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1、物理化学电子教案 绪论,泉州师范学院,主讲：贤景春 教授,化学与生命科学学院,物理化学电子教案 绪论,绪 论,0.1 物理化学的目的和内容,0.6 物理化学的研究方法,0.2 物理化学的建立与发展,0.7 物理化学课程的学习方法,0.3 物理化学的社会地位和作用,0.5 物理化学培养化学人才的特色,0.4 物理化学与经济繁荣及国计民生的关系,0.1 物理化学的目的和内容,1.什么是物理化学?,学科的划分：我国的学科划分是分成三个阶段 第一阶段：1981年，经国务院批准，共划分了10各学科门类,第二阶段：1983年，经国务院批准，共划分了11各学科，增加了军事学,11军事学,第三阶段：1997年
2、，经国务院批准，共划分了12各学科，增加了管理学,12管理学,原子、分子间的分离与组合,热,电,光,磁,温度变化,压力变化,体积变化,化 学,物理学,密不可分,状态变化,0.1 物理化学的目的和内容,化学反应,什么是物理化学?,物理现象,化学现象,物理化学,用物理的理论和实验方法,研究化学变化的本质与规律,物理化学 从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和方法来探求化学变化基本规律的一门科学。在实验方法上主要采用物理学的方法。,0.1 物理化学的目的和内容,研究物理化学的目的主要是为了解决生产实际和科学实验向化学所提出的理论问题，揭示化学变化的本质，使之化学能更好地为生
3、产和科研服务。,如有机化学家可应用物理化学中的动力学理论来探索反应机理，应用结构化学的知识研究反应中间体的结构和稳定性；,无机化学家可应用物理化学中的热力学原理研究无机材料的性质及稳定性；,0.1 物理化学的目的和内容,生物化学家可应用动力学研究酶反应，应用热力学原理研究生物能、渗透作用、膜平衡及确定生物大分子的分子量。,材料科学家利用热力学原理去判断各种材料的稳定性及合成某种新材料的可能性，应用光谱方法确定材料的结构和性能等。,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。,0.1 物理化学的目的和内容,就是说化学学科的进一步研究和发展，要以物理化学的理论为基础。,
4、2.物理化学课程的内容,统计热力学,量子力学,0.1 物理化学的目的和内容,(1) 研究化学变化的方向和限度问题 化学热力学,3.物理化学的任务,(3) 研究物质的性质与其结构之间的关系问题 结构化学,(2) 研究化学反应的速率和机理问题 化学动力学,0.1 物理化学的目的和内容,十八世纪开始萌芽：,0.2 物理化学的建立与发展,从燃素说到能量守恒与转化定律，差不多经过了近两个世纪。俄国科学家罗蒙诺索夫最早使用“物理化学”这一术语。,十九世纪中叶形成：到了19世纪中叶,随着现代工业的发展和化学知识的长期积累,物理化学开始形成。1887年俄国科学家W.Ostwald（18531932）和荷兰科学
5、家J.H.vant Hoff （18521911）合办了第一本“物理化学杂志”（德文）。从此，这个名词就逐渐被采用了，宣告了“物理化学”学科的诞生。在此后的一个多世纪物理化学充满了神奇斑斓的发展进程，相继树起了三个里程碑。,0.2 物理化学的建立与发展,W.Ostwald,J.H.vant Hoff,在二十世纪以后物理化学得到了迅速发展，形成的三个里程碑： 其一，自1887年至20世纪20年代，物理化学是以化学热力学的成熟和宏观化学反应速率的建立为特征，它主要是借助于物理学中的力学、热学及气体分子运动论来解决化学平衡和化学反应的速率问题。这虽然是它在宏观层面上的最初阶段的研究，但毕竟是迈出了难
