IB 化学/环境化学

E2 酸沉降

E.2.1 说明“酸沉降”一词的含义并概述其来源。

酸沉降是指酸性颗粒物、气体和降水离开大气层的过程。由于溶解了 CO₂，雨水天生呈酸性，pH 值约为 5.6，但酸雨的 pH 值低于 5.6，是由硫和氮的氧化物造成的。这些氧化物与雨水反应生成酸

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

2NO₂ + 2H₂O → 2HNO₃ + H₂

SO₂ + H₂O → H₂SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

E.2.2 讨论酸沉降对环境的影响以及可能的中和方法。

酸沉降的一些影响包括

• 从土壤中淋溶掉重要的营养物质，例如 Ca²⁺、Mg²⁺ 和 K⁺，这会导致叶绿素减少，从而降低光合作用的能力。

• 可能杀死湖泊和河流中的水生生物，而硝酸盐会导致富营养化。

• 侵蚀含有碳酸钙（例如大理石）的石头。

• 刺激粘膜，增加患哮喘、支气管炎和肺气肿等呼吸系统疾病的风险。

可以通过以下方法降低硫和氮氧化物的排放量来抵消酸沉降的影响

• 改进发动机设计

• 催化转化器

• 在使用含硫燃料之前、期间和之后去除硫

还包括减少燃料燃烧量、使用替代能源方法和使用公共交通工具。此外，可以使用 CaCO₃ 和 CaO 等碱性洗涤器去除氧化物。

向湖泊中添加 CaO 或 CaOH 可以中和酸性，增加钙离子含量，并使溶液中的铝沉淀。

E3 温室效应

E.3.1 描述温室效应。

温室气体允许入射的太阳短波辐射通过，但吸收来自地球的长波辐射。一些吸收的再辐射被重新辐射回地球。

E.3.2 列出主要温室气体及其来源，并讨论它们的相对影响。

气体	来源	与CO2相比的热量捕获	对全球变暖的贡献
CH4	厌氧腐烂 白蚁 稻田 石油和天然气生产	30倍	18%
H2O	蒸发 碳氢化合物的燃烧	0.1倍	>1%
CO2	化石燃料、生物质的燃烧 动植物的腐烂 土壤氧化 森林火灾 内燃机	1倍	50%
N2O	细菌作用 化肥	150倍	6%
O3	二次污染物烟雾	2000倍	12%
CFCs	制冷剂 推进剂	2500-10000倍	14%

E.3.3 讨论温室气体增加对大气层的影响

温室气体增加会导致地球的自然温室效应增强，从而导致全球变暖。随着温度升高，极地冰盖可能会融化，导致海洋扩张。此外，全球变暖可能会导致温度和降水量的波动，从而导致作物生产的变化。

E4 臭氧层损耗

E.4.1 描述平流层中臭氧的形成和耗竭过程。

臭氧层位于地球表面以上 12 公里到 50 公里的平流层中。平流层臭氧与氧气处于动态平衡，不断形成和分解。

形成

O₂ + UV → 2O◦

O₂ + O◦ → O₃

耗竭

O₃ + UV → O₂ + O◦

O₃ + O◦ → 2O₂

E.4.2 列出消耗臭氧层的污染物及其来源。

过去，氯氟烃被用作制冷剂、推进剂和清洁溶剂。不幸的是，这些分子会破坏臭氧层。

引发

CF₂Cl₂ + UV → Cl◦ + CF₂Cl◦

传播

Cl◦ + O₃ → ClO◦ + O₂

ClO◦ + O◦ → O₂ + Cl◦

终止

ClO◦ + ClO◦ → 2Cl◦ + O₂

这样，CFC 就起到了催化剂的作用——破坏现有的 O₃，阻止 O₃ 的形成，而不会被消耗。 NO_x 也能与 O₃ 发生催化反应。

NO + O₃ → NO₂ + O₂

NO₂ + O◦ → NO + O₂

净效应： O₃ + O◦ → 2O₂

NO₂ + UV → NO + O◦

O₃ + O◦ → 2O₂

E.4.3 讨论 CFC 的替代品及其性质。

一些选择包括 HCFC（氢氯氟烃）、HFC（氢氟烃）和其他不含氯的碳氢化合物。例如：三氟甲烷、1,1,1,2-四氟乙烷和 2-甲基丙烷。通过用氟原子取代一些氯原子，需要更多的能量来断裂键，从而减少了自由基的形成。

