知识背景
1952 年 12 月,伦敦上空的浓雾持续了五天。雾里混着燃煤排出的二氧化硫和大量烟尘,能见度不足几米,公交车要靠人举火把引路。短短几天内,超过四千人因呼吸系统疾病死亡。这场「伦敦烟雾事件」让全世界第一次意识到:空气也会「病」,而且病得能要人命。
清洁的空气本是稳定的混合物:氮气约占 、氧气约 、稀有气体约 、二氧化碳约 。所谓空气污染,就是人类活动排入的有害物质超过了大气自身的净化能力,使空气的成分和性质发生了不利于生物生存的改变。
好消息是,这件事可以被改变。杭州近十年 PM2.5 年均浓度显著下降、优良天数逐年增加,靠的正是燃煤电厂脱硫脱硝、机动车尾气治理、扬尘管控与大规模绿化。空气质量是能靠人力「治」回来的。
知识讲解
主要的空气污染物
按状态分两类:气态污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧、碳氢化合物;颗粒物主要有可吸入颗粒物 PM10 与细颗粒物 PM2.5(直径小于等于 ,能深入肺泡,危害最大)。
注意:二氧化碳不属于空气污染物,它是空气的正常成分,只是过多会加剧温室效应。
| 污染物 | 主要来源 | 主要危害 |
|---|---|---|
| 二氧化硫 | 含硫煤和石油的燃烧、冶炼 | 刺激呼吸道,是酸雨的主要成因 |
| 氮氧化物 | 汽车尾气、高温燃烧 | 形成酸雨和光化学烟雾 |
| 一氧化碳 | 燃料不完全燃烧 | 与血红蛋白结合,使人缺氧中毒 |
| PM2.5、PM10 | 扬尘、燃煤、尾气、秸秆焚烧 | 进入肺部,诱发呼吸道与心血管疾病 |
| 氟氯烃 | 旧式冰箱、气雾剂 | 破坏臭氧层 |
酸雨
正常雨水因溶有二氧化碳而略显酸性, 约为 。 小于 的降水叫酸雨。
成因:,亚硫酸在空气中被进一步氧化为硫酸;氮氧化物则最终形成硝酸。故酸雨又叫「硫酸型」与「硝酸型」酸雨。
危害:使土壤和湖泊酸化,破坏植被、鱼类难以生存;腐蚀建筑物、桥梁与金属设施(杭州的石质古迹与户外雕塑尤其受影响);影响农作物产量与人体健康。防治的根本是减少二氧化硫和氮氧化物排放:燃煤脱硫、使用低硫燃料、汽车安装尾气催化转化器、发展清洁能源。
- 温室效应:主因是二氧化碳等温室气体增多,结果是全球变暖。
- 酸雨:主因是二氧化硫与氮氧化物,结果是降水 小于 ,腐蚀与酸化。
- 臭氧层空洞:主因是氟氯烃,结果是紫外线增强,皮肤癌与白内障增多。
三者成因不同、危害不同、对策也不同,是每年必考的辨析点。
空气质量指数与保护措施
**空气质量指数(AQI)**是评价空气质量的综合指标,监测项目通常包括 、、、、 和臭氧。AQI 数值越小,空气质量越好: 至 为优, 至 为良, 至 为轻度污染,超过 为重度及以上。
保护空气的四条主线:一是工业治理——脱硫脱硝除尘、关停落后产能;二是交通治理——推广新能源车、提高油品标准、发展公共交通;三是生活方式——禁止露天焚烧秸秆与垃圾、少放烟花、减少一次性用品;四是增强净化——大规模植树造林与城市绿化,植物的叶片能滞留粉尘、吸收有害气体。
实验与探究
用稀硫酸配制 分别为 、、 的溶液模拟不同酸度的酸雨,另用蒸馏水( 约 )作对照。取四组各 粒饱满的绿豆种子,置于相同的培养皿中,每天分别喷洒等量对应液体,其他条件相同,一周后统计萌发率。
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第一步:明确变量。 自变量是溶液的酸度(),因变量是种子萌发率;种子的品种、数量、饱满程度、温度、湿度、光照、喷洒量都必须相同,这样才能把差异归因于酸度。第二步:为什么每组要 50 粒。 样本数量足够多可以减小偶然误差,使结论更可靠;只用几粒种子,个别不发芽就会严重影响结果。
第三步:预期结果与结论。 越小(酸性越强),萌发率越低,蒸馏水组最高。结论:酸雨会抑制种子萌发,且酸性越强抑制越明显。第四步:改进与延伸。 每组实验应重复多次取平均值;还可继续观察幼苗的株高与叶色,研究酸雨对生长的后续影响。注意用词:这里只能说「模拟酸雨」,因为真实酸雨成分复杂,不只含硫酸。
小组想比较学校门口马路边与校内绿化带旁空气中颗粒物的多少,手边只有透明胶带、白纸、放大镜和显微镜。请设计方案。
