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碳和煤炭以及萘和苯并芘 精选

已有 3608 次阅读 2023-11-15 08:31 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

碳和煤炭以及萘和苯并芘

近日,一桩因土地污染而引起的标的达100多亿元人民币的官司,惹人注目。所谓“毒土地”,成了一个很吸引人的词语。从媒体披露和关心的这块土地的超标污染物,最主要的是萘和苯并芘。

什么是萘和苯并芘,它们是从哪里来的?我们不妨从头说起。

碳是地球表面层即地壳中的一种化学元素,虽然其质量只占地壳中全部质量的0.02%,在各元素中排名第17,但是,却是形成我们所有生物体最主要的元素。这与它的原子结构有关。

碳,元素符号C,是第6号元素,原子核内有6个质子,核外有6个电子,其中2个是内层电子不参与化学反应,4个电子是价电子,可以与其他原子形成4个化学键。

由于碳原子吸引电子的能力中等,又需要形成4个键,它能够与氢、碳、氧、氮、磷、硫等原子形成稳定、强度中等而形式多样的共价键。这是它能够形成各种各样形式众多的有机分子和由千千万万个原子组成的生物大分子的基础。

众所周知,我们家里做饭做菜用的天然气,主要成分就是甲烷,CH4。碳原子与4个氢原子成键,碳原子C位于正四面体的中心(就像一个蛋黄粽子中间的蛋黄),4个氢原子H位于正四面体的4个顶点(粽子的四个角)。

两个碳原子之间也可以成键,乙烷C2H6,其中两个碳原子之间形成了一个键。与之类似,还可以继续接上去碳原子,如丙烷C3H8,丁烷C4H10,戊烷C5H12,己烷C6H14,如此等等。

两个碳原子之间还可以形成两个键,称为双键,例如乙烯,C2H4。

这些小分子及其结构,早在19世纪就被化学家知道了。原子和分子的体积非常小,当时的人们是看不见的。但是,聪明的化学家能够利用它们的性质推测出来这些分子的结构。

在19世纪,人们从煤焦油中发现了苯,其分子式为C6H6。这是一个环状的平面分子。6个碳原子构成一个正六边形的环,早期的化学家把碳原子之间的共价键写为间隔的单双键,实际上这六个键是等同的,并无单双键之分。

要注意的是,所谓单键和双键只是人们为了解释某些化学性质而设想的模型,并不是一种化学的真实。然而人们已经习惯了这种“语言”和“图像”,所以,我们在使用化学结构图形时仍然这样表示。例如,我们把苯的结构式表示为

IMG_20231113_151753_edit_9648767087067.jpg

一般情况下,为了简单起见,人们不再标出结构图中的碳原子和氢原子,反正我们知道每一个碳原子边上是4个键,不足4个的就连着氢原子。

苯是一个良好的有机溶剂,有特殊的气味,含有苯环的烃类化合物被称为芳香烃。苯有毒性,能致癌。

两个苯环并在一起的化合物C10H8,是萘。在常温下,萘是白色的固体,但是容易升华成为气体。

我年轻的时候,几乎每家每户都有萘丸(当时被称为卫生球,也有人称臭球)。人们把“卫生球”放在衣柜(书橱,如果有的话)里防止虫蛀,以代替樟脑丸。这种卫生球很便宜,所以很受欢迎。后来发现,如果人们反复接触萘蒸气,可引起头痛、乏力、恶心、呕吐和血液系统损害,亦可影响视神经,所以,大概八九十年代以后这种“卫生球”就退出市场了。

苯环并在一起,被称为稠环芳烃。萘就是一种最简单的稠环芳烃。

萘再并上一个苯环,成C14H10,常见的两种并法,一种是三个环平行排列,称为蒽(音en1)。另一种是第三个环在萘环外侧的“肩上”,称为菲(音fei1)。

一种有四个苯并起来的,称为芘(音bi3)。如图

芳烃.jpg

这些化合物的中文名称都有草字头。原因是它们都与苯有关。这些化合物的名称,产生于上世纪30 年代,后来就不再制造或翻新汉字,而是直接按照外语的意思,意译成词。例如在芘上再并上一个苯环,称苯并芘。苯并芘有多种异构体,图示为其中之一。

苯并芘有强烈的致癌作用,是人们需要重点防范的环境污染物。

这些稠环芳烃,都是平面分子。众多碳原子之间形成“共轭“的π键。一般地说,两个电子形成一个键,缺少或者多余一个电子这个键就不稳定,容易断裂。现在众多的电子形成共轭,多一个或少一个电子对于这个共轭的体系影响就小得多。这样的共轭体系使得这些稠环芳烃分子都很稳定,在自然状态下不易分解,故而具有很好的工业用途。但是,后来人们发现,长期接触这些稠环芳烃可能使人致癌。
而且,由于这些分子具有很好的稳定性,在自然的条件下,即使是光照的情况下,这些分子的解离也非常缓慢。所以,它们对于自然环境的破坏是长期的。

