第一章化学与哲学

化学作为一门基础学科，在科学技术和社会生活的方方面面正起着越来越大的作用。从化学在远古时代的萌芽时期发展到现代的化学时期，人类生活的各个方面，社会发展的各种需要都与化学息息相关，化学学科是人类进步的关键。

●1.1从化学发展史看化学与人类文明

纵观化学发展史，人类化学知识的发展，都是从一些自然的化学现象开始的，化学同其他学科一样来源于生产，它的产生和发展一开始就是又生产决定的，生产发展反作用于化学发展。从起初的制陶，金属冶炼，酿造，火药，药物等，可以看出化学的发展与人类最基本的生产活动紧密联系在一起，社会生产的需要推动了化学科学的产生和迅速发展，同时也给化学研究提供了必须的条件，而且，生产实践还是化学知识的基本源泉，是检验化学理论的重要标准。人类文明造就了化学行业的出现和壮大，化学又促进了人类文明的持续健康发展，二者相得益彰。

●1.2化学方法论

化学方法论是从化学研究方法、一般学习方法中分化出来，是学习方法论的一个重要分支领域，是探索化学研究艺术的论述，是关于化学科学一般研究方法的理论。

第二章绿色化学的发展

“绿色化学”一词在1990年发表的一篇论文的题目中最早使用。1993年美国环境保护局将其1991年启动的“为污染预防变更合成路线”研究计划更名为“绿色化学计划”，并赋予了“绿色化学”用化学预防污染的含义。

●2.1绿色化学的定义、产生和发展

“绿色化学”被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）认可，被定义为:“发明、设计和应用能降低或消除危害物质的使用和产生的化学产品和过程”

●2.2绿色化学在我国的发展

绿色化学是化学行业未来的发展趋势，这一点是化学界公认的。20世纪90年代以来，我国逐渐意识到了绿色化学的重要性，越来越多的学者投身绿色化学研究，国家也紧跟国际发展趋势，倡导绿色化学，实施可持续发展战略。我国在可持续发展战略的指引下，清洁生产、环境保护受到各级政府部门的高度重视。

●2.3绿色化学研究课题的确定方法

绿色化学主要研究内容和任务有以下五个方面：设计更安全的化学品（产品的绿色化）。寻找绿色原料和试剂（原料的绿色化）。选择合适的反应条件（溶剂、催化剂的绿色化）。设计理想的合成路线（原子经济性反应）。寻找新的转化方法（高效化学反应新技术的运用）。

第三章绿色化学理论

绿色化学的一个核心就是设计。通过分子水平上对化学品和化学合成工艺的精心设计，使得在制造和应用化学品时，能够高效地利用原料（首选可再生的）、消除废物和避免使用有毒或有危险的试剂和溶剂，借此消除化工过程中内在的危害和造成事故的风险，降低化学过程的不良后果，实现化学与生态环境的协调。

●3.1防止污染优于污染治理

预防，即防止废物原则，也称“预防原则”。是指在分子水平上预防污染，其核心为防止废物产生优于废物产生后进行处理。作为绿色化学12条原则的首条，防止废物原则是12条中最重要的一条，也是绿色化学理念的基础，其余各个原则的根本目的均为如何实现此原则。

●3.2绿色合成与设计安全化学品

传统化学对一个合成反应进行评价时，往往依据的是反应的“产率”指标，即某种目标产物的实际产量与理论产量的比值。然而产率只能表现反应目标产物的产量情况，会忽视合成过程中的废物，即使一个产率能达到100%的反应也可能在生成目标产物的同时产生大量的废物。因此用产率来评价一个合成过程的效率和其对环境的影响是不完全的。 “原子经济性”(atom economy, AE)的概念，也被称为“原子效率”(atom efficiency)，原子经济性的特点就是最大限度地利用原料，最大程度地减少废物的排放。高效的合成反应应该是最大化地利用原材料中每一个原子，使之最大程度地进入产物之中，即最理想的合成反应器AE应为100%，不产生副产物或废物，实现废物“零排放”。所以同时应用产率和原子经济性两个概念，才能真正合理客观的评价化学反应的“绿色化”与否。

