Matlab軟件在《環境化學》教學中的應用與研究

向全軍　殷輝　黃傳琴　邱國宏

摘要：本論文研究和分析了Matlab軟件在優化各種化學方程式和表達式的具體案例。通過借助Matlab軟件不僅可以簡明扼要地講明授課的重要內容，而且以立體的情境明確地表達出知識脈絡，并讓學生以最簡單的方式理解和吸收，有助于提高學習效率。

關鍵詞：Matlab；《環境化學》；化學方程式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）06-0185-02

一、前言

《環境化學》是環境科學、環境工程等相關專業的專業必修課，是環境學的核心課程。這門課程是利用四大基礎化學學科的理論知識，研究各種有害物質（化學、生物和物理）在環境介質中的存在、特性、行為和效應及其控制的化學原理和方法的科學?！董h境化學》側重污染物遷移轉化過程所涉及的化學問題及原理，其理論性較強。因此，為了豐富《環境化學》的教學方式，減少教學過程中的枯燥感，通常在教學過程中會使用到各種教學軟件。

由于信息時代的飛速發展，各種計算機信息系統迅速推廣和應用。Matlab（Matrix Laboratory）成為目前國際上最流行、應用最廣泛的科學計算機信息系統軟件。Matlab由美國The Math Works公司出品的商業軟件，以運算、化學方程式為基礎，把計算、可視化、化學方程式有機地融合到一個簡單易學的交互式工作環境中，有出色的數值計算功能和強大的圖形處理功能，而且簡單易學。許多實際問題可以通過Matlab軟件化學方程式得到定性、定量的解決。在大學《環境化學》課程教學過程中，教師熟練使用各種計算機信息教學軟件，改變教學方式，構建新的課程體系，通過Matlab教學軟件有利于大學生對《環境化學》的掌握和運用，特別是對各種化學方程式的理解與掌握。因此，在《環境化學》教學過程中適當使用Matlab軟件可以優化教學效果，增強學生學習化學知識的興趣，提高學生的化學理論知識和實際應用水平。

本論文將主要針對《環境化學》在教學過程中的一些實例，具體研究和分析Matlab軟件在優化各種化學方程式和表達式的具體案例。

二、大氣環境化學中使用Matlab軟件

當前國際三大環境熱門話題：氣候變化（變暖）、酸沉降、臭氧損耗都是發生在大氣圈的物理化學過程，當代大氣科學的研究熱點也是圍繞著這三大熱門話題來進行的。大氣化學的研究對象主要是天然的和人為活動產生的重要化學物質，包括本底存在的基本化學物質，如NOX、SOX、COX、H2O等，人造的物質如CFCS（chlorofluorocarbon，含氯氟烴）等，以及各種轉化過程中普遍存在的活性物質，如O3、HO、HO2、ClO、O等。然而，在這些化學物質的遷移與轉化過程中，一些重要的化學方程式反復出現，在《環境化學》教學過程中必須采用適當的形式將其展示給學生。例如：干絕熱過程溫度變化用泊松方程描述：

T =T （ ） =T （ ）

干絕熱垂直遞減率：干空氣在上升時溫度降低值與上升高度的比，用Γd表示，可用下式求?。?/p>

Γd= =0.98℃/100m

在g、Cpd不變時Γd為常數。對于上升干空氣的溫度為：T2=T0-Γd（z-z0）

通過以上化學方程式和簡化后的表達式，氣塊在大氣中的穩定度與大氣垂直遞減率（Γ）和干絕熱垂直遞減率（Γd）簡化后知：若Γ<Γd，表明大氣是穩定的；若Γ>Γd，大氣是不穩定的；若Γ=Γd，大氣處于平衡狀態。

通過Matlab軟件可以明確地表達出知識脈絡，并讓學生以最簡單的方式理解和吸收，有助于提高學習效率，達到較好的教學效果。

三、水環境化學中使用Matlab軟件

水環境化學是研究水體環境中主要化學物質的存在形態、遷移轉化規律、化學反應機理及這些化學物質對生態環境影響的學科。主要研究在水體中進行沉淀—溶解、氧化還原、配合作用、吸附—解吸等遷移轉化過程的基本原理。而這些基本原理一般涉及各種化學反應方程式，化學方程式可以清晰地表達沉淀—溶解、氧化還原、配合作用、吸附—解吸等遷移轉化過程。通過Matlab軟件化學方程式，以清晰的思路、明確的結構和動畫等形式，注重色彩、字體等視覺效果，直接、立體地表達出授課內容，讓學生以最簡單的方式進行理解和吸收。

熱力學在描述氫氣與H+離子發生平衡時，有下列半反應：2H+（aq）+2e H2（g） E0

在標準條件下，即H2壓力為1.0130×105 Pa，H+離子活度為1，溫度為298.15K時，E0=0V。這一半反應的平衡常數可以寫成：K=p /[H+]2[e]2， 即：lgK=lgp -2lg[H+]-2lg[e]

所謂電子活度是在氧化還原半反應中，電子作為反應物時所具有的活度，通常用電子活度的負對數（pe）表示。其數學表達式為：pe=-lg[e]

對于一個氧化還原半反應，Ox+ne Red E0

假設這一半反應達到平衡，其平衡常數可以表示為：K= ，lgK=lg +lg ，pe=-lg[e]= lgK-lg

同樣，對于一個包含n個電子轉移的氧化還原半反應，其自由能變化可以用下列公式所描述：

ΔG0=-nFE0，ΔG=-nFE，ΔG0=-2.303nRTpe0，ΔG=-2.303nRTpe

在上述自由能計算公式中，F為法拉弟常數[96500J/（V·mol）]，R為氣體常數，T為絕對溫度。

通過以《環境化學》的重點講授內容氧化還原電位為例，可以清楚表明Matlab軟件能夠準確、生動并且以最簡單的方式展示《環境化學》需要講授的核心重點內容，Matlab軟件表達的化學方程式不但能描述反應物以及生成物是誰，還能從物質的化學式中看出該物質由哪幾種元素組成；可以通過化學方程式中各物質前邊的系數，看出物質之間微粒的個數比；還可以知道各物質之間的質量比；通過化學方程式中等號右邊的箭頭，還可以看出后邊有箭頭的物質，是氣體還是沉淀。此外，化學方程式可以準確表達電子的轉移方向。然而，用文字表達式不僅煩瑣，而且沒辦法直觀的表達以上內容。

四、結語

在《環境化學》的教學過程中，通過借助Matlab軟件不僅可以簡明、扼要地講明授課的重要內容，而且通過Matlab軟件表達的化學方程式能夠表明反應物、生成物和反應條件，以及各反應物、生成物物質的量關系以及各物質之間的質量比，此外還能夠準確表達氧化還原反應中電子的轉移方向，因此借助Matlab軟件講授《環境化學》課程，以立體的情境明確地表達出知識脈絡，并讓學生以最簡單的方式理解和吸收，有助于提高學習效率。

參考文獻：

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