Matlab软件在《环境化学》教学中的应用与研究

向全军　殷辉　黄传琴　邱国宏

摘要：本论文研究和分析了Matlab软件在优化各种化学方程式和表达式的具体案例。通过借助Matlab软件不仅可以简明扼要地讲明授课的重要内容，而且以立体的情境明确地表达出知识脉络，并让学生以最简单的方式理解和吸收，有助于提高学习效率。

关键词：Matlab；《环境化学》；化学方程式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）06-0185-02

一、前言

《环境化学》是环境科学、环境工程等相关专业的专业必修课，是环境学的核心课程。这门课程是利用四大基础化学学科的理论知识，研究各种有害物质（化学、生物和物理）在环境介质中的存在、特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。《环境化学》侧重污染物迁移转化过程所涉及的化学问题及原理，其理论性较强。因此，为了丰富《环境化学》的教学方式，减少教学过程中的枯燥感，通常在教学过程中会使用到各种教学软件。

由于信息时代的飞速发展，各种计算机信息系统迅速推广和应用。Matlab（Matrix Laboratory）成为目前国际上最流行、应用最广泛的科学计算机信息系统软件。Matlab由美国The Math Works公司出品的商业软件，以运算、化学方程式为基础，把计算、可视化、化学方程式有机地融合到一个简单易学的交互式工作环境中，有出色的数值计算功能和强大的图形处理功能，而且简单易学。许多实际问题可以通过Matlab软件化学方程式得到定性、定量的解决。在大学《环境化学》课程教学过程中，教师熟练使用各种计算机信息教学软件，改变教学方式，构建新的课程体系，通过Matlab教学软件有利于大学生对《环境化学》的掌握和运用，特别是对各种化学方程式的理解与掌握。因此，在《环境化学》教学过程中适当使用Matlab软件可以优化教学效果，增强学生学习化学知识的兴趣，提高学生的化学理论知识和实际应用水平。

本论文将主要针对《环境化学》在教学过程中的一些实例，具体研究和分析Matlab软件在优化各种化学方程式和表达式的具体案例。

二、大气环境化学中使用Matlab软件

当前国际三大环境热门话题：气候变化（变暖）、酸沉降、臭氧损耗都是发生在大气圈的物理化学过程，当代大气科学的研究热点也是围绕着这三大热门话题来进行的。大气化学的研究对象主要是天然的和人為活动产生的重要化学物质，包括本底存在的基本化学物质，如NOX、SOX、COX、H2O等，人造的物质如CFCS（chlorofluorocarbon，含氯氟烃）等，以及各种转化过程中普遍存在的活性物质，如O3、HO、HO2、ClO、O等。然而，在这些化学物质的迁移与转化过程中，一些重要的化学方程式反复出现，在《环境化学》教学过程中必须采用适当的形式将其展示给学生。例如：干绝热过程温度变化用泊松方程描述：

T =T （ ） =T （ ）

干绝热垂直递减率：干空气在上升时温度降低值与上升高度的比，用Γd表示，可用下式求取：

Γd= =0.98℃/100m

在g、Cpd不变时Γd为常数。对于上升干空气的温度为：T2=T0-Γd（z-z0）

通过以上化学方程式和简化后的表达式，气块在大气中的稳定度与大气垂直递减率（Γ）和干绝热垂直递减率（Γd）简化后知：若Γ<Γd，表明大气是稳定的；若Γ>Γd，大气是不稳定的；若Γ=Γd，大气处于平衡状态。

通过Matlab软件可以明确地表达出知识脉络，并让学生以最简单的方式理解和吸收，有助于提高学习效率，达到较好的教学效果。

三、水环境化学中使用Matlab软件

水环境化学是研究水体环境中主要化学物质的存在形态、迁移转化规律、化学反应机理及这些化学物质对生态环境影响的学科。主要研究在水体中进行沉淀—溶解、氧化还原、配合作用、吸附—解吸等迁移转化过程的基本原理。而这些基本原理一般涉及各种化学反应方程式，化学方程式可以清晰地表达沉淀—溶解、氧化还原、配合作用、吸附—解吸等迁移转化过程。通过Matlab软件化学方程式，以清晰的思路、明确的结构和动画等形式，注重色彩、字体等视觉效果，直接、立体地表达出授课内容，让学生以最简单的方式进行理解和吸收。

热力学在描述氢气与H+离子发生平衡时，有下列半反应：2H+（aq）+2e H2（g） E0

在标准条件下，即H2压力为1.0130×105 Pa，H+离子活度为1，温度为298.15K时，E0=0V。这一半反应的平衡常数可以写成：K=p /[H+]2[e]2， 即：lgK=lgp -2lg[H+]-2lg[e]

所谓电子活度是在氧化还原半反应中，电子作为反应物时所具有的活度，通常用电子活度的负对数（pe）表示。其数学表达式为：pe=-lg[e]

对于一个氧化还原半反应，Ox+ne Red E0

假设这一半反应达到平衡，其平衡常数可以表示为：K= ，lgK=lg +lg ，pe=-lg[e]= lgK-lg

同样，对于一个包含n个电子转移的氧化还原半反应，其自由能变化可以用下列公式所描述：

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

在上述自由能计算公式中，F为法拉弟常数[96500J/（V·mol）]，R为气体常数，T为绝对温度。

通过以《环境化学》的重点讲授内容氧化还原电位为例，可以清楚表明Matlab软件能够准确、生动并且以最简单的方式展示《环境化学》需要讲授的核心重点内容，Matlab软件表达的化学方程式不但能描述反应物以及生成物是谁，还能从物质的化学式中看出该物质由哪几种元素组成；可以通过化学方程式中各物质前边的系数，看出物质之间微粒的个数比；还可以知道各物质之间的质量比；通过化学方程式中等号右边的箭头，还可以看出后边有箭头的物质，是气体还是沉淀。此外，化学方程式可以准确表达电子的转移方向。然而，用文字表达式不仅烦琐，而且没办法直观的表达以上内容。

四、结语

在《环境化学》的教学过程中，通过借助Matlab软件不仅可以简明、扼要地讲明授课的重要内容，而且通过Matlab软件表达的化学方程式能够表明反应物、生成物和反应条件，以及各反应物、生成物物质的量关系以及各物质之间的质量比，此外还能够准确表达氧化还原反应中电子的转移方向，因此借助Matlab软件讲授《环境化学》课程，以立体的情境明确地表达出知识脉络，并让学生以最简单的方式理解和吸收，有助于提高学习效率。

参考文献：

[1]戴树桂.环境化学[M].北京：高等教育出版社出版，2006.

[2]蒋辉.环境水化学[M].北京：化学工业出版社出版，2003.

[3]唐孝炎.大气环境化学[M].北京：高等教育出版社，1990.

[4]谢中华，李国栋，刘焕进，吴鹏.MATLAB从零到进阶[M].北京航空航天大学出版社，2012.