●3.3采用无毒无害的溶剂和助剂

使用更安全的溶剂或助剂，即在有可能的前提下，优先选择不使用辅助物质（包括溶剂、助剂、分离试剂等）的过程，在必须使用时，选择无毒无害的辅助物质。在此原则下，生产过程中所产生的溶剂或助剂废物将会大大降低。一个友好的溶剂或助剂应具有较小的毒性、对环境具有较小的影响、能降低能量的需求、没有重大的安全影响等。

●3.4合理使用和节省能源

反应过程设计要讲求能耗，尽可能降低化学过程所需能量，同时考虑化学工艺的能量需求对环境和经济效益的影响，并使其最小化，合成方法应尽可能在常温常压下进行。能源消耗量的日渐增加以及化石能源的日渐枯竭已经引起了人们的广泛关注，推动了节能设计的快速发展，在化学工业中，提高能源效率也是绿色设计需要考虑的重要方面。

●3.5利用可再生的资源合成化学品

作为人类能够长久依赖的资源，它必须储量丰富，最好是可再生的，而且它的利用不会引起环境污染。基于这一原则，可再生资源将是人类未来的理想选择。可再生资源是指在短时期内可以再生，或是可以循环使用的自然资源，又称可更新资源，主要包括生物资源(可再生)、土地资源、水资源、气候资源等，后三者是可以循环再现和不断更新的资源。

●3.6设计可降解化学品

很多有机化学品的难降解性是其造成环境污染的根源之一。经过数十年的数据收集，人们已经发现某些特定结构的化学物质较难降解，如含卤素、支链、季碳、叔胺和某些杂环结构的化合物，因此在能保证产品正常功能的情况下，应尽可能设计不含这些结构的化合物。通过引入适当的特殊官能团和结构，使化学品在适当条件下能够发生水解、光解或生物降解，确定化学品在完成使用功能后不产生任何有毒、有害物质，或在环境中不能长期存在，降解过程及产物对人体健康、生态环境无危害。

●3.7环境友好催化

催化剂的作用是促进反应的进行，但本身在反应中不被消耗，也不出现在最终的产品中。据统计，目前化工生产中，90%以上的化学反应需要使用催化剂。正确选用催化剂，可以加速反应的进程，提高反应转化率和产物选择性，降低能耗，从根本上减少或消除副产物的产生，减少废物排放，最大限度地利用各种资源。目前，环境友好催化剂涉及的领域非常广泛。主要有：分子筛、杂多酸化合物、全氟磺酸树脂、生物催化剂、纳米催化剂等。

●3.8防止污染的快速检测和控制

随着绿色化学的兴起，科学家已经高度重视环境保护并做了多方面工作。绿色化学的目标是从源头上避免有害物质的生成，因此，实时检测技术将在有效控制污染物产生的过程中发挥重要作用，实现在线分析或即时分析。通过该技术，可以对化学反应过程中有害物质和副反应进行跟踪监测。当这些副反应发生以后，通过信息反馈，能够及时调整反应参数使其减少或消除。另外，将传感器和过程控制系统建立联系，有可能实现自动化控制。

●3.9减少或消除事故隐患

提高化学过程的内在安全性以防止意外事故原则，即是指在化学过程中，选用的物质或使用物质的方式应当使发生化学事故(包括释放、爆炸和火灾)的可能性最小化。为了预防事故，首先辨识和评价化学品和化学过程的危害性，包括物理危害、健康危害和环境危害等，针对辨识出的危害，在设计化学品和化学过程时就要处理好各种类型的危害问题，所以绿色化学的这条原则也被称为“安全原则”

第四章绿色化学化工技术简介

绿色化学化工技术主要指的是通过新技术的开发应用，将传统化学工业生产中产生的无形或有形的环境污染源逐渐减少，进一步创新、完善和改进化学生产工艺的方法。绿色化工技术从化学原料和化学工业生产中的废弃物着手，通过新技术理念的应用，有效减少传统化学生产工艺中产生的污染环境的废气、废水和有毒物质。绿色化工技术还能提高资源回收利用率，减少资源浪费，有成效地解决了环境问题。这一前瞻性技术将给化工领域和社会带来巨大的经济实用价值。

