物理化学绪论u.ppt

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1、物理化学D,绪论,0-1 什么是物理化学0-2 物理化学的基本内容0-3 物理化学的研究方法0-4 物理化学的形成与发展0-5 物理化学的重要性0-6 物理化学的学习方法0-7 课程内容和课程要求,0-1 什么是物理化学,物理化学,=,?,物理化学 物理+化学,物理,化学,+,Physical Chemistry Physics+Chemistry,化学变化伴随着物理变化,合成氨 N2+3H2=2NH3,物理因素影响化学变化的进行,物理化学的定义,物理化学是应用数学、物理学等基础学科的理论和实验方法，研究化学变化普遍规律的科学。具体而言：物理化学研究物质体系发生p、V、T变化，相变化和化学变化

2、过程的基本原理，主要是平衡规律和速率规律以及与这些变化规律有密切联系的物质的结构及性质(宏观性质、微观性质、界面性质和分散性质等)。,其它定义,20世纪50年代，黄子卿：“一种学科，从物理现象和化学现象的联系找出物质变化的基本原理叫做物理化学。”20世纪80年代初，唐有祺：“物理化学是化学学科中的一个重要学科，它借助数学、物理学等基础科学的理论及其提供的实验手段，研究化学科学中的原理和方法，研究化学体系行为最一般的宏观、微观规律和理论的学科，是化学的理论基础。”南京大学：物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化基本规律的一门学科。,研究化学变化时注意其物理实质,数学表达,

3、物理化学是：集物理、数学和化学于一身的一门学科。,0-2 物理化学的基本内容,1、化学热力学 化学热力学主要研究物质的相变、化学变化的方向、限度和能量转换、平衡规律。例：,热力学的一般规律,热力学第一定律：能量守恒原理的体现，联系内能，功和热量,热力学第二定律：解决反应发生的方向及限度。,热力学第三定律：解决熵的绝对值问题。,2、化学动力学 化学动力学主要研究化学反应速率和反应机理（历程），以及各种因素，包括浓度、温度、催化剂、溶剂、光、电等对它们的影响规律。,例：范霍夫（vant Hoff)近似规律范霍夫根据大量的实验数据总结出一条经验规律：温度每升高10 K，反应速率近似增加24倍。,例:

4、,3、物质结构（单独设课）主要研究物质结构与性质之间的关系。物质的宏观性质由微观结构决定，物质结构是由内部结构来讨论物质性质和化学反应，是在更高层次上研究化学反应的规律和本质。合成高分子材料、半导体、超导体、激光材料，以及原子能的利用和电子计算机等，在很大程度上都是进行有关物质结构科学实验时所取得的成果。包括结构化学和量子化学两门学科。,0-3 物理化学的研究方法,事物都是一分为二的，矛盾的对立与统一-辩证唯物主义的方法；实践，认识，再实践-认识论的方法；由特殊到一般的归纳及由一般到特殊的演绎的逻辑推理方法；科学模型的方法等等。,1、热力学方法,又叫宏观方法。研究对象：大量粒子构成的宏观体系。

5、方法特点：不涉及物质体系内部粒子的微观结构，只涉及物质体系变化前后状态的宏观性质。实践证明，这种宏观的热力学方法是十分可靠的，至今未发现过实践中与热力学理论所得结论相反的情况。,热力学的特点、优缺点,研究对象是大数量粒子的宏观集合体，研究宏观性质，所得结论具有统计意义。,只考虑变化前后的净结果，不考虑物质的微观结构和反应机理。知其然，不知所以然,能判断变化能否发生以及进行到什么程度，但不考虑变化所需要的时间。,1)不能作出微观本质上的说明,局限性,2)不知道反应的机理、速率，只讲可能性，不讲现实性。,3)讨论封闭体系，没有讨论开放体系。,4)讨论热力平衡，没有讨论非热力平衡。,优点:简易、直观

6、、普遍、可靠,爱因斯坦推崇经典热力学,一种理论的前提的简单性越大，它所涉及的事物的种类越多，它的应用范围越广，它给人们的印象也就越深。因此，经典热力学对我造成了深刻的印象。我确信，这是在它的基本概念可以应用的范围内决不会被推翻的唯一具有普遍内容的物理理论。,-爱因斯坦,2、量子力学方法,研究对象：个别电子和原子核组成的微观体系；方法特点：考察个别微观粒子的运动状态，即微观粒子在空间某体积微元中出现的概率和所允许的运动能级。微观粒子运动的三个主要特征是能量量子化、波粒二象性和不确定关系。,3、统计力学方法,属于从微观到宏观的方法。研究对象：大量微观粒子(原子、分子、离子等)组成的宏观系统。方法特

