论物理化学在环境科学中的应用

论物理化学在环境科学

中的应用

-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

论物理化学在环境科学中的应用

摘要：物理化学是从事环境工作的必备学科，环境工程广泛的应用到物理化学中的知识，本文主要介绍了物理化学在环境工程中的一些应用。

关键词：物理化学，环境工程。

环境科学是研究和从事防治环境污染和提高环境质量的科学技术，是一门由多学科到跨学科的庞大科学体系组成的新兴边缘学科，它与自然科学、社会科学和技术科学相结合，是现代科学技术向深度广度进军的标志,是人类认识和改造自然进一步深化的表现。物理化学是从物质的物理变化和化学变化入手，并运用物理学的理论和试验方法来探求化学变化基本规律的一门学科。物理化学是现代化学的基石，它是其他化学分支学科和相关学科的理论基础和实验研究的依据。物理化学是学习化学、化工、环境、生物、材料等专业的重要基础课程。对环境工程专业的学生来说物理化学是一门重要的基础课程，是继无机化学、分析化学、有机化学之后的一门理论化学课程，同时又为后继课程如环境生态学、大气污染控制等的学习提供方法和理论指导，在基础课程和专业课程之间起着承上启的纽带作用。

我们所学的《物理化学核心教程》有以下章节，现分别对其分析：前三章主要讲了气体方面的研究，主要有热力学基本概念：状态函数、内能（热力学能）、热、功、热力学第一定律。恒容热、恒压热、焓、热容、相变焓、标准摩尔反应焓及其计算。可逆过程与可逆体积功的计算。在普通物理课程中已讲过的卡诺循环和卡诺定理的基础上引出熵函变。掌握熵变的计算。热力学第三定律及化学反应熵变的计算。亥姆霍兹函数及吉布斯函数、热力学基本方程，麦克斯韦关系式。这方面在环境科学中的应用主要有：污染气体的治理，污染气体的检测，烟气处理等等。在处理污染气体时，学完物理化学我们可以知道大概需要多少热量，需要何种催化剂，还可以知道其中的反应机理。还有比如垃圾的燃烧，学完物理化学，我们可以大概的算出此过程可以放出的热量，还可以对燃烧的垃圾的热值进行判断，当垃圾的热值达不到某一标准时，此垃圾就不可以用来燃烧，只能进填埋场。我们可以通过可逆过程气体膨胀对外做最大功，可逆压缩对外所需要的功最少来设计合理的过程，以达到节省能源的目的。我们还可以用焓判据，熵判据，亥母赫兹判据，吉布斯自由能判据来判断某一反应能否进行。再比如生态系统是通过质能交换达到动态平衡的相对稳定的统一整合体，生态系统中存在的物质能量流动在一般情况下达到动态平衡，即生态平衡。生态平衡失调乃至破坏，是今天人类面临的环境问题的一个重要方面。利用热力学第一定律和第二定律，可以比较清楚地了解生态系统中能量流动的大小、方向和形式。

第四章讲的是多组分系统热力学基础，学完此章节我们可以通过测定溶液上方蒸汽压的大小来判断此溶液中所含杂质地比例。对污水净化时有时要用到半透膜，这时就要运用到本章所学的渗透压的计算。若溶液中进入杂质，这会导致蒸汽压下降，凝固点降低，沸点升高，我们也可以用此进行计算，得到相应的数据。在处理污水及填埋场的渗沥液的处理时都会用到。

第五章所讲的是化学平衡，包括化学反应的平衡条件，标准平衡函数的定义，平衡常数的测定及平衡组成的计算。化学反应的等温方程。温度、压力及

惰性物质等因素对化学平衡的影响。学完此章节，可以用吉布斯焓变来判断反应是否进行，哪一种反应更容易，怎样加快反应，提高效率，从而确定出最佳的污染处理方案。在处理污染物时，需要计算在什么温度下某一物质才能分解，此时需要运用到本章的知识。当我们利用废物进行在生产或利用时，运用此章知识，可以计算出最大产率。

第六章讲的是相平衡，主要介绍相律的推导及各项的意义、克拉佩龙方程，还有各物质的相图。因为海拔不同气压也就不同，每种液体的沸点也在改变，所以，当我们在进行化验提纯时，若要进行蒸馏的话就要运用到克拉佩龙方程来计算沸点。学完了相图之后，我们可以在一定温度和压强下查找某一物质的状态，也可以通过改变温度和压强来改变物质的状态，从而减少污染。

第八章所讲的是电化学：电化学主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学，主要介绍了电解质溶液，电化学系统中的热力学，电化学动力学，也介绍了一些关于原电池和电解池的基本知识。现在大多数金属的腐蚀都是电化学腐蚀，对废弃金属的回收利用也是环境工程的一项重要课题，比如，在垃圾焚烧站专门设置有磁选系统回收金属，对含有贵重金属的液体中会用置换反应置换出里面的贵重金属。运用原电池也可以进行金属的防腐，比如污水处理池的闸门的防腐蚀可以采用牺牲阳极保护法等。

第七章、第九章、第十章所讲的是化学动力学基础和表面现象及胶体化学。化学动力学的基本任务是研究各种因素（浓度，温度，压力，催化剂等）对化学反应速率的影响。在处理污染物时各因素影响的原理由此可知，从而我们可以选择一条最高效最节省的途径来进行污染处理。在污水处理时处理水中的胶体需要用到本章胶体化学的知识。与存在界面有关的各种物理现象和化学现象统称为表面现象。表面现象涉及催化剂的制造，活性炭吸附污染气体等方面，环境科学直接利用了表面的特征。依靠物理化学对反应机理和速率的测定，才探明了光化学形成的原因，是由于光照，以空气中的二氧化氮发生逛街深层氧原子的反应为引发，导致臭氧的形成。碳氢化合物的存在，促使一氧化氮向二氧化氮的快速转化，这些都是光化学烟雾的主要污染物。同时空气中的雾霾本身也有大量的气溶胶等，对于当下的环境治理有巨大的理论支持作用。

目前，环境问题随着社会生产发展日益尖锐复杂，同时也随着科学技术的进步而得到认识和解决。现在已经有很多环境问题由物理化学中的某些原理解决，但是还远远不够，还需要运用更多的物理化学知识来解决，如什么办法能替代产品和生产工艺来减轻已造成的污染问题。因此物理化学的研究是很重要的，我们应该重视物理化学这门学科，努力加大该领域的研究。物理化学是从事环境事业的必备学科，并且一定要学好，为环境科学相关课程以后的学习提供方法和理论指导。