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2019-2020年九年級化學(xué) 9.3 化學(xué)與環(huán)境教案 滬教版(1) 重點(diǎn)： 1、實驗探究酸雨的成因及危害，知道酸雨的防止措施； 2、水資源在今后可能出現(xiàn)的危機(jī)，水污染原因及凈水原理； 3、垃圾對環(huán)境的污染，區(qū)分各種固體廢棄物，尋找合適的回收、利用處理垃圾的方法。 難點(diǎn)： 實驗探究凈水原理。 1．通過有關(guān)環(huán)境污染的資料，讓學(xué)生充分認(rèn)識環(huán)境污染日益惡化的趨勢和危害，再讓學(xué)生討論中國環(huán)境標(biāo)志的創(chuàng)意，從而培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境人人有責(zé)的社會責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生從我做起，為環(huán)保作力所能及的工作。 2．實驗探究和查閱資料認(rèn)識酸雨的成因以及危害，加深對酸雨的認(rèn)識，討論治理酸雨的措施，增強(qiáng)消除大氣污染的緊迫感。 3．過討論了解水體污染源以及防治方法，實驗探究污水凈化原理；通過查閱資料并交流討論了解污染水體的物質(zhì)了解“赤潮”、“水華”的成因和危害，增強(qiáng)學(xué)生節(jié)約水，愛惜水，保護(hù)水的意識。 4．引導(dǎo)學(xué)生分析每天自己家中的廢棄物，從而聯(lián)想每天整個社區(qū)的固體廢棄物，討論了解這些廢棄物將造成的危害；通過討論“為什么垃圾是放錯地方的資源”，知道一般垃圾的回收處理方法和意義。 [參考資料] 一、燃料電池 燃料電池與常規(guī)化學(xué)電源的顯著區(qū)別是：常規(guī)化學(xué)電源的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，這些物質(zhì)耗盡后電池就不能再提供電能；而燃料電池所需的燃料和氧化劑貯存在電池外部的容器中，只要連續(xù)向電池供給燃料和氧化劑，它就可以不斷地輸出電能。 我們知道水電解以后，可以生成氫和氧，其逆反應(yīng)則是氫和氧化合生成水。燃料電池正是利用水電解及其逆反應(yīng)獲得電能的裝置。以天然氣、石油、甲醇、煤等原料為燃料制造氫氣，然后與空氣中的氧反應(yīng)，便可以輕易地得到需要的電能。 燃料電池主要由燃料電極和氧化劑電極及電解質(zhì)組成，加速燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的催化劑是電催化劑。作為燃料電極的電催化劑有過渡金屬和貴金屬鉑、鈀、釕、鎳等。作氧電極用的電催化劑有銀、金、汞等。常用的燃料有氫氣、甲醇、肼、液氨、烴類和天然氣。氧化劑一般用空氣或純氧氣，也有用過氧化氫水溶液的。航天用的燃料電池，大部分用氫或肼作燃料。由電催化劑和防水劑組成的燃料電極和氧電極形成正、負(fù)兩極，正、負(fù)兩極之間用電解質(zhì)（堿溶液或酸溶液）隔開，燃料和氧化劑分別通入兩個電極，在電催化劑的催化作用下，同電解質(zhì)一道發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)中產(chǎn)生的電子由導(dǎo)線引出，這樣就產(chǎn)生電流。迄今為止，在所有電池中效率最高的是堿性燃料電池，它是燃料電池家族中的第一代，發(fā)電效率達(dá)70%，曾成功地應(yīng)用于載人宇宙飛行中，但成本昂貴；磷酸型燃料電池是燃料電池的第二代，無論是技術(shù)方面還是實用方面，都非常引人注目，80年代中期這種電站開始試運(yùn)行；熔融碳酸型（MCFC）電池是燃料電池的第三代產(chǎn)品，與主要用于小規(guī)模發(fā)電的磷酸型相比，MCFC可稱得上是大容量發(fā)電燃料電池（可達(dá)2萬千瓦）；在未來社會中更受人注目的是第四代燃料電池，即固體電解質(zhì)型燃料電池（SOFC），它是以氧化鋯等固體為電解質(zhì)的，它不僅在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于磷酸型電池和MCFC，而且，由于它的電解質(zhì)是固體，免去了腐蝕和溢漏的危險。