●4.1催化技术

催化剂在化学工业中占有重要地位，80%以上的化学品均是通过催化反应制备的。但是传统的催化过程单纯注重生产的经济性而对其环境效益和生态效应注意不够，所以目前使用的催化剂大多在一定程度上对环境带来危害。随着人们对于环境、生态保护的日益关注，绿色化学与清洁工艺也逐渐兴起，这就要求化学品的生产能最大限度的合理利用资源、最低限度的产生环境污染和最大限度的维护生态平衡。研究和开发环境友好的绿色催化技术具有重要意义。

●4.2生物技术

现代生物技术已成为当代生物科学研究和开发的主流，通常认为生物技术主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和微生物发酵工程。它们彼此相互渗透，相互交融。基因工程是生物技术的主导技术；细胞工程是生物技术的基础；酶工程是生物技术的条件；微生物发酵工程和生物化学工程是生物技术实现工业化、获得最终产品、转化为生产力的关键。

●4.3微波技术

微波技术作为一种将电磁能转化为热能的特殊导热方式，它是直接加热反应的溶剂和反应物，而不是通过反应容器加热，使得很多反应可以在无溶剂条件下进行，并且使得有机反应速度加快，反应时间大大缩短，具有节能、高效、安全、环保的优势。

●4.4超声技术

超声波的应用范围有：工业焊接，器具清洗，材料净化，物理化学，聚合物化学，医学。超声波在化学领域的理论支持是:空化现象可能是化学效应的关键，即在液体介质中微泡的形成和破裂及伴随能量的释放。空化现象所产生的瞬间内爆有强烈的振动波，产生短暂的高能环境这些能量可以用来打开化学键，促使反应进行。

●4.5膜技术

膜技术是一门涉及多学科的高新技术，近几十年发展迅速。膜技术主要用于分离过程，是新型的分离、浓缩、提纯、净化技术。膜技术有两大模块：膜分离技术，膜反应器。

第五章绿色化肥

说起化肥，人们就会与“绿色食品”联系起来。传统的“粪大水勤，不用问人”、“施肥越多越高产”的观点已不再具有广泛的市场，大多数人已认识到过量施肥对生态环境和农产品品质的不良效应，但在此过程中，又出现了片面夸大化肥负效应的现象，甚至“谈肥色变”。有些地方和部门甚至把化肥污染归罪于硝态氮肥，使化肥工业无所适从。在推广“有机农业”、“绿色食品”和“无公害农产品”时，人们盲目认为不施用化肥，而全部改用有机肥，就是绿色化。实际上，中国一百多年施用化肥的历史证实，化肥本身是无害的，施用化肥造成的危害主要是因为不科学、不合理地使用了化肥。

●5.1化肥的循环

当化肥进入土壤中后，会被分解以及被植物吸收，无法进行回收，也就无法再循环利用了。因此，使用化肥要控制好用量，过度施肥会造成环境污染，还会对土壤的结构造成一定的破坏。

●5.2绿色化肥生产技术

所谓绿色化肥是指具有明确的适应作物生长规律需求的营养元素，既无环境污染，又能提高产量和品质的一类新型肥料。

第六章绿色制药

绿色制药是绿色化学的重要研究方向，其特征主要有∶把防止污染作为设计、筛选药品生产工艺的首要条件，实施清洁生产工艺;把低消耗、无污染、资源再生、废弃物循环利用、可分离降解作为绿色化的指标。

●6.1化学制药的绿色化

绿色化学制药就是运用绿色化学的原理技术，提高原料的原子利用率，减小或消除有害副产物的产生，使溶剂和试剂再循环回收利用，采用环境友好的工艺，实现无害化的工艺生产。催化技术是推动“绿色制药”不断发展的核心力量。

●6.2中草药制药的绿色化

绿色天然药物是在继承和发扬中华医药优势和特色的基础上，充分利用现代科学技术，借鉴医药标准和规范，研究开发的“安全、高效、稳定、可控”的现代中药产品。采用现代科学技术和手段，进行天然药物生产技术的现代化、工艺工程化和产业规模化研究，是实现天然药物制药绿色化的关键。在天然药物提取中，超临界萃取、超声波提取、树脂吸附分离等技术得到了广泛的应用。

