2025年高一上學(xué)期化學(xué)“環(huán)境科學(xué)與化學(xué)”科普測(cè)試一、化學(xué)視角下的環(huán)境系統(tǒng)認(rèn)知環(huán)境系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈構(gòu)成的復(fù)雜動(dòng)態(tài)平衡體系，其中化學(xué)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化貫穿物質(zhì)循環(huán)全過(guò)程。以碳循環(huán)為例，大氣中的二氧化碳通過(guò)植物光合作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，經(jīng)食物鏈傳遞后通過(guò)呼吸作用和分解作用重新釋放，而化石燃料燃燒導(dǎo)致的碳排放量激增（2023年全球碳排放達(dá)363億噸），打破了百萬(wàn)年級(jí)別的自然碳平衡。這種失衡在化學(xué)層面表現(xiàn)為碳酸-碳酸氫鹽緩沖體系的擾動(dòng)：當(dāng)CO?溶解于海水中，會(huì)發(fā)生反應(yīng)CO?+H?O?H?CO??H?+HCO??，過(guò)量H?與珊瑚礁中的CaCO?反應(yīng)生成可溶的Ca(HCO?)?，導(dǎo)致海洋酸化（2025年海水pH值較工業(yè)化前下降0.12）?；瘜W(xué)元素的價(jià)態(tài)變化深刻影響環(huán)境效應(yīng)。氮元素在自然界存在-3（NH?）、0（N?）、+3（NO??）、+5（NO??）等多種價(jià)態(tài)，人類活動(dòng)通過(guò)合成氨工業(yè)（哈伯法）將N?轉(zhuǎn)化為NH?，每年全球氮肥施用量超1.8億噸。過(guò)量硝酸鹽隨徑流進(jìn)入水體，在缺氧條件下經(jīng)反硝化細(xì)菌作用生成N?O（溫室效應(yīng)是CO?的298倍），同時(shí)引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化。2024年太湖藍(lán)藻水華期間，檢測(cè)到藻細(xì)胞密度達(dá)1.2×10?個(gè)/L，其產(chǎn)生的微囊藻毒素-LR（C??H??N??O??）屬于強(qiáng)烈肝毒素，需通過(guò)活性炭吸附（吸附容量達(dá)35mg/g）與臭氧氧化（氧化電位2.07V）聯(lián)用技術(shù)去除。二、典型環(huán)境問(wèn)題的化學(xué)機(jī)制分析（一）大氣污染的化學(xué)本質(zhì)PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5μm的顆粒物）的化學(xué)組成揭示其來(lái)源與危害。燃煤電廠排放的SO?在大氣中經(jīng)均相氧化（2SO?+O??2SO?，V?O?催化）和非均相氧化（與顆粒物表面水膜中Fe3?、Mn2?反應(yīng)）生成H?SO?，再與NH?中和形成(NH?)?SO?氣溶膠（占PM2.5質(zhì)量的25%-40%）。機(jī)動(dòng)車尾氣中的NOx與VOCs在紫外線照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)：NO?+hv→NO+O（λ<420nm），O+O?→O?，O?+NO→NO?+O?，循環(huán)生成的O?在夏季午后可達(dá)到200μg/m3（超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值160μg/m3）。室內(nèi)空氣污染呈現(xiàn)復(fù)合型化學(xué)特征。甲醛（HCHO）主要來(lái)自脲醛樹脂膠粘劑，在濕度60%、溫度35℃條件下釋放速率達(dá)0.3mg/(m2·h)，其與人體蛋白質(zhì)中的氨基發(fā)生加成反應(yīng)生成N-羥甲基化合物，具有遺傳毒性。苯系物（苯、甲苯、二甲苯）來(lái)自油漆溶劑，其中苯（C?H?）經(jīng)肝微粒體酶氧化為環(huán)氧苯（C?H?O），進(jìn)一步代謝為具有致癌性的1,2-二羥基苯。采用TiO?光催化降解室內(nèi)污染物時(shí)，需注意其帶隙能（3.2eV）對(duì)應(yīng)紫外光響應(yīng)，通過(guò)摻雜N元素（形成雜質(zhì)能級(jí)）可將響應(yīng)波長(zhǎng)拓展至可見光區(qū)（λ≤550nm），量子效率提升3-5倍。（二）水污染控制的化學(xué)原理重金屬在水體中的化學(xué)形態(tài)決定其遷移性和毒性。Cr(Ⅵ)以CrO?2?、Cr?O?2?形式存在，具有強(qiáng)氧化性（E°Cr?O?2?/Cr3?=1.33V），易通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞；而Cr(Ⅲ)主要形成Cr(OH)?膠體沉淀（pH=8時(shí)溶解度僅1.3×10??mol/L）。電化學(xué)還原法處理含Cr(Ⅵ)廢水時(shí)，鐵陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)Fe-2e?=Fe2?，F(xiàn)e2?將Cr?O?2?還原為Cr3?（6Fe2?+Cr?O?2?