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第一步:设计取样方法。 取两条等长的透明胶带,粘面朝外分别固定在两处的相同高度(如 ),同时暴露相同时长(如 24 小时),然后取下贴在白纸上编号。第二步:观察与计数。 用放大镜或显微镜观察,在视野中划定相同面积的方格,数出其中的颗粒数目,重复几个视野取平均值再比较。
第三步:预期结论与分析。 马路边胶带上的颗粒明显更多,主要来自机动车尾气与道路扬尘;绿化带旁较少,因为植物叶片能滞留粉尘、降低风速。第四步:说明局限。 这种方法只能作粗略比较,无法测出 PM2.5 的具体质量浓度,因为极细颗粒肉眼与普通显微镜都难以分辨;精确测定要用专业监测仪器。这也是「定性比较」与「定量测量」的区别。
经典例题
某电厂每天燃烧含硫质量分数为 的煤 ,其中的硫全部转化为二氧化硫。(1)每天产生二氧化硫多少吨?(2)若用氢氧化钙吸收(),每天需氢氧化钙多少吨?(相对原子质量: 32, 16, 40, 1)
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第一步:先求参加反应的纯净物质量。 煤中硫的质量 。这一步最容易被跳过,但方程式里只能代纯硫的质量。第二步:写出并配平硫燃烧的方程式,列出质量关系。 ,其中 ,,故 。
第三步:设未知数列比例式求二氧化硫(第 1 问)。 设产生二氧化硫 ,则 ,交叉相乘得 ,故 。第四步:由二氧化硫求氢氧化钙(第 2 问)。 依据 ,,,故 。设需氢氧化钙 ,则 ,得 ,。
第五步:检验单位与合理性。 单位均为吨,与题给一致;二氧化硫质量 是硫的 2 倍,与质量比 相符;所需氢氧化钙略多于二氧化硫,与 相符。答:每天产生二氧化硫 ,需氢氧化钙约 。现实意义:仅 的含硫量,一天就是两吨二氧化硫,这正是燃煤电厂必须强制脱硫的原因。
难点与易错点
- 把二氧化碳列为空气污染物:它是空气的正常成分,不计入 AQI 监测的污染物,只与温室效应有关。
- 认为 小于 7 的雨就是酸雨:界线是 小于 ,因为正常雨水溶有二氧化碳本就略酸。
- 混淆三大环境问题的成因:酸雨是二氧化硫与氮氧化物,温室效应是二氧化碳,臭氧层空洞是氟氯烃。
- 认为 AQI 数值越大空气越好:恰恰相反,数值越小越好。
- 把 PM2.5 说成一种气体:它是颗粒物(固体小颗粒或液滴), 指的是直径不超过 。
- 计算时直接把煤的质量代入方程式:必须先乘含硫质量分数,求出纯硫的质量。
- 误认为植物能「吃掉」所有污染物:绿化只能滞尘和吸收部分有害气体,减排才是根本。
生活中的应用
- 杭州的「五水共治」与蓝天保卫战:燃煤机组超低排放改造、公交车与出租车电动化、工地围挡与喷淋降尘,多措并举使优良天数明显增加。
- 雨后车顶的白色斑点:雨水中的酸性物质与灰尘残留,长期还会腐蚀车漆与户外金属栏杆,这是酸雨最直观的证据。
- 不焚烧秸秆与落叶:露天焚烧会瞬间产生大量 PM2.5 和一氧化碳,杭州郊区在秋收季对此有严格管控。
- 雾霾天的自我保护:查看 AQI,减少户外剧烈运动,外出戴能过滤细颗粒的口罩,回家及时清洁面部。
生活应用题 1 · 读一张杭州的空气质量日报
某日杭州两个监测点的数据如下:城西站 AQI 为 ,首要污染物为 ;城东站 AQI 为 ,首要污染物为 。(1)两站的空气质量分别属于哪个等级?(2)城东站首要污染物为 ,最可能的原因是什么?(3)给市民一条当天的出行建议。
分步解:
- 回忆等级标准: 至 优, 至 良, 至 轻度污染。
- 判断等级(第 1 问):城西站 落在 至 ,为「良」;城东站 落在 至 ,为「轻度污染」。
- 分析成因(第 2 问): 主要来自扬尘,城东站附近可能有建筑工地、道路施工或渣土车运输,也可能是大风扬尘。
- 给出建议(第 3 问):轻度污染日,儿童、老人和呼吸道疾病患者应减少户外活动;一般人群减少长时间剧烈运动,外出可戴口罩;优先选择公共交通,减少自身排放。
- 补一句判断依据:比较空气质量优劣只看 AQI 数值大小,数值小者更好,故当日城西优于城东。
生活应用题 2 · 一辆公交车换成电动的减硫量
某柴油公交车每天耗柴油 ,柴油含硫质量分数约为 ,硫全部燃烧生成二氧化硫。若换成电动公交车,一年(按 天计)可减少排放二氧化硫多少千克?