●6.3生物制药的绿色化

生物制药是生物学原理与制药工程相结合的制药技术，是现代生物技术在医学制药的领域的应用，生物技术为医药研究与创新提供了新的方法、手段和途径，可用来制备大量难以获得的生物活性物质以及体内含量极低的蛋白质和多肽，使之成为新药，可以用来改进预防疾病的疫苗，建立新的诊断方法，对防治严重危害人类健康的疾病起到越来越重要的作用。

第七章绿色农药

民以食为天，农药是全面建设小康社会进程中事关工农业生产、环境生态可持续发展、人民健康及社会稳定的重大科学技术问题。农业的发展方向是优质、安全、高产、高效，农药再其中具有十分重要的作用。目前，农业病虫草害种类有十多万种，据统计，农药挽回了每年因其造成的30%的谷物损失。发展高效、低毒的绿色农药意义重大。本部分将对生物农药的品种及特点、光活化农药的应用及微胶囊绿色农药制剂做简要介绍。

●7.1生物农药品种、特点

生物农药是从天然材料，如动物、植物、细菌和矿物衍生的农药。生物农药往往是毒性较小、可生物降解更快且对特殊虫害更有针对性，但对虫害的目标范围较窄，它们也趋向于具有更具体的作用方式。生物农药经常被设计来控制害虫种群到可管理的水平，而不是完全根除一个目标害虫。根据使用的活性成分的类型，即微生物、生化或植物保护剂将生物农药分为三大类：生物化学农药、微生物农药、生物农药。

●7.2光活化农药的应用

光活化农药是一种能利用农作物生长环境中的阳光、氧气等自然因子作为农药发挥活性的激发因子和辅助条件来提高其生物活性的光敏剂，通过光动力作用即光敏剂在光照和分子氧存在的条件下，对细胞、病毒、生物体起控制作用，或在该条件下对生物分子诱发的化学修饰作用。

●7.3微胶囊绿色农药制剂

农药微胶囊剂是以天然或合成的高分子材料作为囊壁或囊膜，通过化学、物理或物理化学的方法，将农药活性物质作为囊芯包裹起来，形成种具有半渗透性囊膜的微型胶囊，并将它们以一定的浓度稳定地分散、悬浮在作为连续相的水中。其中作为囊芯的活性成分可以是固体、液体甚至是气体，也可以是固固、液液或固液的混合物。微胶囊农药作为高效、低毒的一种新剂型，这些年来正受到广泛的关注，是农药新剂型中技术含量最高的一种农药制剂。

第八章绿色日用品

自然、健康的养生美容理念是现代都市人对生活品质的追求。

●8.1化妆品与皮肤

绿色化妆品应当满足以下几个方面的要求：① 选用纯天然植物原料, 尽量不使用对皮肤有刺激的色素、香精和防腐剂，以减少化学合成物给人体带来的危害。从原料把关，生产出对人体绝对安全的化妆品。 ② 采用在制造、使用和处理各个阶段中均对环境和人体无害的清洁生产技术, 把污染防治由末端治理向生产过程转变。③ 使用可生物降解和可再生利用的包装材料，减少过度包装, 包装容器尽量循环使用。 ④ 喷发胶、剃须用品、喷雾香水用的气溶喷射剂由安全的液化石油和二甲醚取代, 以消除对臭氧层的破坏。⑤ 舍弃化学合成添加剂而采用生物工程制剂、天然植物提取物。在安全无害的前提下, 发挥除皱美白、抗衰老的功效。

●8.2洗涤用品与人类健康

洗涤剂起作用是靠物理、化学和机械综合作用的结果，一般情况下，衣物上的污垢是液体和固体的混合物，去污过程比较复杂，大致包括物理——化学作用。洗涤液中的表面活性剂能降低水的表面张力，从而增加了水对衣物的润湿能力，使洗涤液能够充分渗入衣物的纤维中，通过表面活性剂分子与被洗织物上的污垢产生亲合作用，使污垢从洗织物上分离下来。加上人工搓洗或机械搅拌的时候，污垢从织物上分离而分散在溶液中，经反复漂洗，污垢即可除去。

第九章绿色添加剂与未来食品

食品添加剂是现代食品工业不可缺少的重要原料，食品工业的发展与食品添加剂有着密切的关系。食品添加剂满足了人民群众日益升级的消费需求，为食品工业繁荣发展做出了重要的贡献。食品添加剂行业已呈现出紧跟消费升级的发展新趋势即天然食品添加剂。

