书城教材教辅中学理科课程资源-感受化学生活
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第19章 环境与化学(2)

氮氧化物是在内燃机气缸内大部分气体中生成的,氮氧化物的排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。从燃烧过程排放的氮氧化物95%以上可能是一氧化氮NO,其余的是二氧化氮NO2。人受一氧化氮毒害的事例尚未发现,但二氧化氮是一种红棕色呼吸道刺激性气体,气味阈值为0.25mg·m-3,约为空气质量的1.5倍,对人体影响甚大。由于其在水中溶解度低,不易为上呼吸道吸收而深入下呼吸道和肺部,引发支气管炎、肺水肿等疾病。在NO2浓度为9.4 mg·m-3(5ppm)的空气中暴露10分钟,即可造成呼吸系统失调。世界卫生组织环境健康评价组曾做出这样的结论:二氧化氮浓度0.94 mg·m-3是短期暴露引起有害影响的最低水平,0.19~0.32 mg·m-3最长1小时,一个月不能出现多于两次才能确保公共健康。

三、碳氢化合物(HC)

汽车尾气的碳氢化合物来自三种排放源。对一般汽油发动机来说,约60%的碳氢化合物来自内燃机废气排放,20%~25%来自曲轴箱的泄漏,其余的15%~20%来自燃料系统的蒸发。

甲烷是窒息性气体,其嗅觉阈值是142.8 mg·m-3,只有高浓度时才对人体健康造成危害。乙烯、丙烯和乙炔则主要是对植物造成伤害,使路边的树木不能正常生长。苯是无色类似汽油味的气体,可引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头痛、呕吐、失眠、粘膜出血等症状,也可引起血液变化,红血球减少,出现贫血,还可导致白血病。其嗅觉阈值16.29 mg·m-3,对人体健康有影响的阈值34.8 mg·m-3。汽车尾气中还含有多环芳烃,虽然含量很低,但由于多环芳烃含有多种致癌物质(如苯并(α)芘)而引起人们的关注。

HC和NOx在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后,产生一种复杂的光化学反应,生成一种新的污染物——光化学烟雾。1952年12月伦敦发生的光化学烟雾,4天中死亡人数较常年同期约多4000,45岁以上的死亡最多,约为平时的3倍;1岁以下的约为平时的2倍。事件发生的一周中,因支气管炎、冠心病、肺结核和心脏衰弱者死亡分别为事件前一周同类死亡人数的9.3倍、2.4倍、5.5倍和2.8倍。

四、醛(RHCO)

醛是烃类燃烧不完全产生,主要由内燃机废气排放,汽车尾气排放的醛类以甲醛为主,占60%~70%。甲醛是有刺激性的气体,对眼睛有刺激性作用,也会刺激呼吸道,嗅觉阈值为0.06~1.2 mg·m-3,高浓度时会引起咳嗽、胸痛、恶心和呕吐。乙醛属低毒性物质,高浓度时有麻醉作用。丙烯醛是一种辛辣刺激性气体,对眼睛和呼吸道有强烈刺激,可引起支气管细胞损害,嗅觉阈值为0.48~4.1 mg·m-3。

五、含铅颗粒物

汽车尾气排放的含铅颗粒大部分来自内燃机的废气排放。四乙铅(Pb(C2H5)4)是作为抗爆剂加进汽油中的,一般汽油的含铅量在0.08%~0.13%之间,四乙铅燃烧后生成氧化铅排出。铅主要作用于神经系统、造血系统、消化系统和肝、肾等器官;铅能抑制血红蛋白的合成代谢过程,还能直接作用于成熟的红细胞。经由呼吸系统进入人体的铅粒,颗粒较大者能吸附于呼吸道的粘液上,混于痰中而吐出;颗粒较小者,便沉积于肺的深部组织,它们几乎全被吸收。铅在人体内各器官中积累到一定程度,会对人的心脏、肺等造成损害,使人贫血,行为呆傻,智力下降,注意力不集中。根据进入身体的方式,可以有高达60%的摄入总铅量永久留在人体内,成年人血液中混入0.8 mg·mL-1以上称为铅中毒。

