Matlab軟件在《環(huán)境化學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)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(yōu)化各種化學(xué)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(nèi)容，而且以立體的情境明確地表達出知識脈絡(luò)，并讓學(xué)生以最簡單的方式理解和吸收，有助于提高學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：Matlab；《環(huán)境化學(xué)》；化學(xué)方程式

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

一、前言

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

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

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

二、大氣環(huán)境化學(xué)中使用Matlab軟件

當(dāng)前國際三大環(huán)境熱門話題：氣候變化（變暖）、酸沉降、臭氧損耗都是發(fā)生在大氣圈的物理化學(xué)過程，當(dāng)代大氣科學(xué)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(xué)的研究對象主要是天然的和人為活動產(chǎn)生的重要化學(xué)物質(zhì)，包括本底存在的基本化學(xué)物質(zhì)，如NOX、SOX、COX、H2O等，人造的物質(zhì)如CFCS（chlorofluorocarbon，含氯氟烴）等，以及各種轉(zhuǎn)化過程中普遍存在的活性物質(zhì)，如O3、HO、HO2、ClO、O等。然而，在這些化學(xué)物質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化過程中，一些重要的化學(xué)方程式反復(fù)出現(xiàn)，在《環(huán)境化學(xué)》教學(xué)過程中必須采用適當(dāng)?shù)男问綄⑵湔故窘o學(xué)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(shù)。對于上升干空氣的溫度為：T2=T0-Γd（z-z0）

通過以上化學(xué)方程式和簡化后的表達式，氣塊在大氣中的穩(wěn)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(wěn)定的；若Γ>Γd，大氣是不穩(wěn)定的；若Γ=Γd，大氣處于平衡狀態(tài)。

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

三、水環(huán)境化學(xué)中使用Matlab軟件

水環(huán)境化學(xué)是研究水體環(huán)境中主要化學(xué)物質(zhì)的存在形態(tài)、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)機理及這些化學(xué)物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境影響的學(xué)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(zhuǎn)化過程的基本原理。而這些基本原理一般涉及各種化學(xué)反應(yīng)方程式，化學(xué)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(zhuǎn)化過程。通過Matlab軟件化學(xué)方程式，以清晰的思路、明確的結(jié)構(gòu)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(nèi)容，讓學(xué)生以最簡單的方式進行理解和吸收。

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

在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的平衡常數(shù)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(yīng)中，電子作為反應(yīng)物時所具有的活度，通常用電子活度的負對數(shù)（pe）表示。其數(shù)學(xué)表達式為：pe=-lg[e]

對于一個氧化還原半反應(yīng)，Ox+ne Red E0

假設(shè)這一半反應(yīng)達到平衡，其平衡常數(shù)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(zhuǎn)移的氧化還原半反應(yīng)，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(xiàn)為法拉弟常數(shù)[96500J/（V·mol）]，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。

通過以《環(huán)境化學(xué)》的重點講授內(nèi)容氧化還原電位為例，可以清楚表明Matlab軟件能夠準(zhǔn)確、生動并且以最簡單的方式展示《環(huán)境化學(xué)》需要講授的核心重點內(nèi)容，Matlab軟件表達的化學(xué)方程式不但能描述反應(yīng)物以及生成物是誰，還能從物質(zhì)的化學(xué)式中看出該物質(zhì)由哪幾種元素組成；可以通過化學(xué)方程式中各物質(zhì)前邊的系數(shù)，看出物質(zhì)之間微粒的個數(shù)比；還可以知道各物質(zhì)之間的質(zhì)量比；通過化學(xué)方程式中等號右邊的箭頭，還可以看出后邊有箭頭的物質(zhì)，是氣體還是沉淀。此外，化學(xué)方程式可以準(zhǔn)確表達電子的轉(zhuǎn)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(nèi)容。

四、結(jié)語

在《環(huán)境化學(xué)》的教學(xué)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(nèi)容，而且通過Matlab軟件表達的化學(xué)方程式能夠表明反應(yīng)物、生成物和反應(yīng)條件，以及各反應(yīng)物、生成物物質(zhì)的量關(guān)系以及各物質(zhì)之間的質(zhì)量比，此外還能夠準(zhǔn)確表達氧化還原反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移方向，因此借助Matlab軟件講授《環(huán)境化學(xué)》課程，以立體的情境明確地表達出知識脈絡(luò)，并讓學(xué)生以最簡單的方式理解和吸收，有助于提高學(xué)習(xí)效率。

參考文獻：

[1]戴樹桂.環(huán)境化學(xué)[M].北京：高等教育出版社出版，2006.

[2]蔣輝.環(huán)境水化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社出版，2003.

[3]唐孝炎.大氣環(huán)境化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1990.

[4]謝中華，李國棟，劉煥進，吳鵬.MATLAB從零到進階[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.