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1、主题一 空气一、空气人类赖以生存的物质【背景介绍】化学作为一门自然科学，所研究的领域与人的日常生产和生活所接触的物质密切相关。在学生的化学学习中，自然就要关注和探究生产和生活中的常见问题。空气是人类接触最直接也是最多的化学物质，学生的学习活动也往往从对空气的探究开始。空气是地球上生命体的基石，离开空气，地球上的一切生命活动将停止。一方面，动植物需要空气进行生命活动。人（动物）通过呼吸空气来维持生命，一个成年人每天呼吸大约在2万次左右，吸入空气量约1万立方米，大约14千克，这个数值为人饮水量的10倍。人可以5天不饮水，一周多不吃饭，但没有空气，5分钟就会因为窒息而死亡。同时，植物需要空气进行光合
2、作用。另一方面，空气还是重要的资源。人们在进行现代化生产过程中的许多原材料需要从空气中获得。【基本素材】1空气的组成成分对于空气里有什么，人类经历了数百年的探索，许多科学家为之付出了艰苦的努力。现在人们已经知道空气是多种气体组成的混合物，它的组分可以分为恒定组分、可变组分和不定组分3类，如图11所示。空气这种相对稳定的组成并不是一开始就有的，而是长期演化的结果。自从地球诞生以来，空气从无到有，各种成分和含量逐渐变化，经历了漫长的衍变过程，直到近十几亿年才稳定到目前的状态。空气中各成分参与自然界中诸如生物生死腐败、岩石风化。雨雪雷电等各种变化，不断地被消耗和生成。这种循环平衡的建立，维持了其主要
3、成分含量的相对稳定，提供了人和动物得以生存的适宜环境。根据科学家的研究，地球已经有大约46亿年的历史了，在距现在约25亿年前的某个时期，原始海洋中突然出现了一种名为蓝绿藻的低等生物，它的大量繁殖和所具备的光合作用能力开始给地球的大气输送氧气，但是所产生的氧气一直被大气中的还原性气体和海底存在的大量金属铁“无情地”消耗着，使大气中氧的浓度只能长期地维持在 1左右。直到距今约17亿年时，源源不断的氧气终于战胜了来源日益枯竭的各种还原性物质的“抵抗”，浓度突升至 20左右，后来便长期稳定在目前的水平上。2自然界中的氧循环由于氧在自然界中含量丰富，分布广泛，而且性质活泼，环境中处处有氧（游离态或化合态
4、），所以氧在自然界中的循环很复杂，在后面述及的碳循环及氮循环中都包含有一部分氧循环。 图l2是氧在自然界中的主要循环途径。光合作用是实现自然界中氧循环的主要途径。在光合过程中，叶绿素受到太阳光的照射吸收能量，分解水分子弟兵；水分解产生的氢与碳及其他化合物化合而产生糖，同时，把氧释放到大气中 叶绿素(光)6CO26H2O -C6H12O66O2，动物通过呼吸作用，吸进氧气用排出二氧化碳，产生了可供生命利用的能量。因此，在光合作用开始时吸进的水和碳，最后又被放了出来；而光合作用放出来的氧，又通过呼吸作用重新吸收回去。这是地球上简单的、基本的氧的循环。这样的循环是地球上维持全部动植物生命的一个基本源
5、泉。3自然界中的氮循环在自然界中，氮元素的循环几乎涉及到生物圈的全部领域（见图13）。氮被固定后经植物吸收储存在植物体内，动物以植物为食而获得氮并转化为动物蛋白质。动植物死亡后的遗骸中的蛋白质被微生物分解成NH4+、NO3-和 NH3，又回到土壤和水体中，被植物再次吸收利用。应当指出，无论是氧循环、氮循环，还是后面要谈到的碳循环，参与循环的物质仅是该物质总储量的很少部分，大部分则存留于各自的“储库”之中。海洋和岩石是氧的总储库，大气是氮的总储库。因为参与循环的物质的量极少，所以各种物质总体循环一周所需要的时间很长，且根据各类物质总储量的不同，循环周期的长短差别很大。二、主要的空气污染物及其危害