燃料電池家族中的第五代是聚合物電解質(zhì)型薄膜燃料電池（PEMFC）。要將氫能用于汽車、飛機(jī)，就非得借助PEMFC不可。最近在燃料電池的行列中，又出現(xiàn)了一位新秀，它就是生物燃料電池。一般燃料電池的催化劑都用貴金屬，從細(xì)菌細(xì)胞中，提煉出一種叫做甲醇脫氫酶的生物催化劑，可以加速氫氣的釋放，從而加快電子從甲醇中脫出的速度。 燃料電池的規(guī)模和用途可隨意選擇，大到可以代替大中型的火力發(fā)電廠，小到可以在醫(yī)院、旅館和特殊部門等特別場合中使用。燃料電池的綜合效率高（發(fā)電效率可高達(dá)40%-60%，綜合利用率可達(dá)80%）、對環(huán)境影響極小，因此它被認(rèn)為是繼火力、水力和原子力之后的第四大發(fā)電體系。 二、綠色的能源——太陽能 太陽是個巨大的能源，它不斷向外輻射能量。由于直接利用太陽能不會污染環(huán)境，因此，它是很有開發(fā)價值的能源，現(xiàn)在正進(jìn)一步研究如何開發(fā)利用這一無污染且用之不竭的新能源。目前，太陽能可通過四個渠道被人類利用： （1）通過大氣和水分的升騰循環(huán)，再通過風(fēng)、流水、波浪、海流等以風(fēng)能和水能等形式釋放出來。 （2）被海洋吸收，成為海洋內(nèi)能，再以潮汐等形式釋放出來。 （3）通過植物的光合作用把太陽能轉(zhuǎn)化和儲存起來，再以草木、沼氣、煤、石油、天然氣等燃料的形式釋放出來。 （4）通過轉(zhuǎn)化成電能，被人們直接利用，這種方式目前主要通過太陽能電池來實現(xiàn)。 太陽能電池就是利用晶體硅和非晶體硅為材料制成的一種將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的 裝置，常用的太陽能電池是硅電池。許多國家的太陽能利用日益商品化。在日本、美國和歐洲，用太陽能供電的無線電、風(fēng)扇、電冰箱等日用品琳瑯滿目。 （1）太陽能照相機(jī) 日本制成的世界上第一架太陽能照相機(jī)，重量僅有475克，機(jī)內(nèi)裝有先進(jìn)的太陽能電池系統(tǒng)，其蓄電池可連續(xù)使用4年。美國一家公司生產(chǎn)了一種新型的135照相機(jī)，它的光圈、速度均由微電腦自動控制，電力則有太陽能硒光電池提供，只要有光線，就能供電。 （2）太陽能電話 以太陽作能源的無線電話已在英國一家無線電公司問世。它利用頂端上裝的太陽能接受板，可以不斷給電池充電。使用者的聲音通過無線電波輸入附近的電話交換機(jī)，再傳送到各地電話通訊網(wǎng)去。巴黎伏德瓦特公司制作的太陽能收費(fèi)公用電話，耗電量極低，只要在陽光下充電幾小時，便足夠使用十天之多。 （3）太陽能冰箱 法國的太陽能冰箱以甲醇為制冰機(jī)，每24小時可制冰10千克，保鮮30千克食物。印度研制出一種倉庫用的大型太陽能冰箱，上部裝有的拋物線鏡將陽光集中在半導(dǎo)體網(wǎng)孔上，把光轉(zhuǎn)換成電流，箱內(nèi)溫度保持在負(fù)2攝氏度，可冷藏500千克食品，每天還可制出25千克冰。 （4）太陽能電視機(jī) 芬蘭研制的太陽能電視機(jī)只要白天把半導(dǎo)體硅光電轉(zhuǎn)換器放在有陽光的窗臺上，晚上不需要電源便可觀看電視。轉(zhuǎn)換器貯存的電能，可供工作電壓為12V的電視機(jī)使用3~4小時。印度研制的太陽能電視機(jī)，其能源吸收系統(tǒng)只要每天工作4小時，即使3天無太陽，也能不用電源而正常接收訊號播放節(jié)目。 （5）太陽能住宅 這是利用太陽能電池的一種特殊民用建筑，包括陽光集能、蓄能、發(fā)電、加熱以及相應(yīng)的控制裝置。