Elements of Environmental Chemistry（环境化学基础）

引用

Raff, J. D., & Hites, R. A. (2020). Elements of Environmental Chemistry (3rd ed.). Wiley.

章节概要

第3版篇幅不长，约290页，共7章。出版社称其简明而注重实践，既讲环境化学的基础，也提供一套运用这些基础的工具。前六章每章末尾都有一组习题，出版社统计全书共有130多道习题，其中一部分可以用Excel求解；第1–6章习题的答案在附录中。从公开的样章可以看出本书的风格：简短的讲解之后是例题，计算前先说明解题思路，行文口语化。附录还包括有机结构与命名入门、元素周期表和常数表。这一版作者对全书作了彻底修订和重新编排：工具技能一章增加了热力学和测量问题，原来讲分配的一章扩展为讲有机化合物归趋的一章，有毒物质的内容则合并到最后一章。

第1章：简单的工具技能

环境科学工作者反复遇到的任务：单位换算、估算、理想气体定律、化学计量、热力学考虑（焓、熵、吉布斯自由能）以及测量问题。例题坚持把单位换算完整写出来，并以合理的有效数字报告结果（作者说，在多数环境问题中两位就够了）。测量一节讨论准确度、精密度，以及分析速度与质量之间的权衡。

第2章：质量平衡与动力学

全书核心的定量章节。稳态质量平衡由流量、存量和停留时间构建，包括多个流量的叠加，以及"通量不是流量"这一区分。随后是非稳态质量平衡，包括上升曲线、下降曲线和实际数据的处理，然后是一级反应、二级反应和米氏动力学。

第3章：大气化学

大气结构、光与光化学、大气氧化剂，以及通过一个准稳态示例和阿伦尼乌斯方程讨论大气反应动力学。平流层臭氧通过其生成与消耗机理以及查普曼反应的动力学来讨论，本章以烟雾结尾。

第4章：气候变化

从历史回顾开始，接着是黑体辐射与地球温度、红外吸收和温室效应。地球辐射平衡被拆分为温室气体、反照率、太阳常数及其综合效应，随后讨论气溶胶与云、辐射强迫和全球增温潜势。

第5章：二氧化碳平衡

把pH和平衡常数应用于水中的二氧化碳：纯净雨水和受污染雨水的pH、酸雨化学的补充及其影响、地表水以及海洋酸化。

第6章：有机化合物的归趋

在有习题的各章中篇幅最长。本章从分子间相互作用（电负性、偶极与四极、各类弱相互作用）出发，用它们来解释蒸气压，液体、固体和气体的水溶解度，向有机相和生物体的分配（生物浓缩、生物积累、生物放大），吸附以及水–气交换。最后讨论有机污染物的反应性归趋，并以一节把分配与持久性综合起来作结。出版社称，本章重在培养根据结构预测化学品归趋的"化学直觉"。

第7章：有毒物质：汞、铅、农药、多氯联苯、二噁英和阻燃剂

这是以物质和案例为线索、以描述为主的一章：汞；铅；农药的历史、历史遗留农药，以及现用除草剂、杀虫剂、熏蒸剂和杀菌剂；多氯联苯的命名、生产和用途，并有哈得孙河、印第安纳州布卢明顿以及日本油症和台湾油症的案例研究；二噁英的命名，以及雏鸡水肿病、橙剂、密苏里州时代海滩（Times Beach）、塞韦索、燃烧源和美国二噁英再评估；溴系及其他阻燃剂。本章以"经验教训"收尾，与其他各章不同，没有习题。

核心概念

第1–2章：工具

• 估算：快速进行数量级计算，以检验结果是否合理。
• 停留时间：某储库中物质的存量除以通过该储库的流量。
• 通量与流量：通量是单位面积上的流量；本书强调两者不可混淆。
• 非稳态质量平衡：当输入与输出不相等时，描述储库中物质的量如何随时间增减。