分步解:
- 求每天燃烧的硫的质量:。
- 写方程式与质量关系:,。
- 求每天产生的二氧化硫:设为 ,,得 ,。
- 换算成一年:。
- 检验并答:单位为千克;二氧化硫质量恰为硫的 2 倍,与质量比相符。答:一年约可减少排放二氧化硫 。杭州有上万辆公交车,全部电动化后减排量相当可观。
考点
- 选择题·必考:判断哪些物质属于空气污染物(二氧化碳不是)
- 辨析题·必考:区分温室效应、酸雨、臭氧层空洞的成因与危害
- 填空题·高频:酸雨的定义( 小于 )与主要成因气体
- 选择题:AQI 的含义与数值越小越好;监测项目有哪些
- 实验题·高频:模拟酸雨对种子萌发影响的对照实验设计与变量控制
- 计算题·必考:由含硫质量分数求二氧化硫排放量,再求脱硫剂用量
- 简答题:保护空气的具体措施(工业、交通、生活、绿化四个方向)
中考真题
某地在两个不同时段测得降水的 如下:甲时段平均 为 ,乙时段平均 为 。(1)哪个时段的降水属于酸雨?判断依据是什么?(2)造成这种降水的主要污染物是什么,主要来源有哪些?(3)请写出二氧化硫与水反应的化学方程式,并说明酸雨对当地石质古桥的影响。
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第一步:判断酸雨(第 1 问)。 酸雨的界线是 小于 。甲时段 大于 ,不是酸雨;乙时段 小于 ,属于酸雨。判断依据就是这条 的界线,而不是 ——因为正常雨水溶解了空气中的二氧化碳,本身就略显酸性。
第二步:分析污染物与来源(第 2 问)。 主要污染物是二氧化硫和氮氧化物。二氧化硫主要来自含硫煤和石油的燃烧以及金属冶炼;氮氧化物主要来自汽车尾气和高温燃烧过程。
第三步:写方程式并分析危害(第 3 问)。 二氧化硫与水反应生成亚硫酸:,亚硫酸再被空气中的氧气氧化成硫酸。石质古桥多含碳酸钙,酸雨中的酸会与它反应,使桥体表面被腐蚀、变得疏松剥落,字迹与雕刻逐渐模糊。这也是许多户外文物需要加装遮挡与做防护涂层的原因。
某锅炉房每天燃烧含硫 的煤 。(1)每天排放二氧化硫多少千克?(2)为减少污染,改用含硫 的低硫煤且用量不变,每天可减少排放二氧化硫多少千克?(相对原子质量: 32, 16)
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第一步:统一单位并求硫的质量。 ,则 。第二步:写方程式并列质量关系。 ,,,故 。
第三步:求排放量(第 1 问)。 设排放二氧化硫 ,则 ,得 ,。第四步:求换煤后的排放量并作差(第 2 问)。 低硫煤中硫的质量 ,同理排放二氧化硫 ,故每天减少 。
第五步:检验并总结。 含硫量降为原来的四分之一,排放量也降为四分之一(),比例一致,计算无误;单位均为千克。答:原来每天排放 ,换用低硫煤后每天可减少 。方法提炼:这类题的关键第一步永远是「先由质量分数求出纯净物的质量」。