物理化学研究方法

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1、什么是物理化学 化学是研究物质的组成、结构、性质、分 子间的相互作用及其原子或原子团重新组 合的规律性等方面的一门学科。 物理化学是根据物理现象和化学现象之间 相互联系来研究物质变化规律的一门学科 。 物 理 现 象化 学 反 应 （力、热、光、电）物 理 化 学联系物理化学的目的和内容物理化学 从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，借助数学和物理学的理论从而探求化学变化中具有普遍性的包含宏观到微观的基本规律（平衡规律和速率规律）。在实验方法上主要采用物理学中的方法。作为化学的理论基础，物理化学主要由化学热力学、统计热力学、化学动力学、结构化学四大支柱组成。物理化学的目的和内容研究内容：

2、(1)化学热力学 研究化学变化过程（包括相变过程）的能量转换及化学变化的方向和限度问题（分析有无可能）；(2)化学动力学 研究化学反应的速率和机理问题及影响速率的因素（分析能否实现）；(3)物质结构 物质的性质与其结构之间的关系问题（分析其内在原因）物理化学的研究方法物理化学是自然科学中一个独立的分支， 因此一般的科学研究方法对物理化学也是适用的 。但由于它研究对象的特殊性，还有其特殊的研 究方法，这些方法是建立在理论物理方法的基础 之上的，如：1. 热力学方法2. 统计力学方法3. 量子力学方法 4. 动力学方法 归纳：从个别到一般。演绎：从一般推论到个别。 热力学方法是宏观的方法，其研究对

3、象是由 众多质点组成的宏观体系，它以热力学三大定律为基础，用一系列体系的宏观性质（热力学函数）及其变量描述体系从始态到终态的宏观变化，而不涉及变化的细节和速率。经典热力学方法只适用于平衡体系。热力学第一定律在能量转化过程中, 能量既不被消灭,也不会被产生, 只能从 一种形式转变为另一种形式,且不同形式能量在相互转化时永远是数量相当的。 热力学可逆过程不同于可逆化学反应 热力学可逆过程是科学的抽象, 实际中不存在, 但其具有重要的理论意义, 且有些实际过程可近 似视为可以以可逆方式实现。太阳能利用涉及的技术问题很多，但根据 太阳能的特点，具有共性的技术主要有四项， 即太阳能采集、太阳能转换、太阳

4、能贮存和太 阳能传输，将这些技术与其它相关技术结合在 一起，便能进行太阳能的实际利用-光热利用 、光电利用和光化学利用。 太阳能的利用热力学第二定律和第三定律 热力学第二定律是描述热量的传递方向的 。分子有规则运动的机械能可以完全转化 为分子无规则运动的热能；热能却不能完 全转化为机械能。 “不可能使一个物体冷却到绝对温度的零 度。”这就是热力学第三定律。低熵经济 “熵”原为一物理学概念，指“可用能量的消耗 ”，或某一系统中存在的一定单位的“无效能量 的总和”与“不能再被转化做功的能量的总和的 测定单位”。20世纪70年代，日本物理学家槌田 敦将描述转化方向的“熵增加原理”引入对社会 经济系统

5、的研究。 熵理论已在经济学界得到广泛认同和接受。在内 涵“可持续发展”意蕴方面，低熵化发展模式与 熵理论具有内在的一致性。 在低熵化发展模式逐渐取代传统发展模式的过程 中，一味追求高速度和高增长的传统GDP，必然 让位于考虑资源和环境因素的“绿色GDP”和关 照人的自由与发展的“人文GDP”。 杨振宇翁帆:我们已经慢慢学会欣赏彼此 杨振宁：讨论结婚时，我跟翁帆说，将 来我不在了，我赞成你再结婚。她说：“ 我当然不会，你怎么可以这样讲！”但我 的话是有哲理的。人生非常复杂，没有 绝对的对与不对。我告诉她，赞成你将 来再结婚，是年纪大的杨振宁讲的；年 纪轻的杨振宁，希望你不再结婚。 统计力学方法它

