烃

d烷基苯>多环化合物>苯

2、农药

（1）苯氧乙酸类

以2，4-D乙脂为例

（2）对硫磷

七、氮及硫的微生物转化

1、氮的微生物转化

（1）环境中氮的形态：

分子氮、有机氮、无机氮

（2）相互转化作用种类：

同化

氨化

硝化

反硝化

固氮

（3）转化过程

2、硫的微生物转化

（1）硫在环境中的形态：

单质硫、无机硫、有机硫

（2）有机硫的微生物降解

（3）硫化

（4）反硫化

八、重金属元素的微生物转化

1、Hg

（1）在环境中的形态：

无机汞、有机汞

（2）毒性：

有机汞>金属汞>无机汞

（3）汞的生物甲基化

在好氧或厌氧条件下,水体底质中某些微生物能使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过程.

涉及的酶:

甲基钴氨素（甲基维生素B12）

甲基化途径的图解:

（4）还原作用（生物去甲基化）

2、As

（1）存在形态:

无机砷,有机砷

（2）毒性

（3）砷的微生物甲基化

（4）去甲基作用

（5）三价与五价之间的转化

九、污染物质的生物转化速率

生物转化速率有两个方面的内容：

一是微生物体外的酶促反应速率，另一个是微生物本身对生物转化速率的贡献。

1、酶促反应的速率

（1）米氏方程

（2）影响酶促反应速率的因素

酸度

温度

抑制剂

2、微生物反应的速率

（1）微生物反应的速率方程

（2）影响反映速率的因素

化学结构

微生物体内的酶

共代谢

环境条件

温度

酸度

养分