+14H?=6Fe3?+2Cr3?+7H?O），在堿性條件下生成Fe(OH)?-Cr(OH)?共沉淀（沉淀效率>99.5%）。持久性有機(jī)污染物（POPs）具有環(huán)境持久性和生物累積性。多氯聯(lián)苯（PCBs，如PCB-126：2,3,7,8-四氯代二苯并對(duì)二噁英）的氯取代基數(shù)與毒性正相關(guān)，其分子結(jié)構(gòu)中平面共軛體系易與芳烴受體（AhR）結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞色素P450酶系異常表達(dá)。2025年新《斯德哥爾摩公約》新增列的全氟辛酸（PFOA，C?HF??O?）具有羧酸基團(tuán)（pKa=2.5）和全氟烷基鏈（C-F鍵鍵能485kJ/mol），在環(huán)境中半衰期超4年，需采用超臨界水氧化（溫度600℃、壓力25MPa）將其礦化為CO?、HF和H?O。三、環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理的化學(xué)技術(shù)應(yīng)用（一）痕量污染物檢測(cè)的化學(xué)方法氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基質(zhì)中污染物的定性定量。分析土壤中多環(huán)芳烴（PAHs）時(shí)，采用正己烷-二氯甲烷（1:1）超聲提?。üβ?00W，溫度40℃），經(jīng)硅膠-弗羅里硅土柱凈化后，通過(guò)DB-5MS毛細(xì)管柱（30m×0.25mm×0.25μm）分離，EI源（70eV）離子化，選擇離子監(jiān)測(cè)模式（SIM）測(cè)定苯并[a]芘（m/z252），檢出限達(dá)0.05ng/g。電化學(xué)傳感器基于污染物的氧化還原特性實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)水中Pb2?時(shí)，將巰基乙酸（HSCH?COOH）修飾在金電極表面，通過(guò)S-Pb配位作用（穩(wěn)定常數(shù)lgK=17.5）富集Pb2?，再采用差分脈沖伏安法（掃描速率50mV/s），在-0.4V（vs.Ag/AgCl）出現(xiàn)還原峰，峰電流與Pb2?濃度在1.0×10??-1.0×10??mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系（R2=0.998）。（二）污染治理的化學(xué)工藝創(chuàng)新高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs）通過(guò)產(chǎn)生·OH（氧化電位2.80V）降解難降解有機(jī)物。芬頓反應(yīng)（Fe2?+H?O?→Fe3?+·OH+OH?）在pH=3時(shí)·OH產(chǎn)率最高，處理含酚廢水（初始濃度500mg/L）時(shí)，H?O?/Fe2?摩爾比控制在10:1，反應(yīng)60min后COD去除率達(dá)92%。為克服Fe3?污泥問(wèn)題，研發(fā)出類芬頓催化劑CuFe?O?（尖晶石結(jié)構(gòu)），其表面Cu2?/Cu?與Fe3?/Fe2?redox對(duì)協(xié)同催化H?O?分解，在pH=5-9范圍內(nèi)仍保持高活性。膜分離技術(shù)與化學(xué)再生相結(jié)合實(shí)現(xiàn)資源回收。電滲析（ED）處理電鍍廢水時(shí)，陽(yáng)膜選擇性透過(guò)Ni2?（遷移數(shù)0.92），在濃縮室形成150g/L的NiSO?溶液，經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶得到NiSO?·6H?O晶體（純度99.5%）。當(dāng)膜面結(jié)垢（主要成分為CaCO?、Mg(OH)?）時(shí)，采用0.5mol/LHCl溶液循環(huán)清洗，檸檬酸（C?H?O?）作為螯合劑可有效去除Fe(OH)?沉淀（形成FeC?H?O??絡(luò)合物）。四、綠色化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展原子經(jīng)濟(jì)性（原子利用率=目標(biāo)產(chǎn)物分子量/所有產(chǎn)物分子量總和×100%）是評(píng)估化學(xué)過(guò)程環(huán)境友好性的核心指標(biāo)。傳統(tǒng)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)采用氯醇法（原子利用率25%），而乙烯直接氧化法（2C?H?+O?→2C?H?O，Ag催化劑）原子利用率達(dá)100%，年減少氯化鈣副產(chǎn)物1.2×10?噸。生物催化技術(shù)利用酶的專一性實(shí)現(xiàn)溫和條件下的化學(xué)反應(yīng)，脂肪酶催化合成生物柴油（轉(zhuǎn)化率98%），反應(yīng)溫度控制在40℃，避免傳統(tǒng)酸催化（濃硫酸）導(dǎo)致的設(shè)備腐蝕和廢酸處理問(wèn)題。新型環(huán)保材料的化學(xué)設(shè)計(jì)推動(dòng)污染預(yù)防?？