举例说明物理化学的理论指导作用

No.16先进材料与纳米科技学院应用化学系物理化学结业论文2016.4 举例说明物理化学的理论指导作用

摘要：本文介绍了物理化学在科研与实际中的应用的若干个实例。通过分析这些实例，阐述了物理化学在科研与实际生活中的理论指导作用，并得出几点启示，为今后物理化学的的学习与研究提供了良好的经验。

关键词：物理化学；科研；生产生活；理论指导作用。

Illustration of The Theoretical Function of

Physical Chemistry

LiuHang

(School of Advanced Materials and Nanotechology, Xi Dian university,

Xi’an 710126,China)

Abstract: This paper has given some examples of the applications of Physical Chemistry in scientific research and production and life.It set forth the illustration of the theoretical function of Physical Chemistry and we can gain some revelations by analyzing these examples,which provides good experience for learning and studying Physical Chemistry in the future.

Key words: physical chemistry; scientific research; production and life; Theoretical Function.

No.16刘航：举例说明物理化学的理论指导作用2016.4

1．引言

物理化学亦称理论化学，是化学的理论基础，概括地说是用物理的原理与方法来研究化学中最基本的规律和理论，涵盖了化学热力学、化学动力学、相变化与相平衡、电化学、量子化学与结构化学、统计热力学以及界面化学和胶体化学在内的试用于各个化学分支的理论。物理化学作为化学学科的重要基础课程，所研究的领域断扩展：从气态到凝聚态，从单相到多相，从纯净物到混合物，从化学键到分子间作用力。21世纪以来，物理化学和理论化学的研究呈现如下态势：宏观与微观相结合、体相与表（界）面相结合、静态与动态相结合、理论与实验相结合，并进一步深入到对化学反应、物质结构和性能调控的研究。[1]通过分析物理化学在科研与实际生活中的实例，既可以帮助我们更好地学习以后的课程，也能为我们将理论知识应用到实际中做出指导和启发。

2．关于物理化学在科研与实际生产生活中一些实例的分析

2.1 化学热力学

2.1.1 含重金属离子废水的处理

工业废水中常含有重金属离子，如Cr3+、Ba2+、Cd2+、Co2+等，对环境危害极大。在处理含有重金属离子废水时，常用沉淀法对重金属离子进行处理，即根据金属离子难溶盐及氢氧化物溶解平衡原理，向废水中加入相应的沉淀剂，使重金属离子以沉淀形式析出，从而达到处理目的。如：某工厂排出的废水中含有Cr3+，在物理化学手册中可查得Cr(OH)

3的 K

sp

ɵ=6.3×10-31，表明在中性或碱性条件中Cr3+不会存在，在pH=7时，水中 c(Cr3+)=6.3×10-10mol·L-1，浓度已经很小，因此，在处理含Cr3+废水时可向废水中加入生石灰，调节pH至中性，即可达到处理目的。[2]

2.1.2 化学热力学在化工生产中的应用

在硫酸、合成氨等化工生产中，化学热力学在对其反应条件的控制起着至关重要的

作用。例如，在合成氨工业中，主要反应为：N

2

+3H

2

⇌2NH

3

，根据化学热力学，可计算出反应在标准状况下的焓变(∆Hɵ=-46.19 kJ·mol-1)吉布斯自由能变(∆Gɵ=-16.64 kJ·mol-1)，据此可判断，正反应即生成氨的反应是自发进行的，该反应是可逆、体积减小、放热反应。故高压、低温有利于反应向正向进行。考虑到反应物配比、动力学及经济因素，研究可知：在催化剂存在，氢氮比为3，高压(13-30MPa)，前期高温，后期低温条件下可使反应较快进行，产物较多且较为经济。[3]

2.2 化学动力学

2.2.1 催化反应的动力学研究与应用

通过对催化反应机理的动力学研究，可以指导我们寻找、合成高效率的催化剂。随着绿色化学的推广，绿色催化剂也是当今化学研究的重要课题。例如：武汉工程大学吴广文等人进行的乙炔氢氯化的低汞催化反应动力学研究，运用化学动力学及表面化学的理论推导出该反应的速率方程，并考察了温度、反应物浓度对速率的影响，通过计算得出：在反应温度170℃、乙炔空速 28h-1 和原

料比n(C

2

H

2

)：n(HCl)=1:1.075条件下，乙炔转化率达98.92％，与高汞催化剂相当。[4] 2.2.2 光化学污染的控制

光化学烟雾是一种对人类健康与环境危害很大的大气污染现象。其形成原因是对流层大气中氮氧化物和非甲烷碳氢化合物等在

紫外光照射下发生光化学反应，生成的0

3

累积

污染和PAN、HN0

3

等二次污染物形成的混合污染。运用光化学反应动力学原理，可推导出光化学烟雾在光照下的反应机理；通过实验建立光化学动力学模型，可模拟出化学反应的过程，从而提出控制对策，如控制氮氧化物与反应活性高的有机物的排放，控制地表臭氧浓度等措施。[5]

2.3 相平衡与相变化

2.3.1 化工分离提纯中相平衡原理的应用分