●9.1食品的化学污染

食品中的化学污染主要有四个方面，分别是自然环境污染，工业三废污染，农用化学品和兽药的污染以及动物性食品生产，加工，储存，包装和运输过程中的污染

●9.2绿色食品添加剂

食品添加剂是当代食品体系的重要组成部分，在人们的生活方式中占据一定的地位。食品添加剂在历史上一直被使用，也被严格的调查、管理和控制。这里将介绍几种不同类型的食品添加剂及它们的特性和结构。科学的说法是“食品添加剂是添加到食物中的物质，用来保持和提升味道和外观”。

第十章绿色轻化工业

轻化工业包括制浆造纸、制盐、食品及饮料、皮革皮毛及其制品、日用杂品、室内装饰、轻工装备等。

●10.1制革工业中清洁工艺

包含制革工业在内的皮革行业不仅是轻工行业中的支柱产业，而且是出口创汇型产业，出口值连续多年名列轻工各行业之首，出口创汇仅次于石油化工行业，在我国国民经济中占有重要地位。随着环保意识的增强，环保要求日趋严格，小型制革厂商面临倒闭，大型厂商寻求转型是必然的趋势。制革作为皮革产业链中的重要一环，能否在这一生产阶段应用清洁工艺实现绿色工业生产，将污染消除，对皮革行业的健康可持续发展起着至关重要的作用。

●10.2造纸工业清洁生产工艺

造纸作为我国古代四大发明之一，已经经过了数千年的发展历程，极大的促进了人类文明建设。然而制浆造纸液却是污染我国环境最重要的三大产业之一。传统的制浆造纸工业对我国环境所造成的污染，特别是对水的污染是很严重的，造纸行业也因此成为了众多污染排放控制的重点行业。

●10.3发酵工业的清洁工艺

发酵工业是我国生物产业的重要行业，近年来产业发展迅速，产业结构不断优化，企业竞争力不断增强，产业正朝着多品种、个性化、专一化和高附加值方向发展。产业快速发展的同时也面临诸多挑战，近年来，我国发酵行业运行持续走低，行业利润显著下滑，节能减排任务更加艰巨，提质增效、科技创新、结构调整等问题依然严峻

第十一章绿色能源工业

能源是现代文明的物质基础。化石原料是最主要的能源物质，但其不可再生。化石能源的使用中常常伴随着氮氧化物、硫氧化物的释放，造成大气污染。因此，能源的绿色化利用和新型绿色能源的开发是绿色化学的主要研究内容之一。

●11.1洁净煤技术

洁净煤燃烧技术是目前国际上，最先进的燃烧技术，是指煤炭从开发到利用的全过程中，减少污染排放、提高利用效率，在加工、燃烧、转化及污染控制等采用了高新技术。该技术较好地解决了环保问题和节能问题,这一新技术，将成为我国向资源节约和环境无害的可持续模式转变的关键战略措施之一。

●11.2机动车燃料的绿色化

说起机动车燃料的绿色化，由绿色消费理念到“绿色汽车”，再到新能源汽车的发展，都离不开燃料电池汽车的发展。

●11.3生物资源的利用

能源是发展工农业生产和提高人民生活水平的重要物质基础；能源是工农业生产的粮食和血液，是社会经济发展的动力；是国民经济发展的先行官。人们一定无法想象，今天如果没有能源，世界会变成什么样子。为什么寻找新能源？能源危机问题的存在需要开发新能源。

第十二章环境材料

材料是人类社会进步的基础和先导，对经济发展以及物质文化生活水平的提高有着举足轻重的作用。然而，材料在合成、制备、生产、加工、使用和废弃的过程中，常常需要消耗大量的资源和能源，并排放出废气、废水和废渣等污染物，给人类生存环境造成直接污染和破坏。统计表明，材料及其制品的制造、使用和废弃过程是造成能源短缺、资源消耗过度以及环境污染的主要原因之一。

●12.1环境材料的概念与设计路径

环境材料是指对资源和能源消耗少，对生态环境影响小，再生循环利用率高或可降解使用的新材料。

●12.2典型的环境材料

生态环境材料是指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性或者是能够改善环境的材料。我们重点将介绍天然环境材料，仿生合成材料，绿色包装材料，生物降解塑料和环境工程材料。

