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举例说明物理化学的理论指导作用

举例说明物理化学的理论指导作用

摘要

物理化学是化学的理论基础，概括地说是用物理的原理和方法来研究化学中

最基本的规律和理论，它所研究的是普遍适用于各个化学分支的理论问题。当然，

物理化学并不是脱离实际生活的一门学科，恰恰相反，它与我们的生产生活息息

相关。本篇论文就将通过举例来说明物理化学的理论指导作用。

关键词：热力学；动力学；光催化；胶体

一.化学热力学

化学热力学的核心理论有三个：所有的物质都具有能量，能量是守恒的，各

种能量可以相互转化；事物总是自发地趋向于平衡态；处于平衡态的物质系统可

用几个可观测量描述。

在日常生活中，处处都能见到化学热力学的身影。

1.环境保护方面

学过化学热力学之后我们都知道能量并不是百分之百完全转化的，现在我们

所使用的各种内燃机效率普遍不高，一大部分能量都没有很好的运用，而这部分

能量就被白白浪费了。例如目前大部分汽车发动机的热效率在30%到40%左右，

这就意味着一大半的能量被浪费了，变成了我们口中的污染。从热力学的角度来

看，就是能量在转化过程中品质越来越差，可用来做功的越来越少，这就意味着

熵增加。而我们对于热力学研究的目的就是提高能量的转化效率，减少熵增加。

熵增加减少就意味着更少的污染和更低廉的成本。

2.工业生产方面

化工生产中应用化学热力学的过程有很多，其目的一是使原料、中间产物和

产品完成预期的状态变化，以满足使用要求。二是为了实现能量转的传递和转化，

以满足某种过程的需要并有效利用能量。例如通过热力过程循环把合成氨过程中

各种工艺余热转化成机械功。

我们可以通过对热力学过程的研究来对各个过程进行优化，从而达到降低成

本，提高产率的目的。

二.化学平衡

1.污水处理

排放到污水处理厂的污水及工业废水，利用沉淀反应除去废水中污染的重金

属离子，是水溶液中主要化学反应之一，也是沉淀-溶解平衡的应用。金属硫化

物的溶解度一般都比较小，因此用硫化钠或硫化氢作沉淀剂能更有效地处理含重

金属离子的废水，特别是对于经过氢氧化物沉淀法处理后，尚不能达到排放标准

的含Hg2+和Cd2+的废水，再通过反应生成极难溶于水的硫化物沉淀：

Hg2++S2-=HgS；Cd2++S2-=CdS。这样自然沉降后的出水中，Hg2+含量可由起始的

400mg×L-1左右降至1mg×L-1以下，达到排放的标准。

三.电化学

1.电解和电合成工业

氯碱工业是世界上最大的电化学工业，它是通过电解食盐水，从而获得氯气

和苛性钠的过程。氯气可用于制备氯乙烯，进而合成得到PVC，还可用作纸

浆及纸的漂白剂和杀菌剂。

2.化学电源

在强调环境保护的今天，低污染的燃料电池无疑是最引人注目的能源装置之

一。燃料电池的原理非常简单，它通过化学反应产生电源和热能，具有轻

便、简洁和能量转换效率高的特点。依据燃料电池中所用的电解质类型来分

类，可分为：磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、

碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池。

四.化学动力学

1.放射性碳测定年代

碳-12在宇宙射线的长期照射下会产生具有放射性的碳-14，当植物进行光

合作用吸收了二氧化碳的时候，碳-14同位素进入了生物圈。动物吃了植物，在

新陈代谢中，又以二氧化碳的形式呼出碳-14.因而导致碳-14以多种形式参与了

碳在自然界中的循环。因反射蜕变减少了的碳-14又不断地被大气中新产生的碳

-14补充着。在蜕变补充的过程中，建立了动平衡。因此14C与12C的比例在生

命体内保持恒定。当植物或动物死亡之后，其中的碳-14不再得到补充。由于14C

蜕变过程没有终止，死亡了的生命中14C所占的比例将减少。在煤、石油及其他

地下含碳的材料中碳原子也发生着同样的变化。如多年之后的干尸（木乃伊）中

核与活着人们的体内14C与12C的比例随着年代的增长成正比地减少。在经过测

量与计算后就能用来判断古生物的年龄。

2.动力膜

在多孔介质上(如多孔陶瓷、烧结的金属及多孔高分子材料等)，以动态的方

式将小粒子物质沉积后形成的膜。例如用粘合剂ZrOCl胶体粒子固定在聚砜多孔

质膜或多孔陶瓷上，或者将小粒子的醋酸纤维加到多孔基材上。用这种膜进行反

渗透，效