Elements of Environmental Chemistry（環境化學基礎）

引用

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

章節概要

第3版篇幅不長，約290頁，共7章。出版社稱其簡明而重實作，既講環境化學的基礎，也提供一套運用這些基礎的工具。前六章每章末尾都有一組習題，出版社統計全書共有130多道習題，其中一部分可以用Excel解答；第1–6章習題的解答在附錄中。從公開的樣章可以看出本書的風格：簡短的說明之後是例題，計算前先說明解題策略，行文口語化。附錄另有有機結構與命名入門、週期表和常數表。這一版作者將全書徹底修訂並重新編排：工具技能一章增加了熱力學與量測問題，原本談分配的一章擴充為談有機化合物宿命的一章，有毒物質的內容則併入最後一章。

第1章：簡單的工具技能

環境科學工作者一再遇到的任務：單位換算、估算、理想氣體定律、化學計量、熱力學考量（焓、熵、吉布斯自由能）以及量測問題。例題堅持把單位換算完整寫出，並以合理的有效數字報告結果（作者說，多數環境問題用兩位就夠了）。量測一節討論準確度、精密度，以及分析速度與品質之間的取捨。

第2章：質量平衡與動力學

全書核心的定量章節。穩態質量平衡由流量、存量與滯留時間建構，包括多個流量的加總，以及「通量不是流量」這個區分。接著是非穩態質量平衡，包括上升曲線、下降曲線與實際數據的處理，然後是一級反應、二級反應與Michaelis–Menten動力學。

第3章：大氣化學

大氣結構、光與光化學、大氣氧化劑，以及透過一個擬穩態範例與阿瑞尼斯方程式討論大氣反應動力學。平流層臭氧透過其生成與消耗機制以及查普曼反應的動力學來討論，本章以煙霧作結。

第4章：氣候變遷

從歷史回顧開始，接著是黑體輻射與地球溫度、紅外線吸收與溫室效應。地球輻射平衡被拆解為溫室氣體、反照率、太陽常數及其綜合效應，隨後討論氣膠與雲、輻射驅動力與全球暖化潛勢。

第5章：二氧化碳平衡

把pH與平衡常數應用於水中的二氧化碳：乾淨雨水與受污染雨水的pH、酸雨化學的補充及其影響、地表水以及海洋酸化。

第6章：有機化合物的宿命

在有習題的各章中篇幅最長。本章從分子間交互作用（電負度、偶極與四極、各類弱交互作用）出發，用來解釋蒸氣壓，液體、固體與氣體的水溶解度，向有機相與生物體的分配（生物濃縮、生物累積、生物放大），吸附以及水–氣交換。最後討論有機污染物的反應性宿命，並以一節把分配與持久性綜合起來作結。出版社表示，本章著重培養從結構預測化學品宿命的「化學直覺」。

第7章：有毒物質：汞、鉛、農藥、多氯聯苯、戴奧辛與阻燃劑

這是以物質與案例為主軸、以描述為主的一章：汞；鉛；農藥的歷史、過去使用的農藥，以及現用除草劑、殺蟲劑、燻蒸劑與殺菌劑；多氯聯苯的命名、生產與用途，並有哈德遜河、印第安納州布魯明頓以及日本油症與台灣油症的案例研究；戴奧辛的命名，以及雛雞水腫病、橙劑、密蘇里州時代海灘（Times Beach）、塞維索、燃燒來源與美國戴奧辛再評估；溴系及其他阻燃劑。本章以「學到的教訓」收尾，與其他各章不同，沒有習題。

核心概念

第1–2章：工具

• 估算：快速進行數量級計算，以檢驗結果是否合理。
• 滯留時間：某儲庫中物質的存量除以通過該儲庫的流量。
• 通量與流量：通量是單位面積上的流量；本書強調兩者不可混淆。
• 非穩態質量平衡：當輸入與輸出不相等時，描述儲庫中物質的量如何隨時間增減。

第3–4章：大氣與氣候

• 擬穩態近似：把短生命期物種的濃度視為定值，以簡化動力學處理。
• 查普曼反應：平流層臭氧生成與消耗的基本反應機制。
• 輻射驅動力：由溫室氣體增加等變化所引起的地球能量平衡改變。
• 全球暖化潛勢：將某種氣體的暖化效應與二氧化碳相比較的指標。