目前各國設(shè)計的太陽能住宅一般比較小，居住面積100平方米左右。如以色列缺乏能源，但每年有320個以上的晴天，所以，政府號召市民購買太陽能住宅。目前，該國已成為世界普及太陽能發(fā)電、加熱最快的國家。 太陽能電池的前景很廣闊，據(jù)預(yù)測：到21世紀(jì)中期，全世界電力總耗量的20%-30%將由太陽能電池提供。 三、能代替鋼鐵的陶瓷 陶瓷能代替鋼嗎？回答是肯定的。我們所說的這個陶瓷，并不是我們常見的陶瓷，而是一種被稱為高技術(shù)的新品種陶瓷。高技術(shù)陶瓷與普通陶瓷，“血統(tǒng)”上并無淵源，但材料科學(xué)家能從地球上現(xiàn)有的幾十萬種原料中，慧眼獨(dú)具，發(fā)展出這種“身懷絕技”的“萬能”材料來，的確是受了普通陶瓷的啟迪。 長久以來，金屬一直占據(jù)著材料王國的霸主，尤其是鋼鐵，應(yīng)用范圍更加廣泛。鋼鐵作為材料有它的許多優(yōu)點(diǎn)，然而也存在著諸如不耐腐蝕、不耐高溫、不夠堅硬、不能絕熱等缺點(diǎn)。有趣的是，鋼鐵等金屬的短處，反過來恰恰是非金屬材料的長處。不過陶瓷也有自己的“薄弱環(huán)節(jié)”：雖硬但無韌性，一碰就碎，以敲就斷，而且毫無彎曲延長的余地。因此，要讓陶瓷代替鋼鐵，必須對陶瓷材料進(jìn)行“抽筋換骨”的手術(shù)，做到揚(yáng)長避短。材料科學(xué)家分析了普通陶瓷的成分以后，認(rèn)為它的一種主要原料，含雜質(zhì)較多的黏土，是普通陶瓷的“薄弱環(huán)節(jié)”的根源，所以，他們試用硅酸鹽類化工原料和一些人工合成的氧化物來取代黏土?？茖W(xué)家曾將沙淀粉和氧化鋯三種原料按一定比例混合，放進(jìn)溫度為1400oC、充有氮?dú)獾臓t子內(nèi)燒上7小時，最后制成一種銀灰色的氧化硅陶瓷。這種高技術(shù)陶瓷，密度和鋁差不多，能耐受1500oC以上的高溫，韌性很好，硬度尤其驚人，只有用金剛石才能把它割斷。以后，又試驗制成了碳化硅、氧化鋯、碳化鈦、增韌氧化鋁等幾種新陶瓷材料。 成分不同的高技術(shù)陶瓷，性能和應(yīng)用各不同。用鋼鐵制造的發(fā)動機(jī)汽缸，受溫度的限制，只能利用汽油燃燒后的一小部分熱能，大部分熱能都從汽缸的冷卻系統(tǒng)散失了。氧化鋯陶瓷能解決此難題，它特別耐磨損、耐腐蝕、耐高溫，用它制成的發(fā)動機(jī)汽缸，不需要冷卻系統(tǒng)，使燃油在汽缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱能最大限度地轉(zhuǎn)化成汽車獲得的動力。而且由于汽缸硬度大，幾乎不易受磨損，并且也不受燃油產(chǎn)生的酸性氣體的腐蝕。因此，這種高技術(shù)陶瓷汽車發(fā)動機(jī)的使用壽命長、功率大、制造成本低，可以節(jié)省大量金屬材料和30%的油耗量。 利用氧化鋯硬度超過鋼材在高溫下不會軟化的特點(diǎn)，機(jī)械工程師設(shè)計了氧化鋯陶瓷車刀，在自動車床上以最高的切削速度，加工最硬的合金鋼零件。陶瓷車刀削如泥，刀刃不軟不崩，零件表面光潔度高。用含鋯的高技術(shù)陶瓷制作的切削刀具，刀體一旦受到外力的沖擊產(chǎn)生裂縫時，它會自動膨脹，將裂縫彌合起來。氧化鋯陶瓷剪刀和家用小刀，刀口久用不鈍，不銹不裂，被稱為永不報廢的長命剪刀。 高技術(shù)陶瓷可以比鋼鐵硬，也可以像銅鋁等有色金屬那樣有延展性和可塑性。把氧化鈦陶瓷研磨成極其細(xì)致的細(xì)晶粒，家上黏合劑，高溫熔燒成板材，將板材加熱到180oC，可以壓延成波浪形的陶瓷板。氟化鈣陶瓷，只需加熱到80oC便歐擠壓變形的特性。專家們認(rèn)為高技術(shù)陶瓷能被“軟化”，就意味著為這種材料最終能被延展、擠拉、卷繞成材打開了希望之門。 高技術(shù)陶瓷作為未來材料之王的“萬能材料”，其潛力實在是無止境的。 四、污染水體的元兇 污染水體的主要物質(zhì)有六類： 1．有毒物質(zhì) 包括氰化物、有機(jī)農(nóng)藥、酚、砷及其化合物，重金屬類物質(zhì)（如汞、鉛、鎘、鉻）和致、癌物質(zhì)（如芳香族化合物）。 