山到馑芰暇廴樗幔≒LA）通過(guò)乳酸（CH?CHOHCOOH）脫水縮聚制備，在堆肥條件下（58℃，濕度60%）被微生物分泌的脂肪酶水解為乳酸，再經(jīng)丙酮酸途徑代謝為CO?和H?O（降解周期6個(gè)月）。與傳統(tǒng)聚乙烯（PE，降解周期>400年）相比，PLA的生命周期碳排放降低40%-60%。金屬有機(jī)框架材料（MOFs）如UiO-66（Zr?O?(OH)?(BDC)?）具有孔徑可調(diào)（0.6-2.0nm）和比表面積大（1500-2000m2/g）的特點(diǎn)，對(duì)VOCs的吸附量是活性炭的2-3倍，且可通過(guò)熱再生（200℃氮?dú)獯祾撸┭h(huán)使用。五、化學(xué)實(shí)驗(yàn)與環(huán)境教育實(shí)踐（一）環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“水質(zhì)硬度測(cè)定”實(shí)驗(yàn)采用EDTA絡(luò)合滴定法：在pH=10的氨-氯化銨緩沖溶液中，以鉻黑T（EBT）為指示劑，EDTA（Na?H?Y）與Ca2?、Mg2?形成穩(wěn)定絡(luò)合物（lgKCaY=10.69，lgKMgY=8.7），終點(diǎn)時(shí)溶液由酒紅色（Mg-EBT）變?yōu)榧兯{(lán)色。某地下水樣消耗0.0100mol/LEDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液15.60mL（滴定體積V?），另取等量水樣加NaOH調(diào)節(jié)pH>12（Mg2?生成Mg(OH)?沉淀），用鈣指示劑指示終點(diǎn)，消耗EDTA10.80mL（V?），則總硬度（以CaCO?計(jì)）=（0.0100×15.60×100.09）/水樣體積（L）mg/L，鈣硬度=（0.0100×10.80×100.09）/水樣體積（L）mg/L?！巴寥纏H值測(cè)定”需控制液固比（2.5:1）和平衡時(shí)間（30min），使用pH復(fù)合電極（玻璃膜內(nèi)阻<250MΩ），測(cè)定前用pH=4.00（鄰苯二甲酸氫鉀）、6.86（磷酸二氫鉀-磷酸氫二鈉）標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校準(zhǔn)。紅壤因富含F(xiàn)e?O?、Al?O?（水解產(chǎn)生H?），pH值通常在4.5-5.5，施用石灰（CaO）可中和酸性：CaO+H?O=Ca(OH)?，Ca(OH)?+2H?=Ca2?+2H?O，每畝施用量需通過(guò)中和滴定（0.1mol/LHCl標(biāo)準(zhǔn)溶液）測(cè)定土壤交換性酸后計(jì)算。（二）環(huán)境素養(yǎng)的化學(xué)培育化學(xué)計(jì)算能力是理解環(huán)境問(wèn)題的基礎(chǔ)。已知某火電廠燃煤含硫量2.5%，年燃煤量3.0×10?噸，若脫硫效率為95%，則年減排SO?量為：3.0×10?t×2.5%×(64/32)×95%=1.425×10?t（注：S→SO?，摩爾質(zhì)量比64/32）。計(jì)算汽車尾氣中CO的轉(zhuǎn)化率時(shí)，需依據(jù)反應(yīng)2CO+2NO?2CO?+N?（催化劑Pt-Rh），若進(jìn)氣中CO濃度800ppm、NO濃度500ppm，反應(yīng)后CO濃度降至50ppm，則轉(zhuǎn)化率=(800-50)/800×100%=93.75%?；瘜W(xué)史教育揭示環(huán)境意識(shí)的發(fā)展歷程。1952年倫敦?zé)熿F事件（死亡人數(shù)超1.2萬(wàn)）促使英國(guó)頒布《清潔空氣法》（1956），推動(dòng)脫硫技術(shù)發(fā)展；1987年《蒙特利爾議定書》針對(duì)CFCs（如CFCl?）破壞臭氧層（CFCl?+hv→CFCl?+Cl，Cl+O?→ClO+O?），全球逐步淘汰ODS物質(zhì)（2025年CFCs排放量較1989年下降99%）。這些歷史案例表明，化學(xué)技術(shù)進(jìn)步與環(huán)境政策制定需協(xié)同推進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共生。六、前沿交叉與未來(lái)展望環(huán)境化學(xué)與納米技術(shù)的融合催生新型治理材料。石墨烯量子點(diǎn)（GQDs，粒徑<10nm）具有優(yōu)異的光致發(fā)光性能，表面修飾氨基后可通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）檢測(cè)Hg2?，檢測(cè)限低至8.3×10?11mol/L。金屬有機(jī)框架（MOFs）衍生的碳基催化劑（如Zn-MOF-74熱解制備多孔碳），在電催化CO?還原反應(yīng)中表現(xiàn)出高選擇性（生成CO的法拉第效率達(dá)92%），為碳捕集與轉(zhuǎn)化提供新途徑。合成生物學(xué)為污染治理提供綠色解決方案。通過(guò)基因編輯技術(shù)（CRISPR-Cas9）改造大腸桿菌，導(dǎo)入萘雙加氧酶基因（nahA）和水楊酸羥化酶基因（nahG），可將萘（C??H?）代謝為水楊酸（C?H?O?）并進(jìn)一步降解為CO?和H?O，降解速率達(dá)50mg/(L·h)。人工合成的微生物群落（包含假單胞菌、鞘氨醇單胞