基于新時代環(huán)境法治理念的物理化學教學探討*

陳 鈺，梁紅蓮，李 忠，張云清，李宇婷，王福緯，牟天成

(1 廊坊師范學院化學與材料科學學院，河北 廊坊 065000；2 中國人民大學化學系，北京 100872)

習近平生態(tài)文明思想和十九屆五中全會精神要求把新時代環(huán)境法治理念貫徹到大學化學教學中去?！吨腥A人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》(以下簡稱《固廢法》)第二次修訂于2020年4月29日通過，自2020年9月1日實施。新《固廢法》第十一條規(guī)定：“國家機關、社會團體、企業(yè)事業(yè)單位、基層群眾性自治組織和新聞媒體應當加強固體廢物污染環(huán)境防治宣傳教育和科學普及，增強公眾固體廢物污染環(huán)境防治意識。學校應當開展生活垃圾分類以及其他固體廢物污染環(huán)境防治知識普及和教育”。所以，高等學校的各項教學過程體現(xiàn)《固廢法》等新時代環(huán)境法治理念具有緊迫性和必要性。

物理化學是大學化學、化工、環(huán)境、冶金等專業(yè)的必修課程，也是相關學科研究生入學考試的科目之一。物理化學主要研究化學反應的方向和限度、化學反應的速率和機理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。物理化學也是學習其它相關科目的理論基礎。由上可知，物理化學是《固廢法》中實現(xiàn)固體廢物有效防治的基礎學科，在物理化學教學中貫徹《固廢法》的新時代環(huán)境法治理念也是《固廢法》第十一條規(guī)定的具體體現(xiàn)。

物理化學教學的改善有多種方法[1-3]，但是，物理化學教學中貫徹新時代環(huán)境法治理念(如《固廢法》)的探討未見諸于文獻報道。本文擬對物理化學各個章節(jié)內(nèi)容(如緒論、熱力學、動力學、電化學、膠體界面化學)加以改進、修訂與建議以貫徹《固廢法》中的內(nèi)容與理念，促進綠色高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)文明建設及復合型人才的培養(yǎng)。

1 緒 論

傳統(tǒng)物理化學教學緒論部分主要建立與發(fā)展、目的與內(nèi)容、研究發(fā)展、學習方法等內(nèi)容。在緒論部分可以考慮增加一節(jié)，專門介紹與物理化學相關的國內(nèi)外固體廢物污染狀況及科學問題、《固廢法》的內(nèi)容及理念、常規(guī)固體廢物的治理方式及相關的物理化學知識、常見的固體廢物工業(yè)處理方法等內(nèi)容。國內(nèi)外固體廢物污染狀況包括常見的固體廢物種類、來源、危害等；科學問題包括固體廢物的酸堿性、易燃易爆性、毒性、生物降解性等；《固廢法》的內(nèi)容包括修訂新增的垃圾分類制度和危害化底線要求等相關法條；《固廢法》的理念包括防治結(jié)合、改革創(chuàng)新、問題導向等；物理化學知識包括熱力學、動力學、電化學、膠體界面化學等。通過物理化學緒論部分與《固廢法》的結(jié)合能加強學生對《固廢法》的深入理解，也提高學生的環(huán)保意識、法律意識和問題意識。緒論部分是學生學習物理化學最開始接觸的內(nèi)容，在此環(huán)節(jié)引入《固廢法》，能讓學生深刻領會物理化學各個章節(jié)知識應用到固體廢物防治的必要性。

2 熱力學

熱力學可以提前預測固體廢物處理方法的可行性，以節(jié)省大量的成本、時間和精力。例如，由于固體塑料廢物造成嚴重的白色污染，所以塑料的綠色資源化利用十分緊迫。低共熔溶劑是一種綠色可設計的新型溶劑，對廢舊塑料的回收具有潛力[4]。如果單純的制備成百上千種低共熔溶劑逐個嘗試，那么必將耗費大量的成本、時間和精力。但是，如果根據(jù)熱力學提前預測不同溫度條件下低共熔溶劑溶解塑料的反應吉布斯自由能變ΔG，則可以篩選出最優(yōu)的低共熔溶劑和合適的處理溫度，這樣便節(jié)省大量的成本、時間和精力。