6、主要是运用微观研究手段，把统计描述与量子力学原理结合起来， 用概率规律计算出体系内部大量质点微观运动的平均结果，从而解释宏观现象并能计算一些热力学性质。量子力学方法用量子力学的基本方程（E.Schrodinger方程）求解组成体系的微观粒子之间的相互作用及其规律，从而揭示物性与结构之间的关系。物理化学的意义及其在中学化学 教学中的作用同其它化学二级学科（无机、分析、有机等） 相比，物理化学则着重研究更具有普遍性的、更本 质的化学现象的内在规律性。其他学科在解决具体 问题时，在很大程度上常常利用物理化学的方法， 因此物理化学是整个化学学科的理论基础。中学化学涉及物理化学的内容：吸热反应，放热反应

7、，可逆反应，化学平衡， CO2变干冰，食盐加入水中使冰点降低，电解质的 导电，石墨转变金刚石，催化剂, 金属的防腐, 肥皂 的洗涤作用等等。 近代化学的发展趋势和特点(1)从宏观到微观(2)从体相到表相(3)从定性到定量(4)从单一学科到交叉学科(5)从研究平衡态到研究非平衡态化学学科的发展趋势单用宏观的研究方法是不够的，只有深入到微观，研究分子、原子层次的运动规律，才能掌握化学变化的本质和结构与物性的关系。(1) 从宏观到微观化学学科的发展趋势在多相体系中，化学反应总是在表相上进行，随着测试手段的进步，人们迫切希望了解 表相反应的实际过程，这也进一步推动了表面化学和多相催化的发展。 (2)

8、从体相到表相化学学科的发展趋势随着计算机技术的飞速发展，大大缩短了数据处理的时间，并可进行人工模拟和自动记录，使许多以前只能 做定性研究的课题现在可进行定量监测。(3) 从定性到定量化学学科的发展趋势化学学科与其他学科以及化学内部更进一步相互渗透、相互结合 ，形成了许多极具生命力的交叉科学，如生物 化学、海洋化学、地球化学、天体化学、计算 化学、金属有机化学、物理有机化学等。(4) 从单一学科到交叉学科化学学科的发展趋势经典热力学只研究平衡态和封闭体系或孤立体系，然 而对处于非平衡态的开放体系的研究更具有 实际意义，自1960年以来，逐渐形成了非平衡态热力学这个学科分支。(5)从研究平衡态到研

9、究非平衡态诺贝尔物理奖获得者中的华人杨振宁57年李政道57年丁肇中76年朱棣文97年崔琦98年对待教育要少一些干预，多一点敬畏 民国38年间，全国共有25万人获得大学毕业 证书，平均一年不足7000人；而2008年我国 一年毕业的大学生人数达到559万，大约是民 国时期培养规模的800倍。新中国成立60年来 ，中国高等教育的变化翻天覆地。然而，越 来越多的人开始发出这样的疑问：民国时期 是一个大师辈出的年代，而现在为何培养不 出像杨振宁、李政道、钱学森这样的拔尖创 新人才？ 钱学森认为：“现在中国没有完全发展起来， 一个重要原因是没有一所大学能够按照培养 科学技术发明创造人才的模式去办学，没有

10、 自己独特的创新的东西，老是冒不出杰出人 才。” 在英国北部偏远地区有个郡，一名女生毕业考试成绩 达到全A，是当地多年来第一个有资格上牛津大学的 学生。当地的官员都很关注，希望她进入牛津。然而 ，牛津大学的教授在对该女生面试后认为，这个学生 不具备牛津大学要求的创新能力，只会死读书，拒绝 录取。 当地官员找到教育大臣，请他出面说情，希望给予破 格录取。在被牛津大学拒绝之后，教育大臣又找到副 首相前去求情，还是遭到拒绝。副首相只得请布莱尔 首相出面疏通，但牛津大学表示，教授委员会的面试 结论和决定，任何人都不能推翻。布莱尔此后抱怨牛 津大学太古板了，应该改革。牛津大学的师生得知后 ，极为愤慨，学