稠环芳烃的最大的来源之一是煤焦油。

煤焦油是煤在干馏的时候产生的。所谓干馏,就是在隔绝氧气或氧气不足的时候,把煤加热,使煤裂解。

从化学成分来说,组成煤的主要元素是碳,其次是氢,也有一点氧,还有少量的氮和硫。虽然各地各种煤炭成分各有差别,作为一个平均,一般情况下,大致可用化学式C135H96O9NS代表。至于煤的微观结构,大致可以用下图表示

 

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从图上一眼就可以看出,那些小的稠环芳烃,不过只是巨大的“煤分子”的“碎片”罢了。

在炼焦的过程中,煤被加热,巨大分子的各种化学键都多多少少发生了断裂或有一些重新组合。由于成分之中最多的原子是碳原子,化学键断裂后所有其他元素都基本上离开了碳原子,剩下了比较纯的碳元素,这就是焦炭。

这个过程中会产生一些很小的分子如H2、CO、CO2、 CH4、C2H4、NH3、H2S等,这些都是气体,在炼焦炉里产生的,称焦炉气。

也有一些分子略大,如苯、二甲笨、酚等单环芳烃,以及萘、蒽、菲等众多的稠环芳烃,这些呈液态,就是煤焦油。还有一些分子量更大的,在高温下能够流动,温度低了就凝固下来,那就是沥青。

在这个过程中,有些煤焦油(当然包括苯并芘在内的稠环芳烃)流向地面,渗入地下,就会污染土壤甚至地下水。所以,炼焦厂的一些地块,容易产生这些稠环芳烃的污染。

回想起当年“大炼钢铁”,全国各地遍地开花的小高炉、小炼焦炉。那些小炼焦炉根本不回收煤焦油,而且炼焦温度很低,产生苯并芘等稠环芳烃的数量很多,都留在了土壤之中,也挥发到大气中。那污染真是一塌糊涂,只是当时人们只有一腔热情,认识不到这个问题的严重性。

实际上,由于稠环芳烃是煤的重要组分,这个可能产生苯并芘等化合物污染的过程不但在炼焦过程中发生,只要是煤的燃烧都会产生稠环芳烃。燃烧温度低,产生的苯并芘等的百分比更多。不但煤的燃烧过程中产生,木材、农作物秸秆的燃烧过程中都会产生苯并芘一类的稠环芳烃。

过去,我们家家户户都烧煤炉,北方人用来烹饪、取暖,大量污染物都排放到室内外。而南方人的小煤炉更是都没有烟囱,就放在厨房里、走廊上,房间门口甚至房间里,烟尘中的稠环芳烃(当然包括苯并芘)现在想来都害怕。

过去(以及现在的很多地方)农村的燃料是秸秆、树叶等,在燃烧的过程中也都产生苯并芘。

城市里秋天的落叶,堆在地面上,过去有的人嫌体积大清理麻烦,就一把火烧了,也造成很大的污染。

如果燃烧的过程中温度非常高,氧气又很充足,就像现在的垃圾焚烧炉那样,把那些稠环芳烃都继续充分燃烧生成二氧化碳和水,那污染就基本上消除了。当然严格地说,产生二氧化碳也是产生温室气体,影响地球环境,但那是另外一码事了,与我们的健康没有直接的关系。

当然,现在很多人仍然不肯改悔的吸烟也是会产生一些苯并芘的。但是这只是小范围里的污染,影响他周围的人。

我们过去经济不发达,吃饭问题是第一位的,首先为了吃饱肚子,所以,对环境污染的问题没有像如今这样重视。现在想想,很多健康问题,如大量的癌症,应当与前几十年的环境污染有关系的。

我们现在家里烹饪、取暖,绝大多数的城市家庭已经不再燃煤,这是一个很大的进步。城市发电和集中采暖,用的是巨大的现代化锅炉,虽然也还烧煤,但是这些锅炉温度高,供氧气充分,产生稠环芳烃等污染物就很少了。当然,用天然气作燃料,将是一个更好的选择。

在我们的家庭内部,平时生活中有还有很大的改进余地。例如,食物尽可能避免高温烧烤,有的地方仍然盛行烧烤,特别是用火直接烧烤,更是容易产生苯并芘等污染物,影响食用者和家人。烹饪时也应当尽可能减少煎炒烹炸,多用蒸煮。吸烟的人,总是很难听劝的,更有一些人,只是相信(不知道真信假信)那些异端邪说,那就没有办法了。但愿他们心爱的小儿孙们能够抑制他们。




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