铅氧化物不仅对人体有害,它还会吸附在汽车尾气催化净化器的催化剂表面上,对催化剂产生“毒害”,明显地缩短尾气催化净化装置的寿命,是汽车尾气催化净化装置要解决的难题之一。

白色污染

塑料因其质轻、防水、耐用、生产技术成熟、成本低的优点,遂被制成各种制品,在全世界范围内广泛应用。如我们在超市购物时使用的塑料袋、一次性发泡塑料饭盒、我国农业上所用的塑料地膜等等。据统计,早在1998年,我国的塑料消费总量就有约1428万吨。这些塑料制品使用完毕后被投弃入自然,从而造成了极大的危害。

我国目前使用的塑料制品一般是不可降解的。由于废农膜、塑料袋在农田中的长期残留,使土壤的透气性、水分的流动性都受到了影响,不利于农作物对水分、养分的吸收,从而抑制了农作物的生长发育,造成农作物的减产。若塑料膜被动物误食,则会引起动物的消化道疾病,甚至死亡。

填埋作业是目前我国处理城市垃圾的一个主要方法。但由于塑料密度小、体积大的特点,它需要占用大量的填埋场地;而且,填埋后的场地地基松软,也给垃圾中的细菌、病毒等以有利之际,这些有害物质很容易渗入地下,污染地下水,危及周围环境。

焚烧塑料时,不但会产生大量黑烟,而且产生一种毒性很强的物质——二恶英。二恶英进入土壤中,至少需15个月才能逐渐分解,它会危害植物及农作物;二恶英对动物的肝脏及脑有严重的损害作用。焚烧垃圾排放出的二恶英对环境的污染,已经成为全世界关注的一个极敏感的问题。

因此,我们必须加强自己的环保意识,这是解决白色污染及其他各种形式污染的前提。例如,要杜绝使用一次性餐具及塑料袋;实行垃圾分装制度,以便回收再利用;同时开发利用可降解塑料也是拯救环境的一个有力手段。

重金属污染

在日常生活当中,金属时时与我们相伴;我们做饭用的勺子,电饭锅,铲子等等都是由金属材料制成。我们家中用的热水器,防盗门,合金窗户等,还有航空航天、工业制造等方面,可以说金属渗透到我们生活的每一个角落。为我们的生活、学习、工作带来了很大的帮助。同时随着社会的进步与人类的发展,金属的用途会更加广泛。另一方面随着全球经济的迅猛发展,人类之手疯狂的伸向自然界,自身的发展与工业的发达造成了今天严重的环境污染,其中我们“可爱的”重金属一族成了人类可怕的一角。因为重金属的污染问题空前严重,成为全世界人民不可忽视的话题。

重金属是构成地壳的元素,在自然界的分布非常广泛,在地壳中的含量虽低于0.l%,但广泛存在于各种矿物和岩石中,经过岩石风化,火山喷发,大气降尘,水流冲刷和生物摄取等过程,构成重金属元素在自然环境中的迁移循环,使重金属元素遍布于土壤、大气、水体和生物体中,与人工合成的化合物不同,它们在环境的各个部分都存在着一定的本底含量。

重金属作为有色金属,在人类的生产和生活方面早就得到广泛应用,这使得环境中存在着各种各样的重金属污染源,由于人为活动使环境中某些金属积累,改变环境的本底浓度。采矿和冶炼是向环境中释放重金属最重要的污染源。向环境中排放大量废气、废水和废渣的重金属工业企业不计其数,其次是化石燃料(煤、石油)的燃烧也是重金属的主要释放污染源。在局部地区甚至可能出现高浓度重金属严重污染。

重金属大多属于周期表中的过渡元素。过渡元素的原子在化学反应时,不光外层电子参与,次外层、外数第二层电子也可以参与,因此,过渡元素一般都具有多种价态,能在较大范围内发生电子得失的氧化还原反应。在天然水体中,有富氧的氧化性环境和缺氧的还原性环境,就使得重金属在不同的水体环境中可能以不同的价态存在,重金属的价态不同,其活性和毒性效应也就不同。