6、【背景资料】各种生命体都在与外界环境不停地进行着气体交换，以维持其新陈代谢活动。在正常情况下，空气是洁净的，即使有一些自然活动如火山爆发，自然界也会在较短的时间内通过本身的循环而除去这些活动造成的污染。然而由于人类的活动，特别是现代工业的发展，人为向空气中排放的污染物越来越多，种类也越来越复杂，大大超过自然界本身的净化能力，从而导致空气成分的变化，以致对人类和其他生物以及一些建筑设施产生了不良的影响。自20世纪60年代以来，这一问题已越来越受到人们的重视。了解、认识这些污染物的种类和来源，是减少人为排放、消灭污染的先决条件。【基本素材】空气污染物的种类非常多，有百余种，如 CO，CO2，烃类，
7、氮氧化物（NOx），SO2，浮尘等，表13列出了一些常见的空气污染物的成分、危害和来源。据我国环境质量报告书和世界资源报告提供的数据，我国是燃煤大国，煤燃烧后产生的颗粒物石O2和 NOx污染严重。这些污染物给人们的生产和生活带来诸多危害，也是导致全球气候变化。烟雾事件、臭氧层破坏等重大环境问题的重要因素。许多城市的空气污染主要来源于可吸入颗粒、SO2和NOx。1可吸入颗粒化学物质对空气的污染，按照其体积大小可分为3类：（1）基本粒子主要是单个分子、离子或原子，包括CO、NOx、CO2、SO2等一些气体分子和具有放射性危害的元素氡。（2）化学气溶胶体每个颗粒由10121013个原子、离子或分子组
8、成，大小一般在0.00110m之间，化学气溶胶体和悬浮颗粒物是硫化物、氮氧化物以及其他污染物的负载体。化学气溶胶体表面积比较大，能够吸附有毒气体并为它们发生化学反应提供场所。悬浮颗粒物的直径大小在 110m之间，一般肉眼可以看得到，它也能吸附有毒的气体。（3）悬浮颗粒物在可吸人颗粒物中，直径小于 10m的污染颗粒物可通过呼吸作用侵入人的上呼吸道；当其直径小于2.5 m时，污染物可进入人的下呼吸道，有时甚至穿过肺泡进入血液。目前，在我国监测的300余个城市中，首要污染物就是颗粒物，而其中直径小于2.5 m的细微颗粒物，则是解决空气污染问题的难点。目前许多人以为天蓝就是空气质量好，其实这是一种误解
9、。天蓝只能说明肉眼可见的粗颗粒少，能见度高。相反，如果将粗颗粒转化为细微颗粒物排入空气中，危害将更为严重。大气中的可吸入颗粒物对人类健康和生态环境有很大影响。对其中直径小于2.5 m的细微颗粒物的研究表明，它们将会增加重病及慢性病患者的死亡率、促使呼吸系统及心脏系统疾病恶化。改变肺功能及结构、改变免疫结构等。矿物燃料燃烧产生微细颗粒，汽车尾气、火力发电厂和其他工厂也要产生大量的细微颗粒。这些微粒包括O3，CO，SO2和NOx等，人们普遍认为这些物质对人体危害极大。近年来，许多国家都将可吸入颗粒物的研究，特别是直径小于2.5m的细微颗粒物的物理化学行为、形成与污染机制、控制技术，以及对人体健康的
10、影响等，作为环境科学研究的重点。2二氧化硫空气中的SO2除少部分来源于火山喷发外，绝大部分都是由于人类生产生活造成的。我国目前的燃料主要以煤为主，其中火力发电对空气质量影响非常大。一个100万千瓦的发电厂每年要释放 600吨 SO2。一座 2000兆的大型现代化火电站每年产生的SO2大约相当于一座100万人口的工业城市产生的数量。许多煤都含有12的硫（以单质、黄铁矿、有机硫化物形态存在）。根据接触史、呼吸系统受损的临床表现，以及现场劳动卫生学调查，可明确诊断 SO2对人体的危害，表 14列出了 GB163751996（职业性急性二氧化硫中毒诊断标准及处理原则）所规定诊断标准。SO2漂浮在空气中
11、，在粉尘的作用下会被氧化为SO3，当SO3的量较多时降水的酸度就会明显增大，从而形成酸雨。为了控制空气中SO2的含量，我国制定了一系列的政策和法规，要求：禁止新建煤层含硫量大于3的矿井；已建成的生产煤层含硫量大于3的矿井，逐步实行限产和关停；新建、改造含硫量大于1.5的煤矿，应当建设煤炭洗选设施；禁止在大中城市城区及近郊区新建燃煤火电厂；现有燃煤含硫量大于1的电厂要在 2010年前分期分批建成脱硫设施或其他具有相应效果的措施；并从制定规划、强化监督管理、推行SO2污染防治技术和经济政策、完善酸雨和SO2监测网络、开展科技研究、积极进行宣传培训等方面，提出具体计划，以实现控制目标。 3氮氧化物