第3–4章：大气与气候

• 准稳态近似：把短寿命物种的浓度视为恒定，以简化动力学处理。
• 查普曼反应：平流层臭氧生成与消耗的基本反应机制。
• 辐射强迫：由温室气体增加等变化引起的地球能量平衡的改变。
• 全球增温潜势：将某种气体的增温效应与二氧化碳相比较的指标。

第5章：二氧化碳平衡

• 碳酸盐平衡：溶解二氧化碳的一系列反应，决定雨水和天然水体的pH。
• 海洋酸化：海洋吸收二氧化碳导致海水pH下降。

第6–7章：有机化合物与有毒物质

• 分配：化合物在空气、水、有机相和生物体之间的分布。
• 生物放大：污染物浓度随食物链营养级升高而增加。
• 持久性：化合物在环境中被转化之前能存留多久。
• 同系物命名：为单个多氯联苯和二噁英命名的体系。

评析

优点

• 从第一页起就是定量的。 本书把环境化学当作计算来教：第1、2章建立一小套工具（单位换算、估算、质量平衡、动力学），然后应用于大气、气候和水。强调写出单位换算和使用切合实际的有效数字，是课程之外也用得上的实用训练。
• 习题附有答案。 130多道习题，其中一些适合用Excel求解，第1–6章习题答案附在书末，因此本书也适合自学。
• 简短而集中。 不到300页，一学期即可学完；第3版的重新编排使每一章的任务都很明确。
• 以案例讲有毒物质。 第7章把农药、多氯联苯、二噁英和阻燃剂与具体的事件和地点联系起来，出版社指出这部分现在附有更多文献出处。

局限

• 覆盖面有选择性。 书中没有土壤化学、水处理或绿色化学的章节，因此本书是对若干精选工具和问题的入门，而非对整个领域的概览。
• 第7章不是定量的。 最后一章没有习题，与全书其余部分以计算为中心的做法不同。
• 需要一定的化学基础。 第6、7章所需的有机化学被压缩在一个简短的附录入门中，第1章的热力学也只是简要复习；没有学过普通化学的学生会觉得进度较快。

在课程中的定位

Raff和Hites是本课程面向理科学生的定量入门书。美国化学会为非理科专业学生编写的 Chemistry in Context 几乎不用计算地介绍同样的议题（空气、气候、水、能源），没有化学背景的读者可以先读它。Stanley Manahan的 Environmental Chemistry 是一本覆盖面宽得多的教材，涵盖大气、水、土壤、生命系统和绿色化学；它可以作为配套读物补充Raff和Hites未涉及的主题，而Raff和Hites则提供解题练习。Mike Lancaster的 Green Chemistry: An Introductory Text 讨论更清洁的化学工艺设计，这是本书没有涉及的内容。

两本研究生教材分别深化了特定章节。Schwarzenbach、Gschwend和Imboden的 Environmental Organic Chemistry 以完整的定量细节展开第6章中的分配与转化过程；Seinfeld和Pandis的 Atmospheric Chemistry and Physics 则对第3–4章的大气动力学、臭氧和气候内容做了同样的深化。Raff和Hites是进入这两本书的良好准备。

如何使用本书

本书面向化学和环境科学领域的学生与专业人员。预期基础是普通化学和熟练的代数；所需的热力学和动力学在第1–2章中有所复习，后面用到的有机结构与命名在附录A中介绍。

一学期的实用计划：

• 不要跳过第1章和第2章。 后面每一章都要用到单位换算、质量平衡和动力学；这两章的习题是学习其余各章的最好准备。
• 大气与气候： 按顺序读第3、4章；第3章的大气动力学直接用到第2章。
• 水： 第5章，把平衡常数应用于雨水、地表水和海洋。
• 有机污染物： 先读第6章，再把第7章作为关于具体物质和案例的读物；如果不熟悉有机命名，先读附录A。

学习例题时先遮住解答，按书中给出的思路自己做，然后完成习题并对照附录D检查。适合Excel的题目可以在电子表格中尝试；像2.2.3节非稳态质量平衡中那样拟合实际数据，是很好的起点。继续学习环境化学的学生，有机化合物方面可进而阅读Schwarzenbach等人的书，大气方面可阅读Seinfeld和Pandis的书。