重金属在水环境中可以经过水解反应生成氢氧化物,也可与一些无机酸(如H2S、H2CO3)反应,生成硫化物、碳酸盐等,而这些化合物的溶解度都比较小,易生成难溶的沉淀物。这一特性使重金属污染物在水体中容易沉积、扩散范围有限,这是有利的一面。但是大量聚积于排污口附近底泥中的重金属污染物,将成为长期的次生污染源,一旦环境条件改变,会重新形成可溶性物质而释放到水体中,这显然对水体污染防治来说是一个值得引起注意的问题。

重金属具有潜在危害性。重金属可以通过多种途径(食物、饮水、呼吸、皮肤接触等)进入人体,还可以通过遗传和母乳侵入人体。重金属不仅不能被降解,反而能通过食物链在生物体或人体内富集。与生物体内的生物大分子如蛋白质、酶、核糖核酸等发生强烈相互作用,造成急性或慢性中毒,危害生命。

重金属在工厂、矿山生产过程中随废水排出,进入水体后不能被微生物降解。经食物链富集,能逐级在较高级生物体内千百倍地增加含量,最终进入人体。1955-1972年日本富士山县神通川蜮,日本三人金属矿业公司锌铝冶炼厂排放含镉废水,污染神通川。两岸居民和矿工使用含镉废水,并用河水灌溉农田,使粮食中重金属含量增高。1955年后,当地出现怪病,患者腰、膝关节疼痛,随后遍及全身,最后骨骼萎缩,饮水不进,在衰弱中疼痛而死亡。

所谓重金属污染主要是指的汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属。重金属在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用,使它们失去活性,也可能在人体的某些器官中累积,如果超过人体所能耐受的限度,会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等危害,严重的可以导致死亡。

一、铅(Pb)

重金属元素铅位于元素周期表的第四主族,第六周期。约占地壳质量的1.6×10-5,排在元素含量的第35位。铅容易富集形成硫化铅矿PbS,即方铅矿,其他的还有白铅矿PbCO3和硫酸铅PbSO4。此外,铅还存在于各种铀矿和钍矿中,许多天然放射性元素如铀、钍、镭、锕、钫、砹、钋等最终都要蜕变成稳定的铅。天然铅有四种稳定同位素:铅204、206、207和208,还有20多种放射性同位素。

铅是带蓝色的银白色重金属,熔点601K,沸点2013K,密度很大,为11.35g·cm-3,莫氏硬度为1.5,质软,强度不高。铅的层性相当好,可以轧成极薄的铅箔。但铅的延展性并不好,用拉伸法制铅丝,只能伸到直径大于1.6mm,再细的铅丝只能用挤压法生产了。铅还有一个独特的长处,就是具有极高的锻接性能,新切开的铅表面在室温下用不太高的压力,就能迅速地锻接在一起。所以用它来做绝缘电缆的包皮,操作简单方便,效果还好。

1.铅的化学性质。铅是两性金属元素,它的主要氧化数为2和4。

(1)室温下,铅即与空气中的氧、水和二氧化碳作用,表面生成一层致密的碱式碳酸铅的保护膜而失去金属光泽。

4Pb+2O2+2CO2+2H2O 2PbCO3·Pb(OH)2↓(2)加热时,铅能与氧、硫、卤素等非金属直接反应生成氧化物、硫化物和卤化物。

2Pb+O22PbO

Pb+SPbS

Pb+X2PbX2(X=F,Cl,Br,I)

(3)在空气存在下,铅能与水缓慢反应生成氢氧化铅:2Pb+O2+2H2O2Pb(OH)2

(4)铅与酸反应都生成Pb(Ⅱ)化合物。

①铅与稀盐酸或稀硫酸作用,因生成难溶的PbCl2和PbSO4而使反应终止:Pb+2HClPbCl2↓+H2↑

(白色)

Pb+H2SO4 PbSO4↓+H2↑

(白色)