2．病微生物 包括各種病毒、細(xì)菌、原生動物等。 3．耗氧污染物 這些物質(zhì)能消耗水中大量的溶解氧，惡化水質(zhì)，使水發(fā)黑變臭，危害水生生物，危害農(nóng)業(yè)，包括一些有機(jī)物和無機(jī)物。 4．無機(jī)污染物 包括酸、堿、無機(jī)鹽和無機(jī)懸浮物等。這些物質(zhì)使水具有酸性或堿性，降低水質(zhì)，危害水生生物，危害農(nóng)業(yè)。 5．合成洗滌劑等有機(jī)物 包括諸如多氯聯(lián)苯，它們通過“食物鏈”逐級傳遞，最終影響到人類。 6．植物營養(yǎng)物質(zhì) 包括含氮、磷、鉀等元素的物質(zhì)。這類物質(zhì)是水體生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，一旦過剩，會使水中的一些浮游生物和某些藻類迅速繁殖，破壞水體原有的生態(tài)平衡，最終會導(dǎo)致水體萎縮，這就是全球為之頭疼的“水體營養(yǎng)化”。發(fā)生在江河、湖泊中的“水華”，近海海域或?？诘摹俺喑薄本褪撬w富營養(yǎng)化導(dǎo)致的。 江、河、湖、海有它們自己的平衡，由于人類活動的干擾，生活污水、工業(yè)廢水源源流入湖、海，農(nóng)田肥料也被雨水?dāng)y帶而來，使水中生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)過剩，一些浮游生物和某些藻類迅速生長繁殖。 由于它們生長周期短，增殖與死亡頻頻交替，瘋長，過多的占據(jù)了水體及水面，使陽光難以射入水中，使水生植物光合作用受阻，釋放氧氣減少，威脅水生動物。同時，這些小的浮游生物還可附在魚鰓上，使本已缺氧的魚、貝類呼吸困難，以致大量窒息死亡；而且水華或赤潮生物劇長及死亡分解過程也消耗大量水中溶解的氧，它們死后被微生物分解過程中還能產(chǎn)生某些生物毒素，也可使魚、貝等中毒死亡。 五、對污水的處理 污水的處理，根據(jù)對水質(zhì)的要求，可分為三級。污水的一級處理也稱預(yù)處理。在污水處理引進(jìn)的污水，通常先通過鐵柵欄過濾，去掉體積較大的雜物，然后再流入污水池中，經(jīng)沉淀及浮選等過程，把污水中的懸浮物和固體沉淀物去掉。然后再根據(jù)污水的性質(zhì)，加入一定量的堿或酸等化學(xué)實際、試劑，將污水中的酸堿物質(zhì)中和。我國20世紀(jì)80年代，各城市的污水處理站大多為一級處理。污水的一級處理可理解為一般的物理化學(xué)法的初步除污過程。 污水的二級處理，指的是在一級處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步做生化處理。例如采用生物膜法，利用微生物去除污水中的可溶性有機(jī)污染物。污水經(jīng)過二級處理后，大部分有機(jī)質(zhì)被去除，水中只留下一些無機(jī)鹽類及少量的懸浮物。目前，我國不少新型化工廠可達(dá)污水二級處理標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，作為企業(yè)污水的處理，根據(jù)排放污水的不同性質(zhì)，采用的物理、化學(xué)、生物等去污的具體方法也是各式各樣的。為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，工廠的污水還可以與廢料的回收再利用等因素結(jié)合起來，進(jìn)行綜合的治理。 污水的三級處理，也稱深度處理，是利用較為復(fù)雜的物理、化學(xué)等方法進(jìn)一步除去水中的有害物質(zhì)。其處理方法有活性炭吸附、離子交換、臭氧氧化、電滲析、反滲透等等。通過深度處理后，污水可以凈化到工業(yè)用水的標(biāo)準(zhǔn)，故三級處理后的水可以再次在工業(yè)上使用。由于深度處理的成本較高，因此目前還沒能普遍采用。但我國的水資源并不豐富，許多城市供水還很緊張，可以相信，在不遠(yuǎn)的將來，水的深度處理必定會得到廣泛的重視和應(yīng)用。