物理化学在生活中的应用

作者：徐扬帆 单位：西南大学化学化工学院师范一班

学号：222008316011040

关键词：物理化学 生活 工业 应用

摘要：物理化学作为一门重要的学科，在研究反应机理方面有着极其重要的作用，本文从热力学，动力学，前沿研究，工业生产，日常生活等方面进而说明了物理化学的重要意义。

物理化学，是有关于研究物质的化学行为的原理、规律和方法和方法的学科，涵盖从宏观到微观与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究，主要包括化学变化的方向和限度，化学反应的速率和机理以及物质结构和性能之间的关系。

由此看来，物理化学，就是用物理的方法研究化学的一门学科方法。物理、化学作为国民生产中最重要的基础，作为教育科研的基石，其重要性不言而喻。显然，物理化学已经深入到我们生活的方方面面，在不知不觉间，已然对我们的生活方式等产生了巨大的影响。

下面我就从几个方面举一些例子，来说明物理化学在生产生活中的重要意义

（一） 热力学定律

在热力学中，我们曾经学过卡诺循环，通过卡诺循环可以证明，以任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致；还可以证明，所有实际循环的效率都低于同样条件下卡诺循环的效率，也就是说，如果高温热源和低温热源的温度确定之后卡诺循环的效率是在它们之间工作的一切热机的最高效率界限。因此，提高热机的效率，应努力提高高温热源的温度和降低低温热源的温度，在工业生产中，低温热源通常是周围环境，降低环境的温度难度大、成本高，是不足取的办法。所以，一般情况下，人们往往采取的事提高高温热源的温度，从而提高效率的。现代热电厂尽量提高水蒸气的温度，使用过热蒸汽推动汽轮机，从而提高效率，降低成本，正是基于这个道理。

（二） 化学平衡

在物理化学中，我们对平衡的分析是从动力学的角度来看的，化学平衡，就是由于系统的浓度的不断变化而引起的，在反应开始时，反应物浓度较大，产物浓度较小，所以正反应速率大于逆反应速率。随着反应的进行，反应物浓度不断减小，产物浓度不断增大，所以正反应速率不断减小，逆反应速率不断增大。当正、逆反应速率相等时，系统中各物质的浓度不再发生变化，反应达到了平衡。

在实际生活中，有许多地方我们都用到了平衡的概念，比如说在公路上，我们常能见到交警拦下可疑车辆检查，请司机向一仪器中吹一口气，如果测定仪中橙红色的物质变为绿色，司机就要受到处罚，因为他饮酒后驾车，违反了道路交通管理条例。 酒精仪中的橙红色物质是重铬酸钾，人饮酒后，血液中酒精含量增多，人呼出的气体中有乙醇的蒸气，遇到测定仪中的重铬酸钾，便发生如下的反应：

Cr2O72－+ 3C2H5OH + 8H+ 2Cr3+＋3CH3CHO + 7H2O

橙红色 绿色

橙红色的Cr2O72－转化为绿色的Cr3+，便能测出人呼出的气体中有乙醇成分。 然而酒精测定仪中还要加入硫酸，一方面上述反应要在酸性溶液中进行，同时要防止Cr2O72－转化为CrO42-，

即：2CrO42－ + 2H+ Cr2O72－ + H2O 。这就是酒精测定仪中的化学平衡。

还有，我们知道，如果一个人过量食用菠菜，会造成缺钙的健康问题，这又是什么原因呢？如何来用平衡来进行分析？

原来在菠菜中含有一种叫草酸的物质，其学名是乙二酸，结构简式为HOOC-COOH，味苦涩，溶于水，是二元弱酸：

HOOC-COOH=HOOC-COO－+ H+

HOOC-COO－ =－OOC－COO－+ H+

草酸进入人体后，在胃酸作用下，电离平衡向左移动。以分子形式存在的草酸，从药理上看，是一种有毒的物质，过量的草酸会腐蚀胃黏膜，还会对肾脏造成伤害，另外，草酸会跟人体内的Ca2+形成草酸钙沉淀，使摄入的钙质不易被利用，造成人体缺钙。那怎样才能吸收菠菜中的营养，又不被草酸伤害呢？ 那就把草酸转化为沉淀，这就是“菠菜烧豆腐”的方法。当大部分草酸跟钙结合，可使涩味大大降低，菜肴更加美味可口。草酸钙进入人体，部分被胃酸溶解，溶解后形成的Ca2+仍能被人体吸收，未溶解的部分则排出体外。因此，食物中的Ca2+正好是草酸的解毒剂，豆腐中损失的钙可以由其他食物补充。从反应的角度来看，我们增大了钙的浓度，从而使反应正向进行。

由此可见，其实在生活中，我们不知不觉中就把物理化学中的一些方法用到，在工业中，我们研究物理化学中的反应进程和平衡移动的条件，以期取得降低成本，实现利润最大化。

比如说在制备氨气的时候，我们增加氮气的量，使氮气和氢气的比例增大，从而使平衡正向移动，增大较贵气体——氢气的使用率，从而使的工厂降低成本，提高利润。

（三） 动力学

在物理化学中，研究速率和机理等动力学问题就是研究把热力学的反应可能性变为现实性的问题，所以，通过化学动力学的研究，人们就可以知道如何控制反应条件，提高反应的速率，以增加化工产品的产量; 可以知道如何抑制或减慢幅反应的速率，以减少原料的消耗，减轻分离操作的负担，并提高产品的质量。化学动力学在生活中还能提供如何避免危险品的爆炸、材料的腐蚀或产品的老化、变质等方面的知识；还可以为科研成果工业化进行最优化设计和最优控制，为现有的生产选择最适宜的操作条件。

比如说，我们在研究一个反应是否具有可行性时，是否可以在工业上进行大规模生产时，就要考虑该反应能否在动力学上满足条件，能否具有生产的可能性，如该反应是在什么样的条件下发生的，反应速率如何，转化率的大小等等，这样才能够决定是否进行投产。

（四） 前沿研究

二战以后，由于电子学、高真空和计算机技术的突飞猛进，不但使物理化学的传统实验方法和测量技术的准确度、精密度和时间分辨率有很大提高，而且还出现了许多新的谱学技术。光谱学和其他谱学的时间分辨率和自控、记录手段的不断提高，使物理化学的研究对象超出了基态稳定分子而开始进入各种激发态的研究领域，比如说量子点，准键合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化学计量化合物。以及福井谦一提出的前线轨道理论以及伍德沃德和霍夫曼提出的分子轨道对称守恒原理的建立是量子化学的重要发展。这些成果表面看来是没有什么重要性，但是，实际上我们现在便利的生活都是在这些研究的基础上产生的，比如说纳米技术，cpu的量子化，以及各种精密仪器的生产等。

在生活中有关物理化学的应用存在于方方面面，如碳酸型饮料的co2的平衡，如何才能保持好的口感；又如，我们知道铁制品特别容易被氧化生锈，从而影响各种仪器制品的使用寿命，那么，如何减少那些不必要的损耗，成为极为重要的问题，通过物理化学对反应机理的分析，我们就可以采取相应的措施加以防范，像在铁器的表面刷漆，以隔绝空气和水分，还可以通过连一小块锌，用原电池原理来保护，就是利用锌的活泼性比铁高，从而牺牲锌以达到保护贴的目的。还有

以上的各方面实例充分说明了物理化学在我们生活中的基石意义，它已然与我们生活紧密联系，所以，我们要努力学好物理化学，以期更好的工作和生活。

物理化学与生活