E5 水中的溶解氧

E.5.1 概述生化需氧量（BOD）作为衡量水中需氧废物的指标。

BOD 是衡量水体中所有有机废物和氨在 20 ⁰C 下经过 5 天生物分解所需溶解氧（以百万分率计）的指标。这些废物需要氧气才能分解。

E.5.2 区分水中无机物的有氧分解和无氧分解。

如果水中存在足够的氧气，微生物会以有氧方式分解有机物。这会使 C、N、P、S 和 H 氧化，生成 CO₂、NO₃-、PO3−4、SO2−4 和 H₂O。

如果水中存在不足的氧气，微生物会以不需要氧气的方式分解有机物。它们会将 C、N、S 和 P 分解成 CH4、NH3、H2S 和 PH3。

元素	有氧产物	无氧产物
C	CO2	CH4
N	NO3-	NH3
P	PO3−4	PH3
S	SO2−4	H2S

E.5.3 描述富营养化的过程及其影响。

化肥中的硝酸盐和洗涤剂中的磷酸盐会积聚在湖泊和河流中。这些营养物质会促进植物和藻类的生长。这会影响BOD，因为如果植物生长过快，而溶解氧 (DO)不足以通过有氧分解来分解所有有机物和废物，则会发生无氧分解。更多物种将因无氧腐烂而死亡。湖泊将变得停滞，失去生命。

富营养化

E.5.4 描述水体中热污染的来源和影响。

如果水被加热，氧气在水中的溶解度就会降低。同时，鱼是冷血动物，因此随着水温升高，它们的代谢也会增加。这形成了一个困境，因为随着BOD增加，DO减少。这一过程有助于导致赤潮。

E6 水处理

E.6.1 列出废水中发现的主要污染物并确定其来源。

废水中含有漂浮、悬浮和胶体有机物，溶解的离子，以及各种微生物和细菌，以及杂物、垃圾、油脂和其他化学物质。

杀虫剂：滴滴涕、除草剂、百草枯、杀菌剂

二恶英：有机氯化合物未在足够高的温度下焚烧时形成。毒性很大，会在肝脏中积累。

多氯联苯 (PCB)：用于变压器和电容器。会持续存在于环境中，会在肝脏中积累，也是致癌物质。

硝酸盐：来自化肥或酸雨。高浓度时有毒，尤其是对婴儿，因为婴儿的胃酸比成人少，会导致蓝婴综合症。

重金属：镉 (Cd)（来自充电电池）、汞 (Hg)（来自电池）、铜 (Cu)（来自家用管道）、铅 (Pb)

E.6.2 概述废水处理的一级、二级和三级处理阶段，并说明每个阶段去除的物质。

一级处理：去除大型固体

一级处理可去除60%的固体物质和三分之一的BOD废物。然而，之后水仍然不安全饮用。

一级处理涉及以以下顺序将水通过以下机制进行处理：

1. 格栅：去除水体表面的大型物体和碎片，并去除漂浮固体。

2. 沉淀池：用于从水中沉淀出沙子、污垢和小物体（因为它们会沉到底部）；这些颗粒随后被送往垃圾填埋场。

3. 沉淀池：明矾 (Ca(OH)₂ 和 Al₂(SO₄)₃) 沉淀出来，并带走固体悬浮颗粒（此过程称为絮凝）。

二级处理：使用微生物去除有机物质

• 活性污泥法
  • 将空气鼓入已与含有细菌的污泥混合的污水中。
  • 好氧细菌氧化污水中的有机物。
  • 含有分解悬浮颗粒的水通过沉淀池，在那里收集活性污泥。
  • 部分污泥被回收，部分被送往垃圾填埋场。
  • 此方法可去除90%的有机需氧废物、50%的氮和30%的磷酸盐。
• 然后用氯或臭氧处理出水，以杀死病原菌，然后再将水排放到湖泊或河流中。
• 其他方法包括使用碳床去除剩余的有机物，离子交换去除许多可溶性离子，反渗透和电渗析。