11、校立即取消了授予布莱尔荣誉博士学 位的原定计划，并对政府行政干预学校事务的这一严 重事件提出抗议 对待教育要少一些干预，多一点敬畏燃料电池电化学反应的热力学与动力学 “可逆”电池： 须从热力学意义上的可逆概念来理解，有两层含义：1. 化学（物质）可逆性：电极反应物质在充、放电过程可逆；2. 能量可逆性：即热力学可逆过程，为反应速度趋于零时的准静态过程。构成可逆电池的条件: 一、化学可逆性 放电（原电池）和充电（电解池）过程中，在两极上的反应完全可逆，总的电池反应也可逆。例 1）铅蓄电池： 放电：）Pb：Pb + SO42 PbSO4+ 2e+）PbO2：PbO2+ SO42 + 4H+ + 2

12、e PbSO4 + 2H2O 总反应：Pb + PbO2+ 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O 充电：阴）Pb：PbSO4 + 2e Pb + SO42 阳）PbO2：PbSO4 + 2H2O PbO2 + SO42 + 4H+ + 2e 总反应：2PbSO4 + 2H2O Pb + PbO2+ 2H2SO4 电极反应、总反应完全化学可逆。例 2）丹尼尔电池： E E外，放电： ） Zn 2e Zn2+） Cu2+ + 2e Cu总反应：Zn + Cu2+ Zn2+ CunE外 E，充电：阴） Zn2+ + 2e Zn 阳） Cu 2e Cu2+总反应：Zn2+ + Cu Zn + Cu

13、2+n电极反应、总反应完全化学可逆。例 3） 充电: ( Zn:阴极) 2H+ + 2e H2(Cu:阳极) Cu 2e Cu 2+总反应： Cu + 2H+ Cu 2+ H2 电极反应、总反应均不可逆 化学不可逆，此电池肯定为不可逆电池。n放电：）Zn 2e Zn2+）2H+ + 2e H2总反应：Zn + 2H+ Zn2+ + H2 虽然电极反应可逆，但电解液内部离子运动不可逆，所以，仍为不可逆电池。n放电时：Zn2+ 向右迁移；n充电时： Cu2+ 向左迁移。由于液接电势: 若采用盐桥法可消除液接电势，近似地当作可逆电池。 但严格地说：双液电池肯定有液接电势，热力学不可逆。n所以说丹尼尔

14、电池不是可逆电池。n前面介绍的几个电池中，只有铅蓄电池在 i 0 时为可逆电池。 例4）氢氧电池： 燃料电池（PEMFC) ） H2 2e 2H+ +） 1/2O2 + 2H+ + 2e H2O总反应： H2 + 1/2 O2 H2O 电解水：电解水： 阴极）阴极）2H2H+ + 2e + 2e 2H2H2 2 阳极）阳极）H H2 2O- 2e O- 2e 1/2O1/2O2 2+ 2H + 2H+ + 总反应：总反应：H H2 2O O H H2 2+ 1/2 O + 1/2 O2 2 电极反应、总反应完全化学可逆。二、能量转化可逆 可逆电池反应不但要求化学反应可逆，而且要求电极反应热力学

15、可逆 准静态过程： 即包括充电、放电过程都是在接近平衡的状态下进行的。 电池放电（或充电）电流密度：i 0 此时，作为电池放电它能作出最大有用功（电功）：i 0n作为电解池充电：它所消耗的外界电能最小： 这样：将电池放电时所放出的能量全部储存起来，用这些能量给放电后的电池充电，就恰好可使体系（电池装置）和环境都回复到原来的状态。 若充、放电过程电流 i 较大，则为热力学不可逆过程，此时：u 放电过程 ： u 充电过程 ： n要使体系（即电池）回复到原来状态，即使充电过程自由能增量 GT, P (充电) 等于放电过程自由能的下降量 G T, P (放电):n显然： W外 W f u 放电过程：u 充电过程 ： n进行这样一个（体系回复原状的）循环后，环境所作的功大于体系（电池）对环境所作的功；n即环境不能回复到原来状态。n所以此时过程能量不可逆。W外 Wf例：燃料（可燃性反应物）电池，298K 时反应H2 (g) + O2 (g) = H2O (l)f 0 0 -285.84 kJ/molGf 0 0 -237.19 kJ/mol(电池反应