第5章：二氧化碳平衡

• 碳酸鹽平衡：溶解二氧化碳的一系列反應，決定雨水與天然水體的pH。
• 海洋酸化：海洋吸收二氧化碳造成海水pH下降。

第6–7章：有機化合物與有毒物質

• 分配：化合物在空氣、水、有機相與生物體之間的分布。
• 生物放大：污染物濃度隨食物鏈營養階層升高而增加。
• 持久性：化合物在環境中被轉化之前能存留多久。
• 同源物命名：為個別多氯聯苯與戴奧辛命名的系統。

評析

優點

• 從第一頁起就是定量的。 本書把環境化學當作計算來教：第1、2章建立一小套工具（單位換算、估算、質量平衡、動力學），再應用於大氣、氣候與水。強調寫出單位換算並使用符合實際的有效數字，是課程之外也用得上的實用訓練。
• 習題附有解答。 130多道習題，其中一些適合用Excel解答，第1–6章習題解答附在書末，因此本書也適合自學。
• 簡短而聚焦。 不到300頁，一學期即可讀完；第3版的重新編排讓每一章的任務都很明確。
• 以案例談有毒物質。 第7章把農藥、多氯聯苯、戴奧辛與阻燃劑連結到具體的事件與地點，出版社指出這部分現在附有更多文獻出處。

局限

• 涵蓋範圍有選擇性。 書中沒有土壤化學、水處理或綠色化學的章節，因此本書是對若干精選工具與問題的入門，而非整個領域的概覽。
• 第7章不是定量的。 最後一章沒有習題，與全書其餘部分以計算為中心的做法不同。
• 需要一定的化學基礎。 第6、7章所需的有機化學被壓縮在一份簡短的附錄入門中，第1章的熱力學也只是簡要複習；沒學過普通化學的學生會覺得進度偏快。

在課程中的定位

Raff與Hites是本課程為理科學生準備的定量入門書。美國化學會為非理科學生所編的 Chemistry in Context 幾乎不用計算地介紹相同的議題（空氣、氣候、水、能源），沒有化學背景的讀者可以先讀它。Stanley Manahan的 Environmental Chemistry 是一本涵蓋面廣得多的教科書，包括大氣、水、土壤、生命系統與綠色化學；它可作為輔助讀物補充Raff與Hites未談的主題，而Raff與Hites則提供解題練習。Mike Lancaster的 Green Chemistry: An Introductory Text 探討更潔淨的化學製程設計，這是本書沒有觸及的內容。

兩本研究所教科書分別深化了特定章節。Schwarzenbach、Gschwend與Imboden的 Environmental Organic Chemistry 以完整的定量細節展開第6章的分配與轉化過程；Seinfeld與Pandis的 Atmospheric Chemistry and Physics 則對第3–4章的大氣動力學、臭氧與氣候內容做同樣的深化。Raff與Hites是進入這兩本書的良好準備。

如何使用本書

本書寫給化學與環境科學領域的學生與專業人士。預期的基礎是普通化學與熟練的代數；所需的熱力學與動力學在第1–2章中會複習，後面用到的有機結構與命名則在附錄A中介紹。

一學期的實用計畫：

• 不要跳過第1章與第2章。 後面每一章都會用到單位換算、質量平衡與動力學；這兩章的習題是學習其餘各章的最佳準備。
• 大氣與氣候： 依序讀第3、4章；第3章的大氣動力學直接用到第2章。
• 水： 第5章，把平衡常數應用於雨水、地表水與海洋。
• 有機污染物： 先讀第6章，再把第7章當作關於具體物質與案例的讀物；若不熟悉有機命名，先讀附錄A。

研讀例題時先遮住解答，依書中給的策略自己做，再完成習題並對照附錄D檢查。適合Excel的題目可在試算表中嘗試；像2.2.3節非穩態質量平衡那樣擬合實際數據，是很好的起點。繼續學習環境化學的學生，有機化合物方面可進一步閱讀Schwarzenbach等人的書，大氣方面可閱讀Seinfeld與Pandis的書。