Visual MINTEQ軟件在環境化學教學中的應用

顧雪元, 艾弗遜, 張云燕

(南京大學 環境學院，環境科學與工程國家級實驗教學示范中心，污染控制與資源化國家重點實驗室，南京 210023)

0 引 言

環境化學是環境科學的核心組成部分，它是以環境問題為研究對象，以解決環境問題為目標，是一門研究有害化學物質在環境介質中的存在、化學特性、行為和效應及其控制的科學[1-3]。在目前開設環境科學與工程專業的高校中，環境化學及相關實驗課程均是廣泛開設的核心專業基礎課程之一，在教學中一般按環境介質分為水環境化學、大氣環境化學、土壤環境化學等[4-8]。通過對環境化學課程的學習，使學生對環境的化學組成，有害化學物質在環境介質中的存在、遷移、轉化規律、化學特性、行為和效應等有較全面的了解，培養學生認識、分析和解決實際環境問題的能力[9-11]。

在環境化學教學中，水環境化學是課程的重點和難點較多的地方[12-14]，課程內容一般包括水環境中的酸堿平衡、碳酸平衡、水氣界面、沉淀與溶解、氧化與還原、固/液界面化學、水污染化學等內容，其中包括了大量天然水化學體系下對物料平衡和形態的計算過程，如推測天然雨水中的pH值，以及碳酸鹽礦物發育水體中pH值等[15-16]。盡管在一定簡化條件下，此類問題可以采用筆算的方式解決，但計算過程繁復，實際環境條件下，情況往往更加復雜，筆算往往無法解決實際問題。本文在教學過程中發現將近年發展的地球化學平衡計算程序引入到課堂和實驗教學過程中，可極大增加學生的學習興趣。

1 Visual MINTEQ平衡計算軟件介紹

人們很早就認識到基于溶液中各種組份的化學熱力學平衡計算可以預測溶液中各種形態的濃度，但由于涉及反應眾多，在計算機出現以前，大規模化學平衡組成的計算幾乎是不可能的。20世紀50年代末到60年代初，一系列地球化學熱力學平衡模型MINTEQA 程序以及MICROQL等得到建立[17]，使化學平衡模型的計算機化得到了較大發展，在此基礎上，目前已存在較多的關于化學平衡的計算軟件可用于此類問題的計算，如visual MINTEQ、PHREEQC、CHEAQS、Geochemists Workbench等。

近年來由瑞典皇家理工學院Jon Petter Gustafsson教授改進的視窗版本Visual MINTEQ軟件是目前功能最為強大的、人機界面較為友好的化學平衡軟件，此軟件可以在網絡上免費獲得[18]，在Windows下可快速安裝。軟件含有3 000余種離子形態以及600余種沉淀；可以計算氣體溶解、沉淀/溶解、氧化/還原等過程；包含兩種腐殖質的離子絡合模型: NIAC-Donnan和SHM(Stockholm Humic Model)；并含有5種表面絡合模型(DLM，TLM，BSM，CCM，CD-MUSIC)，可以滿足常見的離子平衡條件下的形態計算要求。

在環境化學教學過程中引入此類平衡計算軟件的教學，可將學生從繁瑣的計算中解放出來，計算效率更加高效、計算結果也更加準確，同時也有利于提高學生的學習興趣、擴大學生的視野、加深對水化學相關知識的理解。

Visual MINTEQ的主界面如圖1所示。主界面上的濃度單位、溫度、pH值、離子強度可以根據需要設置。注意濃度單位一旦選定后，所有組份均采用這同一濃度單位。在“Add components”的下拉菜單中用于添加所要計算體系中所有組份的總濃度，選好后點擊“Add to list”添加進計算列表，點擊“View/edit list”可以查看添加的各個組份及濃度。菜單欄中的各項可以進行更復雜的設置，如沉淀(Solid phases and excluded species)、吸附(Adsorption)、氣體(Gases)、氧化還原過程(Redox)。完成對體系中所有組份的設置后點擊運行(Run)鍵，即可完成運算。以下本文將采用舉例的方式具體介紹Visual MINTEQ在水環境化學教學中的應用。

圖1 Visual MINTEQ 主界面

2 Visual MINTEQ計算應用舉例

2.1 試計算天然雨水的pH值

圖2 氣體“Gases”中的界面

2.2 試計算碳酸鹽存在下天然水體的pH值

此條件下，存在氣/液/固相三者的平衡，因此除按上面添加CO2氣體之外，還需要加入CaCO3沉淀，在菜單沉淀欄(Solid phases and excluded species)中，選擇“無限多的固相(Specify infinite solid phase)”，在彈出的菜單中添加碳酸鈣Calcite，在“list of fixed species”中可以看到CO2(g)和calcite均已在列表中，點擊“Species tableau”可以查看當前體系中水相中各種形態的相關反應平衡常數logK值、熵值及每種形態的化學計量數(見圖3)，返回主界面開始運算。最終結果顯示，在此條件下的pH值為“8.227”，說明碳酸鹽存在下，天然水體承現弱堿性。

圖3 CO2和碳酸鈣沉淀體系中水相中各物質形態的相關參數表

2.3 繪制開放體系中各碳酸形態的logC-pH圖

水相中各物質形態的logC-pH圖可以幫助學生理解pH對物質形態變化的強烈影響。上面兩個例子能開展某個pH條件下的計算，如需要繪制水相中各物質形態隨pH變化的logC-pH圖，可采用軟件的批量計算方法輕松繪制。下面舉例說明開放體系下各碳酸形態的pH變化圖。如例1進行設置后，在菜單欄中“Multi-problem/Sweep”中進行如圖4所示的各項設置：勾選第一欄“Sweep：one parameter is varied”，在要計算的問題數中填入“57”，在變化的組份(Choose sweep component)中選中“pH”，在后面的起始值中設為0，變化步幅設為0.25，即從pH=0開始，每增加0.25個pH單位進行一輪運算，共運算57輪，使pH達到14。

圖4 批量計算中的設置界面

圖5 開放體系中各碳酸形態的logC-pH圖

在此基礎上，教師可以根據需要自行定義需要計算的反應體系，啟發學生開展復雜環境下的形態計算，如繪制碳酸鈣存在下開放體系的logC-pH圖，或計算不同重金屬的水解、絡合形態圖等。通過實際計算過程，幫助學生更好理解和掌握相關知識點，激發他們的學習興趣。

3 結 語

Visual MINTEQ程序可以環境科學、地球化學、大氣科學等眾多領域進行應用，本文列舉了應用該程序在水環境中碳酸鹽體系中的計算過程，可見，采用該方法后，不僅可以減輕學生的計算負擔，還提高了教學過程中師生的互動性和寓教于樂性，從而培養學生獨立思考問題、分析問題、解決問題的能力，同時使課堂傳統教學和具體實驗操作向網絡化、虛擬化轉變，取得了較好的教學效果。