三级处理：去除剩余的有机物、营养物质和有毒重金属离子

• 重金属离子与磷酸盐通过沉淀去除，例如镍

Ni2+(aq) + OH_(aq)- → Ni(OH)_{2 (s)}

• 硫酸铝和磷酸盐通过沉淀去除

Al3+(aq) + PO3−4 (aq) → AlPO_{4 (s)}

Al3+(aq) + SO2−4 (aq) → Al₂(SO₄)_{3 (s)}

• 硫酸铝和氧化钙可用于去除磷酸盐

3CaO_(aq) + 2PO3−4 (aq) + 3H₂O → Ca₃(PO₄)_{2 (s)} + 6OH_(aq)-

• 重金属在氢氧化物存在下会沉淀。

Cr3+(aq) + 3OH_(aq)- → Cr(OH)_{3 (s)}

• 硝酸盐更难通过沉淀去除，因为它们溶解度很高，但有一些方法可以去除它们。
  • 厌氧反硝化细菌可以将硝酸盐还原为氮气。

2NO2−3 (aq) → N_{2 (g)} + 3O_{2 (g)}

• 另一种方法是将它们送入藻类池塘，在那里藻类将硝酸盐作为营养物质。

E.6.3 评估使用多级蒸馏法和反渗透法从海水获得淡水的过程。

还有一些其他的处理方法，例如蒸馏。在蒸馏中，海水被泵入一个储层，然后被加热。蒸发出来的纯水会冷凝在被泵入的冷水中，留下盐水，然后被泵出。

另一种常用的方法是反渗透系统。在这种系统中，有一个半透膜，水被泵入其中，这与正常的渗透系统相反（在正常的渗透系统中，水会从低浓度流向高浓度）。

E7 土壤

E.7.1 讨论盐碱化、养分枯竭和土壤污染作为土壤退化的原因。

土壤是无机和有机物质的复杂混合物，包括生物体。土壤退化降低了作物产量，它是由多种人为因素造成的，包括：酸化、盐碱化、污染、荒漠化、侵蚀。

我们关注以下因素

• 盐碱化：持续灌溉土壤的结果；在排水不良的土壤中，水蒸发后，盐分会残留下来，植物无法从盐碱土壤中吸收水分而死亡。

• 养分枯竭：植物在生长过程中从土壤中吸收养分和矿物质。如果没有通过轮作或施肥等方式对土壤进行适当管理，养分将会枯竭。

• 土壤退化：由不当使用农药和过度施肥造成；化学物质会破坏食物网，降低土壤生物多样性，最终破坏土壤。

E.7.2 描述土壤有机质 (SOM) 在防止土壤退化中的作用，并概述其物理和生物功能。

SOM 指土壤中的有机成分。这包括植物和动物组织、部分分解产物和土壤生物量。从植物分解中发现的 SOM 中的化学物质是高分子量有机物，例如多糖、蛋白质、糖和氨基酸。分解的最终产物是腐殖质。腐殖质是植物赖以生存的有机分解层。它包含来自植物、动物或微生物来源的简单和更复杂的有机化学物质的混合物。