熱力學還可以研究化學反應的反應程度，即化學平衡問題。如果實際活度積J小于平衡常數(shù)Kθ則反應正向進行；如果J大于Kθ則反應逆向進行；如果J等于Kθ則系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。綠色低共熔溶劑溶解塑料的程度可通過Kθ和J的數(shù)值來判斷。對于J大于Kθ的情形，也可考慮通過改變反應溫度使Kθ的數(shù)值發(fā)生改變。對于吸熱反應，升高溫度能升高Kθ的數(shù)值從而促進塑料溶解的發(fā)生，同樣，對于放熱反應，降低溫度能升高Kθ的數(shù)值從而促進塑料溶解的發(fā)生。

3 動力學

熱力學雖然能夠解決反應是否發(fā)生及反應程度，但是不能解決動力學中的反應速率和機理。以上述綠色低共熔溶劑溶解廢舊塑料為例，在用熱力學篩選出高效的低共熔溶劑后，通過不同溫度下的時間～溶解濃度數(shù)據(jù)來研究溶解速率常數(shù)、溶解反應級數(shù)、半衰期、溶解活化能、指數(shù)因子等動力學問題。塑料溶解速率常數(shù)越大，溶解活化能越小越有利于塑料的溶解。如果在室溫條件下能實現(xiàn)塑料的高效率溶解，則更能夠體現(xiàn)《固廢法》中的無害化、資源化和減量化等理念。

物理化學教學中還可以結(jié)合《固廢法》以闡釋催化劑和能壘等動力學中的概念。以固體廢物秸稈轉(zhuǎn)化為例，秸稈的轉(zhuǎn)化需要較高的溫度，但是在某些催化劑催化的情況下能夠降低反應的能壘、加快反應速率，以至于溫和條件下就可以高效催化轉(zhuǎn)化秸稈。如果催化劑能夠在室溫下能使反應越過能壘，那么能實現(xiàn)室溫條件下的秸稈催化快速轉(zhuǎn)化，達到《固廢法》中綠色節(jié)能理念。

4 電化學

電化學包括電解質(zhì)溶液、可逆電池電動勢、電解和極化作用等內(nèi)容。電化學降解是處理固體廢物的一種高效方法。木質(zhì)素是固體廢物秸稈中的重要成分，是構(gòu)成細胞壁成分之一，也是香豆醇、松柏醇和芥子醇形成的酚類聚合物。電化學降解木質(zhì)素是木質(zhì)素轉(zhuǎn)化的一種方法[5]。

電化學降解木質(zhì)素需要電解質(zhì)，此處可以引入電解質(zhì)溶液章節(jié)的內(nèi)容，包括電解定律、摩爾電導率、電遷移率、電解質(zhì)平均活度。比如，摩爾電導率是含有1摩爾電解質(zhì)的溶液置于相距平行電極間所具有的電導，在數(shù)值上也等于電導率與物質(zhì)的量濃度之比。電化學降解木質(zhì)素本質(zhì)上是陽極上的競爭反應。由于木質(zhì)素電降解是氧化反應，所以析出電極電勢越小，則越利于木質(zhì)素氧化反應的發(fā)生。此處可向?qū)W生闡述超電勢的概念及其對析出電勢的影響、不同電極對超電勢的影響等內(nèi)容。通過這些實例可以讓學生掌握電化學知識、環(huán)境治理的科學理論及《固廢法》中的環(huán)保理念。

5 膠體界面化學

膠體界面化學與《固廢法》中固體廢物處理息息相關。納米材料是界面巨大的新型材料，納米催化是科學技術的前言科學，由于其高催化效果、高活性、高原子利用率使得納米催化在電催化、光催化和熱催化領域引起了廣泛的關注。納米材料具有高催化效果的原因之一是其具有的巨大表面，可以暴露足夠的催化活性位點用于催化或吸附。以納米材料催化轉(zhuǎn)化秸稈固體廢物為例，當溶液溶解秸稈后秸稈的催化轉(zhuǎn)化會涉及到液體在納米催化材料上的吸附量、吸附動力學、吸附熱、吸附常數(shù)、物理吸附還是化學吸附、吸附等溫線等膠體界面知識。通過秸稈固體廢物的催化轉(zhuǎn)化可以同時實現(xiàn)膠體界面化學知識點的形象理解和《固廢法》理念的體會。

6 結(jié) 語

本文從物理化學中的緒論、熱力學、動力學、電化學、膠體界面化學等內(nèi)容分析如何在物理化學教學中貫徹《固廢法》等新時代環(huán)境法治理念，有利于促進綠色高質(zhì)量發(fā)展、生態(tài)文明建設及復合型人才的培養(yǎng)。物理化學教學與《固廢法》相結(jié)合的思路也可以應用到物理、機械、人工智能、哲學、歷史、政治等其它的課程以發(fā)揮新時代環(huán)境法治理念在大學教學中的作用。