12、N2是空气中含量最多的气体，性质比较稳定，但在一定条件下以与O2反应生成氮氧化物（NOx）。这些化合物对空气产生较大的污染作用。氮的氧化物气体有 NO，NO2，N2O3，N2O4，N2O，N2O5等。其中，对空气质量影响比较大的是 NO和 NO2。 NOx的产生一般有以下3种途径： 在高温燃烧过程中，空气中的N2与O2反应而生成NOx； 某些燃料中含有氮的化合物，在燃烧过程中被氧化而产生NOx； 碳氢化合物燃烧时若浓度过高，NOx也伴随生成。空气中的 N2和O2能化合生成大量的NO和少量的NO2，NO随后迅速氧化成红棕色的 NO2。其毒性比 NO和 SO2都强，不但对动物的呼吸组织有着强烈的损
13、害作用，对心脏、肝脏、肾脏以及造血组织都有着破坏作用。化肥厂的高烟筒往往冒着浓浓的黄色烟雾，翻滚着冲向天空，它主要含有高浓度的NOx。NO2能引起急性哮喘。日本当年发生的“横滨哮喘病”，NO2就是肇事者。“二战”后的1946年，驻扎在横滨地区的美国军人及其家属，在秋冬季节好多人早晨起床后表现猛烈咳嗽、气喘和呼吸困难症状。经认真研究后，认为是NOx污染空气造成的。当空气中NO2的平均浓度24小时都在0.06mLm3以上时，人的健康就会受到危害。而世界上许多大城市，NO2浓度都超过这一数值。 NO2也是一种腐蚀剂，它能使各种织物褪色，损坏棉纺织品及尼龙织物，损伤植物。NOx能与空气中的碳氧化合物在
14、阳光的作用下形成光化学烟雾，危害更大，NO2还是酸雨的成因之一。实际上，氮氧化物对环境的影响还有很多，例如，对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化的影响，大气能见度的降低，地表水的酸化，富营养化，以及增加水体中对鱼类和其他水生生物有害的毒素含量等。为了改善空气的质量，需要采取各种手段降低氮氧化物的含量。首先要降低燃料中氮的含量，进行脱氮处理。其次，改变燃料的燃烧方式，降低烟中氮氧化物的含量。另外，科学家们研究并提出让 NOx变成肥料的方法，让 SO2和 NOx变成(NH4)2SO4和NH4NO3，用在农业生产上。 三、空气质量的衡量标准各种媒体每天都要向我们预告天气的风霜雨雪和冷暖，如今，一种
15、新的预报空气质量预报，开始成为一些媒体的日常工作。中央电视台每天预报十几个大城市的空气质量，许多城市的各种媒体也适时播报当地的空气质量。有些城市在市中心设置了电子屏幕，时刻显示空气质量。人们像关心天气一样，开始关注每天呼吸的空气质量。【基本素材】1空气质量标准为了控制空气中各有害物质的含量，创造一个好的生存环境，需要制定相应的环境标准对空气污染进行监控。所谓环境标准，是指人类和生物维持生存所必须的环境条件。一般是制定各种有害物质在环境中的最高允许浓度。表l5列出了GB30951996中规定的有关环境空气质量的一些标准：随着对空气质量预报工作的深入研究，以及检测技术水平的提高，各地还可根据本地区的特点，增加其他一些污染项目以及重新规定各污染物的标准，使之能更全面、准确地反映当地的空气质量和污染状况。2空气污染指数我国的空气质量采用了空气污染指数进行评价。空气污染指数是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响，来确定污染指数的分级及相应的污染物浓度值。我国目前采用的空气污染指数（API）分为五个等级：API值小于等于50，说明空气质量为优，相当于国家空气质量一级标准，符合自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护地区的空气质量要求；API值大于50且小于等于 100，表明空气质量良好，相当于达到国家质量二级标准