SOM 如何防止土壤退化

• 帮助土壤保持水分，深色有助于保持热量并在春季温暖土壤。
• 包含它与植物交换的矿物质营养素（在根部）。
• 它改善了土壤结构
• 它减少了土壤侵蚀。

SOM 的生物功能

• 腐殖质为土壤提供营养来源（例如 N、P 和 S）。氮提供蛋白质，磷提供酶，硫提供氨基酸。

SOM 的物理功能

• SOM 可以保留其质量数倍的水（像海绵一样）。因此，更多的 SOM 意味着更多的水，使土壤更稳定。

从化学上讲，SOM 像粘土一样具有阳离子交换容量 (CEC)：它包含能够使其结合到营养阳离子的活性位点。腐殖质还具有通过充当缓冲剂来维持恒定 pH 的能力。

E.7.3 列出常见的土壤有机污染物及其来源

以下是常见土壤污染物及其主要来源列表

• 农用化学品：来自杀虫剂、除草剂和杀真菌剂。
• 多环芳烃：来自煤、石油、天然气、木材和垃圾的不完全燃烧。
• 多氯联苯 (PCB)：来自变压器和发电机（它们用作冷却剂）。
• 有机锡化合物：来自杀菌剂和杀真菌剂（用于纸张、木材、纺织品和防污漆）。
• 碳氢化合物和其他挥发性有机化合物：来自运输、溶剂和工业过程。

E8 废物

E.8.1 概述和比较各种废物处理方法。

处理方法 | 优点 (+) | 缺点 (-)

垃圾填埋 | (+)便宜，填埋后留下了大量的土地可以重新利用 | (-)渗入土壤和地下水；需要时间沉降，沼气需要维护

露天倾倒 | (+)极其便宜，方便 | (-)难看；造成疾病、气味、地下水污染

海洋倾倒 | (+)便宜，方便 | (-)海洋中有毒，对鱼类有害，污染海洋

焚化 | (+)提供能源来源，占地面积小，残渣稳定 | (-)造成空气污染

回收利用 | (+)生产新的原材料，创造可持续的环境 | (-)昂贵，仍然会造成一些空气污染

E.8.2 描述金属、玻璃、塑料和纸张产品的回收过程，并概述其益处。

回收利用对金属、玻璃、塑料和纸张有三个主要益处。它们是

• 节约原材料
• 节约能源（因为生产新材料需要能量）
• 节约空间（在垃圾填埋场）

此外，玻璃和金属可以无限循环回收（一次又一次），而材料不会发生太多降解。

每种材料的回收过程如下

• 金属：分类（通过磁铁或浮选）--> 熔化 --> 重新铸造 --> 重新使用。
• 玻璃：分类（颜色）--> 洗涤 --> 粉碎 --> 重新铸造 --> 重新使用。
• 塑料：分类 --> 降解为单体（通过热解、加氢、气化和热裂解）--> 重新聚合 --> 重新使用。
• 纸张：与水和化学品混合（形成纸浆）--> 旋转纸浆（去除订书钉/回形针）--> 洗涤以去除墨水 --> 烘干和漂白 --> 重新使用。

E.8.3 描述不同类型放射性废物的特征和来源。

低级废物包括在处理放射性物质的区域使用的任何手套、纸巾或防护服。活性水平低，半衰期短。这种废物通常来自医院，因为它们进行癌症治疗，并且包括与放射性物质接触的任何物品。

高级废物是由核电站和军队产生的。它显示出高水平的活性，并且通常同位素具有很长的半衰期。高级废物还来自燃料棒或乏燃料的再处理（电力公司、军队）

E.8.4 比较不同类型放射性废物的储存和处置方法。

核衰变过程会产生热量和能量。低水平放射性废物储存在冷却池中，直到其活性下降到安全水平（通常几年）。然后，水通过离子交换树脂，去除导致活性的同位素。然后，水被稀释并释放到海中。

高水平放射性废物需要数千年才能失去活性。许多乏燃料会被回收再利用。如果没有，废物，通常是放射性废物的液体混合物，通过玻璃化过程转化为固态玻璃成分：废物在炉中干燥，并与玻璃制造材料（沙子）一起送入熔炉。然后，熔化的材料倒入不锈钢容器中，在那里冷却并凝固。这些容器将保持放射性数千年。目前，这些容器储存在混凝土地下室中，但希望将来有一天能转移到盐室中，储存数千年，直到活性降至安全水平。

E9 臭氧层破坏 (HL)