②铅溶于热的浓盐酸或浓硫酸:

Pb+3HClH\[PbCl3\]+H2↑Pb+3H2SO4Pb(HSO4)2+SO2↑+2H2O③铅不与浓硝酸作用,与稀硝酸反应生成可溶的硝酸铅:3Pb+8HNO3 3Pb(NO3)2+2NO↑+4H2O④在有氧存在的条件下,铅可溶于醋酸,生成易溶的醋酸铅,这就是醋酸从含铅矿石浸取铅的原理:2Pb+O2+2H2O 2Pb(OH)2

2Pb(OH)2+2HAcPb(Ac)2+2H2OPb(Ac)2是一个假盐,因为在水溶液中它不能像其他的盐一样有单独的Pb2+和Ac-离子,它是Ac-离子与Pb2+生成的配合物:H3CCOOPbOCOCH3。

⑤在强碱溶液中,铅能缓慢溶解,生成亚铅酸盐:Pb+2NaOH Na2PbO2+H2↑或写成Pb+NaOH+2H2O Na\[Pb(OH)3\]+H2↑2.铅的制备方法。工业冶炼铅的过程是先把矿石煅烧,使硫化铅变成一氧化铅:2PbS+3O22PbO+2SO2。

再用焦炭还原PbO,即可得粗铅:

PbO+CPb+CO

用废铁还原PbS矿也可得粗铅:

PbS+Fe Pb+FeS

粗铅通过电解可得纯铅

3.铅的应用与毒性。铅主要用于制造蓄电池中的多孔极板和合金。铅、锡和锑合金可铸铅字,利用锑有热缩冷胀的特点,铸出的铅字特别清晰。铅、锡合金可做焊锡,在电子、电器等行业大显身手。铅还是放射性的防护材料,连X-射线,γ-射线等都不能穿透它,所以在使用X-射线,γ-射线以及原子能工业都离不开铅。

铅在为人类服务的同时,也给人类带来许多麻烦,它污染人类的生活环境,危害人们的健康。

铅是一种积累性毒物,它很容易被胃肠吸收,其中一部分破坏血液使红血球分解,一部分通过血液扩散到全身器官和组织,并进入骨骼。

沉积在内脏器官及骨髓中的铅化合物从体内排出的速度极慢,逐渐形成慢性中毒。慢性中毒最初只是疲倦,食欲不振,体重减轻。严重时呕吐、腹泻,并出现末梢神经障碍,造成桡骨神经麻痹及手指震颤症。再严重时导致铅毒性脑病,有机铅急性中毒会神经错乱,因急性脑病而死亡。

现在,人们正在用无铅汽油代替含铅汽油,并且研究开发新的能源来减少以至消除铅对环境的污染。

随着都市化、工业化的发展,环境污染程度日益严重,其中铅是最主要的污染源。例如,超标农药的运用,加重了土壤对农作物、植物中铅污染;含铅汽油燃烧后,有85%的铅排放入大气中;房间内墙壁、家具、玩具上的油漆可散发出含铅气体;一些化妆品、染发剂、电池、釉彩碗碟、含铅铝煲等日用品也含铅;家庭烧火用的燃煤可产生铅;食品生产加工过程中机械、容器、管道都含铅,典型的如含铅生铁铸成的炉膛制作爆米花,含铅原料制成的皮蛋;自来水管有些用铅制成,水中的铅含量虽然不高,但其生物利用度往往较高。

热水龙头放出的水,较冷水龙头含铅量高。这些铅毒,通过皮肤、消化道、呼吸道进入体内与多种器官亲和,对神经、血液、消化、心脑血管、泌尿等多个系统造成损害,严重影响体内新陈代谢。它堵塞金属离子代谢通道,造成低钙、低锌、低铁,且导致补充困难。体内的铅靠自身排除是很慢的,在不继续接受铅污染的条件下,骨骼内的铅要经过20年才能排除一半。因此铅中毒损害机体器官是终身的,不可逆的。

4.铅污染的来源。