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 TheTheoretical 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 ofPhysical Chemistry in scientific research andproduction and life.It set forth the illustration ofthe 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.

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刘航：举例说明物理化学的理论指导作用 2016.4

用。例如，在合成氨工业中，主要反应为：N2+3H2

1．引言 ?2NH3，根据化学热力学，可计算出反应在标

物理化学亦称理论化学，是化学的理论基准状况下的焓变(?H?=-46.19kJ·mol-1)吉布斯础，概括地说是用物理的原理与方法来研究化自由能变(?G?=-16.64 kJ·mol-1)，据此可判断，学中最基本的规律和理论，涵盖了化学热力学、正反应即生成氨的反应是自发进行的，该反应化学动力学、相变化与相平衡、电化学、量子是可逆、体积减小、放热反应。故高压、低温化学与结构化学、统计热力学以及界面化学和有利于反应向正向进行。考虑到反应物配比、胶体化学在内的试用于各个化学分支的理论。动力学及经济因素，研究可知：在催化剂存在，物理化学作为化学学科的重要基础课程，所研氢氮比为3，高压(13-30MPa)，前期高温，后究的领域断扩展：从气态到凝聚态，从单相到期低温条件下可使反应较快进行，产物较多且

[3]

多相，从纯净物到混合物，从化学键到分子间较为经济。 作用力。21世纪以来，物理化学和理论化学的

2.2化学动力学 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2.2.1催化反应的动力学研究与应用 论与实验相结合，并进一步深入到对化学反应、通过对催化反应机理的动力学研究，可以物质结构和性能调控的研究。[1]通过分析物理指导我们寻找、合成高效率的催化剂。随着绿化学在科研与实际生活中的实例，既可以帮助色化学的推广，绿色催化剂也是当今化学研究我们更好地学习以后的课程，也能为我们将理的重要课题。例如：武汉工程大学吴广文等人论知识应用到实际中做出指导和启发。 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

2．关于物理化学在科研与实际生产该反应的速率方程，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

生活中一些实例的分析 170℃、乙炔空速28h-1和原料比n(C2H2)：

n(HCl)=1:1.075条件下，乙炔转化率达

2.1化学热力学 98.92％，与高汞催化剂相当。[4] 2.1.1含重金属离子废水的处理 2.2.2光化学污染的控制

工业废水中常含有重金属离子，如Cr3+、光化学烟雾是一种对人类健康与环境危Ba2+、Cd2+、Co2+等，对环境危害极大。在处理害很大的大气污染现象。其形成原因是对流层含有重金属离子废水时，常用沉淀法对重金属大气中氮氧化物和非甲烷碳氢化合物等在紫离子进行处理，即根据金属离子难溶盐及氢氧外光照射下发生光化学反应，生成的03累积污化物溶解平衡原理，向废水中加入相应的沉淀染和PAN、HN03等二次污染物形成的混合污染。剂，使重金属离子以沉淀形式析出，从而达到运用光化学反应动力学原理，可推导出光化学

3+

处理目的。如：某工厂排出的废水中含有Cr，烟雾在光照下的反应机理；通过实验建立光化在物理化学手册中可查得Cr(OH)3的Ksp?=6.3×学动力学模型，可模拟出化学反应的过程，从10-31，表明在中性或碱性条件中Cr3+不会存在，而提出控制对策，如控制氮氧化物与反应活性在pH=7时，水中c(Cr3+)=6.3×10-10mol·L-1，浓高的有机物的排放，控制地表臭氧浓度等措施。

[5]

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

2.3相平衡与相变化 处理目的。[2]

2.1.2化学热力学在化工生产中的应用 2.3.1化工分离提纯中相平衡原理的应用分析

在硫酸、合成氨等化工生产中，化学热力作为对各类生产中混合物提纯和分离的学在对其反应条件的控制起着至关重要的作理论础，相平衡原理不仅关系着相关生产中混

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合物的提纯纯度，而且对化工生产以及冶金工业的产业发展也具有关键性的作用。相平衡原理在化工分离中的应用主要体现在超临界萃取、蒸馏、普通混合物精馏、最低与最高沸点混合物蒸馏和水蒸气蒸馏等技术上。在实际生产中，常根据混合物组分与实际需求，运用相平衡原理进行相关计算，可得到分离或提纯的最佳条件。可见，加强对基于化工分离提纯下相平衡原理应用的研究力度，对提高混合物分离纯度并促进化工产业的健康、稳定发展具有重要的历史作用和现实意义。[6] 2.3.2多相平衡计算在冶金中的应用

在冶金领域中，特别是合金制造中，常涉及到多相平衡的问题。合金中各组分的含量对合金的理化性能有着很大影响。针对这一问题，科研人员曾尝试运用元素势法和Calphad方法分别对铜造锍熔炼体系和Mg-Zn-Si体系进行相平衡计算，所得计算相图结果与实际生产及实验数据基本吻合，表明此两种计算方法可在冶金过程相平衡计算中得到应用。[7-8]

CaTi03、Fe2Ti04、TiO。反应最先生成的合金是TiFe2合金，通过Ti和TiFe2的互扩散最终转变成TiFe合金。说明扩散是反应的控制步骤。[10]