E.9.1 解释 O2 和 O3 解离对光波长的依赖性。

O₂ 的键级为 2（双键），因此更难断裂。这意味着断裂它需要更多的能量，因此需要更短的波长（242 纳米）。

O₂ + UV (242 nm) → 2O◦

O₃ 由于其共振结构，其键级为 1.5，这意味着它比 O₂ 中的双键更容易断裂。这意味着断裂它需要更少的能量，意味着需要更长的波长（330 纳米）。

O₃ + UV (330 nm) → O₂ + O◦

E.9.2 描述 CFC 和 NOx 催化臭氧消耗的机理。

大气中的一些污染物，如氮氧化物和氯氟烃 (CFC)，充当臭氧消耗的催化剂。

例如，平流层中存在用于制冷剂和推进剂的氯氟烃 (CFC)。紫外线能够通过均裂来断裂较弱的 C-Cl 键，产生氯自由基。CFC 通常停留在对流层中，但 CFC 分子最终会扩散到上层大气平流层，在那里它们从紫外线中获得更高的能量。当 CFC 暴露于高能紫外线辐射时，会发生光化学分解，产生反应性氯气原子。与 C-F 键（更具电负性，因此比 C-Cl 键更强）相比，较弱的 C-Cl 键首先断裂。

由 CFC 光化学分解产生的氯自由基充当臭氧分解的催化剂。

然后，新形成的 ClO 分子通过与氧自由基反应形成氧分子和氯自由基而进入终止步骤。

由于氯自由基被再生，一个氯自由基可以按照与上述相同步骤破坏许多臭氧分子。用于超音速飞机发动机的氮氧化物，与 CFC 与臭氧的反应方式相似。

从初始步骤开始，一氧化氮与臭氧反应产生二氧化氮和一个氧分子。然后，二氧化氮与氧自由基反应再生一氧化氮和一个氧分子。

结果是，一个臭氧分子与一个氧自由基反应形成 2 个氧分子。

E.9.3 概述极地地区臭氧消耗更大的原因。

南极上空发现了一个臭氧层空洞。消耗是季节性的，最大的空洞出现在早春（10 月/11 月）。这种减少是由于人类产生的化学物质造成的。在冬季（6 月-9 月），NO2 和 CH4 与 ClO 和 Cl2 一起被困在冰的表面。冰表面上的催化反应将 ClO 转化为 Cl2 和 HClO，形成“氯储库”。这暂时减少了释放到大气中的氯的量。当冰在春季融化时，包含在冰晶中的氯涌入大气，从而导致臭氧层空洞暂时扩大。

E10 雾霾 (HL)

E.10.1 说明主要污染物的来源以及光化学烟雾形成所需的条件。

雾霾是烟雾、雾气、空气和其他化学物质的混合物。光化学烟雾发生在内燃机排气在大气中集中的城市。氮氧化物和碳氢化合物使空气呈现出特有的黄色/棕色。在阳光下，这些化学物质会转化为二次污染物。雾霾往往在大型城市形成，并受到无风的影响。它也更常发生在碗形城市，因为这些城市周围的高地阻止了空气的流动。雾霾通常发生在出现逆温的时候。通常，温度随着海拔高度而降低。温暖的空气通常会上升，带走污染物，然后被更清洁的冷空气取代。然而，在以雾霾著称的地区，大气条件会导致一层静止的暖空气覆盖一层冷空气。被困的污染物无法上升，如果这种情况持续下去，地面附近暖空气中的污染物浓度会上升到危险水平。

E.10.2 说明光化学烟雾中二次污染物的形成。

光化学烟雾是一种化学混合物，包含数百种不同的化学物质，这些化学物质在大气中形成，是紫外线引起自由基反应的结果。

在清晨，汽车尾气中积累的碳氢化合物 (VOC) 和 NOx 会发生积累。随着太阳升起，NO2 吸收阳光并形成自由基。

N₂ + O₂ → NO₂ (主要污染物)