6、能可贵、展现曙光的一步。,0.2 物理化学的建立与发展,其二，自20世纪20年代至60年代，随着原子结构和量子理论的建立，物理化学迈入物质微观结构及化学变化微观规律的探索阶段。在这一期间主要提出了化学键理论、电解质与非电解质溶液的微观结构模型、一些催化反应机理等等,使物理化学开始进入分子水平的研究阶段。这一时期的量子化学与结构化学成了化学的带头学科，为整个的化学学科奠定了坚实的理论基础。,0.2 物理化学的建立与发展,其三，从20世纪60年代至今，随着科学技术的巨大进展，如计算机、各种波谱、电子技术、超真空及激光技术的不断更新，极大地促进了物理化学向深度和广度发展。其特点是：,0.2 物理化学
7、的建立与发展,研究工作由稳态、基态向瞬态、激发态迈进； 由单一分子结构和行为向分子间的相互作用细节深入； 由化学体系扩大到生物体系及远离平衡态的耗散结构等等。 所涌现出的交叉分子束实验技术、红外光谱方法、表面增强激光拉曼光谱技术，可以使物理化学能够观察到固体表面状态和原子排列结构及表面客体分子间的实际反应过程。尤其是近年超短脉冲激光的出现，提高了时间分辨率，使分子反应动力学及光化学、催化、电化学等各门学科的研究进入分子研究水平。使物理化学整个学科的发展迈上一个新的台阶(1999年，化学诺贝尔奖亚米德、齐威尔飞秒化学，1飞秒=10-15秒）。,0.3 物理化学的学科地位和社会作用,1.物理化学的
8、主导地位,20世纪中叶，前苏联科学院院长、化学家涅斯米扬洛夫曾有一句名言：“现代科学的真正领袖是物理学。” 20世纪90年代初国际知名的物理化学家、中科院唐有祺院士根据20世纪后半叶自然科学发展新势态，也作出一个著名论断：“物理与化学一起是当代自然科学的轴心。”两位大师的言简意赅，为人们勾勒出“物理化学”这门交叉学科所处的地位与肩负的责任。可以说物理化学及其家族作为现代化学的核心理论，不仅支撑着整个化学学科的营垒，而且还饮誉着整个人类科学（甚至包括社会科学）的殿堂。,0.3 物理化学的学科地位和社会作用,据统计,1901-1998年诺贝尔化学奖共130位，其中约82位是物理化学家或从事物理化学
9、领域研究的科学家。这说明在98个年头当中，化学学科最引人注目的成就有63集中在物理化学领域。,还有值得一提的是，物理化学科学的繁荣乃至整个化学学科的发展，应该归功于一位卓越先驱物理化学家J.W.Gibbs（吉布斯）。他被誉为现代工业和科学界主干部分基本学说的创立者，他在热力学、冶金学、矿物学、岩石学、生理学等诸多学科领域都有着重要发现和巨大建树。,0.3 物理化学的学科地位和社会作用,尤其是他将热力学理论、物理化学学科的研究实践与高深的数学完美结合，建立了同时代人难以破译的相平衡理论“Gibbs相律”，从而极大地简化了一大批工业生产过程。如：制冷、冶炼、燃烧、能源工程以及合成化学品、陶瓷、玻璃
10、和肥料的大批量生产等。从此化学才得以成为世界上规模最大的工业基础。所以，科学历史学家们认为，吉布斯是美国最伟大的科学家，应与牛顿、麦克斯韦相提并论。显然，将一位物理化学家提到如同物理学巨匠那样显赫，就证明了物理化学学科在科学界和人类社会生产活动中的崇高荣誉与主导地位。,0.3 物理化学的学科地位和社会作用,2. 物理化学扩充了化学领地并促进相关学科发展,化学经过300百多年的发展历程，今天已经建立起庞大的知识体系，它不断开拓着广阔而多向发展的前沿领域，以崭新的姿容迈入交叉学科的新时代。,物理化学除了自身形成一些分支物化、分门物化外，如今它又衍生出界面结构化学、分子反应动力学、激光化学、飞秒化学
11、等。物理化学可为化学各分支学科：无机、有机、分析化学等提供最一般的原理，并由此促使他们形成各自的理论体系和研究方法，推动化学研究向纵深发展。,0.3 物理化学的学科地位和社会作用,比如： 它将化学的研究对象从一般键合分子拓宽到准键合分子及非化学计量化合物； 它从气液固三种聚集态的研究外延到等离子体、超分子、各种分散态、单分子膜的研究； 它将对化学过程的温度、压力外部条件的控制跃升到分子态的控制以及极端条件（超高温、超高压、超低温、超低压）的化学过程的研究。 所以物理化学研究领域的拓展无疑是极大地丰富了化学学科的内容，也说明物理化学正在开辟化学学科的新的用武之地。,0.3 物理化学的学科地位和社