●12.3环境友好高分子材料

高分子材料的降解技术，也可称为高分子材料的零排放，是指制品完成其使用价值后，通过高效溶剂或能吞噬高分子材料度弃物的物质就地或异地二变，无毒的回归大自然或进入人类生态环境的系统工程。

第十三章化学元素与人类健康

宇宙中的万物，都是由各种元素通过无比精巧的组合而构成的，而所有的元素都是由质子、中子以及电子等基本粒子构成，其中原子核内质子的数量决定了元素的种类。理论上，只要将这些基本粒子堆积起来，就可以创造出所有的元素。

●13.1元素是宇宙万物的组成者

组成我们身体的每个细胞、每个分子、每个原子都产生于远古的恒星，都记载着宇宙中那些美丽的篇章。

●13.2人体中的化学元素

元素在人体中的分布，反映了元素在地球表面、海洋和低大气层的分布，与循环密切相关。由于较重的元素已被压倒行星熔融的核心之中，因此，人体就由较轻的元素组成，此外，人体在自然界选择必需元素时还与元素的存在，化学性质等诸多因素有关。

●13.3元素的力量－关注人类生存质量

人类的生存质量与人体内的各种元素密切相关，简述了生物元素及其功能，除氧、碳、氢外，几种常见元素在人体中的作用。

第十四章化学研究中的系统方法

系统科学方法是现代科学研究中一组新的思维方法，二十世纪四十年代诞生的系统论、信息论和控制论被合称“老三论”，在此基础上，70年代发展起来的耗散结构理论、协同学、突变理论，被合称为“新三论”。它们的产生和发展为人类研究复杂客观事物提供了新方法，是现代自然科学、社会科学、思维科学发展综合的结果。

●14.1“三论”与三论方法

中国科学家钱学森在系统理论和系统方法的研究中也做出了杰出贡献，并出版了《系统工程》专著。

●14.2布鲁塞尔学派研究化学中自组织现象的方法

针对化学中的自组织问题，提出了问题引入：许多复杂的化学过程往往依靠经验解释，缺乏机理说明，例如，多相催化过程，铂催化条件下氨氧化制硝酸，在氧化铜表面催化情况下使N2O分解等。以及还提出了问题解决：为了探讨上述问题，普利高津等人首先讨论了从化学平衡向化学非平衡的转化，这是对化学思想方法的发展，是一个突出的贡献。

●14.3三论方法与化学工程

在三论方法中，尤其是耗散化学的思想方法，不仅对非平衡化学的研究带来了重要的进展，同时耗散结构、协同学所提出的从无序走向有序和从有序走向混沌的条件和机制，对化工生产有重大的指导意义，再加上把系统工程学的思想方法用于化学研究和化学工程的研究，使我们得到了很有意义的启示，从而逐步形成了“化学系统工程”的概念。

第十五章化学前沿中的方法论问题

21世纪研究方式由静态向动态深入发展：21世纪对化学结构的研究也打破了凯库勒、布特列洛夫式的“死结构”，深入地研究了化学反应过程和反应机理，在理论和实践方面都进行深入的研究，由此合成了大量新物质、新材料。

●15.1探测化学结构的间接性方法

现代化学对微观化学结构和过程的研究是各种间接手段的综合结果：光谱、能谱、X射线衍射、质谱、核磁等间接手段所得到的结果形式相差很大，唯有靠理论思维对结果形式进行系统的综合分析研究，确认物质微观结构。沃森和克里克能首先提出了DNA的双螺旋结构，就是把对DNA探索的大量间接结果用理论思维进行精辟地概括和提炼，最后得出“双螺旋”的结论。

●15.2量子化学、计算化学和分子设计中的方法论问题

量子化学是物理学、化学、数学相互渗透的结果，特别是1927年，海特勒和伦敦把海森堡对氦(原子双电子体系）的简并微扰处理方法，移植过来处理氢分子，取得成功，从而宣布了量子化学的诞生。现在已经建立了价键理论、分子轨道理论、配位场理论等三大理论基础。

●15.3生命化学方法论问题

当代生命化学，主要集中在对蛋白质、基因破译等生物大分子的结构和性质的研究上。对生命大分子的研究，比对一般化学物质的研究要困难得多。