NO₂ + UV → NO + O◦

这些自由基与 O2 反应形成臭氧和水，或形成羟基自由基。

O◦ + O₂ → O₃ (二次污染物)

O◦ + H₂O → 2OH◦

二次光化学氧化剂与各种分子和碳氢化合物反应形成过氧化物、醛和酮。

OH◦ + NO₂ → HNO₃

OH◦ + RH → R◦ + H₂O

R◦ + O₂ → ROO◦ (过氧化物自由基)

当过氧化物自由基与 NO2 反应形成过氧酰基硝酸盐 (PAN) 时，会发生链终止，PAN 是眼睛和皮肤的刺激物。

ROO◦ + NO₂ → ROONO₂ (PAN)

E11 酸沉降 (HL)

E.11.1 描述氮氧化物和硫氧化物引起的酸沉降的机制。

NOx 和 SOx 通过自由基反应转化为酸。

H₂O + O₃ → 2HO◦ + O₂

然后，羟基自由基在水存在的情况下直接与SO_x 和 NO_x 反应生成酸。

HO◦ + NO₂ → HNO₃

HO◦ + NO → HNO₂

或者，

HO◦ + SO₂ → HOSO₂◦

HOSO₂◦ + O₂ → HO₂◦ + SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

E.11.2 解释氨在酸沉降中的作用。

氨气可以在一定程度上通过形成 (NH₄)₂SO₄ 和 NH₄NO₃ 来中和酸雨在大气中的影响。

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

NH+4 是一种强共轭酸，因此当铵盐沉入地下时，NH+4 进入土壤，在那里会发生酸化和硝化。

E12 水和土壤 (HL)

E.12.1 解决与通过化学沉淀去除重金属离子、磷酸盐和硝酸盐有关的问题。

土壤中的一些盐溶解，但大部分仍然以固体形式存在，从而形成平衡。记住这五个步骤

1. 写一个平衡方程式
2. 找到平衡方程 (K_sp = [离子浓度][离子浓度])
3. 确定平衡变化的方向
4. 使用 ICE 法！初始、变化、平衡
5. 将 E 行代入平衡方程式并求解 x，然后继续进行以找到问题要求的内容（例如，如果需要浓度，则代入 2x，或者如果需要，则求解 Ksp。）

E.12.2 说明阳离子交换容量 (CEC) 的含义，并概述其重要性。

SOM 和粘土都含有带负电荷的粒子，这些粒子会与阳离子结合，例如 Ca+2、Mg+2、Na+、K+、Al+3。土壤能够容纳的带正电荷的阳离子数量称为阳离子交换容量 (CEC)。较大的 CEC 表示容纳阳离子的能力更大。这些阳离子与植物根毛上的氢离子等阳离子交换，为其提供营养物质。

E.12.3 讨论土壤 pH 对阳离子交换容量和养分有效性的影响。

如果土壤更酸性，土壤中酸性阳离子的比例就会更高。土壤 pH 很重要，因为铝离子等酸性阳离子对植物有害。虽然土壤具有一定的缓冲能力，但有时需要在土壤中添加石灰来提高 pH 值，并增加粘土和 SOM 中保持的基本阳离子的浓度。

当对土壤进行分析时，将基本阳离子的总浓度与酸性阳离子的总浓度进行比较。Al+3 等阳离子对植物有害。土壤 pH 值很重要，因为当 pH 值大于 5 时，Al+3 会从溶液中沉淀出来。如果雨水中含有酸，降低了土壤的 pH 值，Al+3 将不再从溶液中沉淀出来。这种阳离子对植物有毒，因此从本质上说，酸雨会杀死植物。

E.12.4 描述土壤有机质 (SOM) 的化学功能。

除了植物所需的营养阳离子和有机质外，SOM 还可以与土壤中的有机和无机化合物结合，这有助于减少污染物（如农药、重金属离子和其他污染物）的负面环境影响。SOM 有助于 CEC，增强土壤缓冲 pH 值变化的能力，并与阳离子形成稳定的络合物。SOM 还可以减少农药、重金属和其他污染物的影响。