12、会作用,物理化学的形成得益于数学、物理学的基本理论和技术。反之，物理化学的发展也推动了数学和物理学的发展。历史上物理化学家和物理学家在对方领域也取得的巨大成绩和贡献。如：远离平衡态的耗散结构理论、前线分子轨道理论、分子轨道对称守恒原理、交叉分子束的分子反应动力学研究等都获得了诺贝尔化学奖。 分子生物学也需要物理化学所提出的一些化学过程信息。 所以说，化学各学科分支间、化学与相邻学科间的交叉与渗透，主要是通过物理化学学科进行的。,0.3 物理化学的学科地位和社会作用,3. 物理化学与经济繁荣及国计民生的关系,鉴于石油和其他资源日渐短缺的局面，如何寻找新工艺、新材料、开发新能源、新食品源，以及提高
13、效率、节省能耗、防止污染等，都需要以化学为中心的多学科的努力，其中很多核心的基础研究将是物理化学的中心课题。一旦解决了这些难题，就将更新整个国民经济体系，改善国防设备，增强国力，就能进一步发展宇宙空间技术，同时也能极大地丰富人们的物质与精神生活。,0.3 物理化学的学科地位和社会作用,另外，物理化学学科对人类生活健康与生态平衡有着积极的作用和影响。如大气层空洞的形成和控制，从根本上讲是由光化学过程决定的；物理化学提供的构效信息已经帮助人们生产出了低毒或无毒的新农药；催化剂正在用来解决汽车尾气的污染问题；化学动力学过程也揭示了燃烧过程的基元反应。 更令人惊喜的是物理化学的研究已经进入到人类遗传基
14、因、生物工程、药物设计、疾病控制等领域。 总之，物理化学正在与相关学科携手为开拓新的食品资源、节能减排、维护人类健康、建立和谐社会作出应有的贡献。,0.4 物理化学培养化学人才的特色,物理化学，在百年树人的质量与效率上具有明显的特色之处，就是通过其教学与训练，使人才具有较深的理论根基、较宽的学术视野、较佳的实验技能和较高的思维技巧。老一辈化学家几乎都有这样的共识：“凡是具有较好的物理化学素养的大学本科生，适应能力强且后劲足。”他们容易触类旁通，只要赋予进一步深造，就能较快地开辟新的研究领地、抢占国际高科技发展的前沿领域。,0.4 物理化学培养化学人才的特色,其原因是：物理化学学科不仅独具缜密严
15、谨的逻辑体系、多元化的思维方法论和多极化的实验技能和较高的思维技巧，而且有其鲜明的哲学理念与唯物辩证法。这是探索自然奥秘、点燃创新火苗的原动力与推进器。 换言之，学科的发展观与人才观均取决于科学的思维观与方法论。在当今我国屈指可数的著名化学家中，名列前茅的大多是物理化学家，而他们又同时是化学哲学家。即有高科技的重大成果，也有人文科学与化学哲学的名言佳作。,热力学方法：,是一种宏观的方法，其研究对象是由众多质点组成的集合体系，它是以两个经典的热力学定律为基础，用一系列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。经典热力学方法只适用于平衡体系。,统计力学方法：,用概率规
16、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的宏观性质。,0.5 物理化学的研究方法,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，从而揭示物质的性质与结构之间的关系。,0.5 物理化学的研究方法,（1）从宏观到微观 （2）从体相到表相 （3）从静态到动态 （4）从定性到定量 （5）从单一学科到交叉学科 （6）从研究平衡态到研究非平衡态,0.6 近代化学的发展趋势和特点,0.6 近代化学的发展趋势和特点,（1）从宏观到微观,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。,（2）从体相到表相,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。,（3）从静态到动态,热力学的研究