2.5量子化学

2.5.1过渡金属铱高氧化价态(IX)的发现

我国科研工作者们通过金属铱原子和氧气分子反应的方法首次在低温稀有气体基质中制备了四氧化铱中性分子, 红外吸收光谱实验结合量子化学理论计算证明该分子中的铱(具有d1价电子组态)处于Ⅷ 价态，在此基础上, 他们提出若进一步将中性四氧化铱分子的d 电子电离生成四氧化铱正离子，则铱将有可能处于 Ⅸ 价态。随后，研究人员通过实验首次证实了气相四氧化铱离子具有正四面体结构,其中的铱处于 Ⅸ价态, 从而在实验上确定了Ⅸ价态化合物的存在。这一进展对氧化价态的拓展以及对高价态化合物成键特性的理解具有重要科学意义, 并为进一步宏观合成该类高氧化价态化合物及其在化学反应体系中的应用提供了基础。[11]

2.5.2基于能量的分块理论方法取得进展

我国相关理论化学研究组提出了计算大分子基态能量的基于能量的分块方法，其基本思想是通过计算一系列子体系的能量从而组装得到大体系的能量。目前，在进一步发展上述方法的基础上，已经将发展的方法成功应用于研究多种大体系的结构和稳定性，理解多肽二级结构中的合作效应的根源、计算超分子自组装的驱动力等。[11]

2.4电化学

2.4.1化学电源的应用与发展前景

电池作为最基本的储电工具已被广泛应用。随着电化学理论的不断发展和绿色化学的大力提倡，越来越多的无污染、高性能的化学电源已走进人们的日常生活。锂离子电池具有体积小、能量密度高等优点，广泛应用于手机、电脑等电子设备；正在大力发展的燃料电池相比于内燃机，具有无污染、无噪音、高效率等优点，已被用于新能源汽车中。新型化学电源的研究仍在进行，伴随着纳米技术的出现，许多纳米材料在化学电源的研究中表现出很好的电化学性质，因此，纳米材料化学电源在今后会具有很好的发展前景。[9] 2.4.2电解原理的指导作用

电解原理广泛用于指导冶金、物质的提纯、电镀、材料合成加工等行业中。例如：研究人员在熔盐中电解钛铁矿制备TiFe合金的研究中，通过在CaCl2熔盐中电解钛铁矿制备TiFe合金，研究了熔盐电解钛铁矿的反应过程，分析了电解产物的成分 及电解效率。结果显示，钛铁矿的还原经历了优先生成Fe到逐步形成TiFe2、TiFe的合金化历程，中间产物包括

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2.6界面化学与胶体化学

2.6.1 表面化学的发展与应用

表面化学过程的研究与发展对工农业生产和日常生活起着重要作用。例如：在工业生产中，表面化学家对哈伯一博施(Haber-Bosch)过程的透彻研究促进了合成氨工业的飞速发展；农业生产中，常在农药中添加适量的表面活性剂，以增加农药在枝叶上的吸附作用；在环保方面，人们对一氧化碳在金属表面氧化过程的研究促进了汽车尾气净化装置的研制，极大地减少了汽车尾气对环境的污染；在微电子领域，人们用化学气相沉积法合成了大量的很薄的半导体，而且对半导体表面物理化学性质

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进行了深入研究，为开发新的高效半导体器件提供了理论依据；在生活中，表面化学可以为防止金属制品的腐蚀提供理论依据。可见，表面化学的研究与发展解决了许多科研、生产和生活中的诸多问题，具有很高的经济价值。[12] 2.7.2胶体化学在处理乳状液废水中的应用

工业生产中产生的乳状液废水对环境具有极大危害。因乳状液中的油脂和表面活性剂以极细微的颗粒液珠高度分散在水中，故具有较高的稳定性。在寻求对其进行脱稳破乳除油的方法时，胶体化学和乳状液理论具有重要的指导作用。据此对乳状液脱稳破乳机理进行研究分析，从而提出乳状液脱稳破乳的方法，如加入某些能与乳化剂发生反应的物质或类型的乳化剂来达到脱稳破乳的目的。[13]

键

传统的理论可能在解决某些实际问题中行不通，这是需要我们尝试在原有理论基础上提出新的解决方法，而新的方法是在多次“假设—检验—完善”的之后才能得以应用。因此，不断的探索和尝试是科研创新的关键，也是当今科研工作者们应该具有的最基本的素质。

3.2 理论与实际的结合至关重要

科研工作的目的是解决实际问题，因此，理论与实际的结合至关重要。科研工作应本着“从实践中来，到实践中去”的原则而开展。在科研过程中，应该注意不同学科之间的交叉，任何问题不会仅依靠某一学科或某一理论而得以解决。从以上实例中不难看出，物理化学与电子、信息、能源、材料、生命等学科之间的交叉以及物理化学内部之间的理论交叉催生了许多新的学科生长点，在化学及相关学科的发展中发挥越来越重要的作用。

3 几点启示

3.1 不断的探索和尝试是科研创新的关 参考文献

[1] 天津大学物理化学教研室.物理化学，第五版.北京：高等教育出版社，2009：1-2. [2] 戴树桂. 环境化学，第二版.北京：高等教育出版社，2006：91-99.

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