7、点：把大量粒子所构成的体系的微观运动和宏观表现联系起来，用统计学原理，利用粒子的微观量求大量粒子行为的统计平均值进而推求体系的宏观性质。例如：p，Cp,（2）化学反应的速率和机理问题,（1）化学变化的方向和限度、能量,热力学,反应动力学,（3）物质结构和性能的关系问题,物质结构,小结,物理化学研究的方法：,（3）从微观到宏观的层次,（1）宏观的层次,热力学方法,统计力学方法,（2）微观的层次,量子力学方法,物理化学研究的内容：,内 容 框 架,0-4 物理化学的形成与发展,第一阶段：18871920第二阶段：19201960第三阶段：1960现在诺贝尔奖与物理化学,第一阶段：18871920,

8、物理化学的萌芽十八世纪开始对燃烧问题进行研究。从燃素说到能量守恒与转化定律。物理化学开始萌芽。十八世纪中叶（约1752年），俄国科学家罗蒙诺索夫最早使用“物理化学”这一术语。,物理化学的形成,十九世纪中叶原子-分子学说、气体分子运动论、元素周期律、经典热力学第一定律和第二定律、化学热力学的发展等等，为物理化学的形成和发展铺平了道路。1887年，德国科学家奥斯特瓦尔德(F.W.Ostwald)和荷兰化学家范霍夫(J.H.vant Hoff)合办的德文物理化学杂志创刊，标志着物理化学真正形成为一门独立的学科。,“物理化学三剑客”,在物理化学杂志的创刊号上，同时还摘要发表了瑞典化学家S.A.Arrh

9、enius 的“电离学说”，这三人都是物理化学的重要奠基人，由于他们对物理化学的卓越贡献和研究工作中的亲密合作关系，被称为“物理化学三剑客”。,以化学热力学理论的成熟和宏观反应速率理论的建立为特征，这一时期主要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速率问题。,第二阶段：19201960,随着物理学中原子结构理论的创立、X射线的发现以及量子力学的创立，尤其是1927年Heitler和London用量子力学处理氢分子问题，开创了物理化学进入物质微观结构及化学反应的基元反应速率理论的探索阶段，如提出化学键理论、化合物的微观结构、电解质与非电解质溶液的微观结构模型、燃烧爆炸

10、的链反应机理及一些催化反应机理、电极过程的氢超电势理论等。,第三阶段：1960现在,现代技术的发展：计算机、波谱仪器、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、电子技术、激光技术等 现代物理化学发展趋势：从体相到表相；从稳态、基态到瞬态、激发态；从平衡态到非平衡态。,诺贝尔奖与物理化学,根据统计，20世纪诺贝尔化学奖获得者中，约60%是从事物理化学领域研究的科学家。在中国科学院化学学部的院士中，近1/3是研究物理化学或者是物理化学某一个领域的科学家。作为极富生命力的化学基础学科，物理化学又是新的交叉学科形成和发展的重要基础。,1.化学热力学,1885 年范霍夫(荷)提出化学热力学定律,发展了近代溶液理论,

11、形成了化学热力学,获首届（1901年）诺贝尔化学奖。1889 年阿累尼乌斯(瑞典)提出关于电离学说和著名的阿累尼乌斯公式,获得1903 年化学奖。1906 年能斯特(德)提出著名的能斯特热定理,获1920 年化学奖。此后,乔克(美)进行了一系列精度极高的超低温实验,为热力学第三定律提供了大量不可置疑的证据,同时也大大加深了人们对物质在超低温时的行为的认识,获1949 年化学奖。,1929 年盎萨格(美)提出“不可逆过程的倒易关系”理论。1947 年普里高金(比)提出最小熵产生原理,他们的工作奠定了线性不可逆过程热力学的基础。盎萨格因此贡献获1968 年化学奖。后来,普里高金提出耗散结构理论,这

12、一理论是非线性不可逆过程热力学的重要成果,它首先在化学领域的应用中取得成功,现在已逐步被用来解释生命现象和社会现象,普里高金因此获1977年化学奖。,2.反应动力学,邢歇伍德(英)和谢门诺夫(苏)各自独立地发展了前人的理论,对链反应历程进行了细致的研究,提出了分支支链式反应理论,并发现了爆炸反应的界限,两人共同获得1956 年化学奖。30 年代开始,人们广泛利用各种物理学原理和手段,对快速反应进行研究,逐步形成了研究快速反应的方法,其中闪光分解法和驰豫法最为有效,分别由诺立希、波特尔(英)和艾根(德)发明,他们三人因此共获1967 年化学奖。李远哲、赫谢巴希和波兰尼（美）于1968年建成交叉分

13、子束装置，设计制造高效质谱检测仪，以此在化学反应动态学领域做出了许多卓越贡献，三人共同获得1986年化学奖。,18971900 年,萨巴蒂尔(法)研究了有机脱氢催化反应,获1912 年化学奖。1901 年奥斯特瓦尔德(德)对催化现象进行了深入的研究,同时在化学平衡和化学反应历程理论做出了杰出的贡献,获1909 年化学奖。1913 年哈伯(德)发明从空气和水合成氨的方法,获1918 年化学奖。1913 年波希(德)改进了合成氨的催化方法,获1931 年化学奖。,1926年朗格缪尔(美)提出吸附催化假说,获1932 年化学奖。1954 年纳塔和齐格勒(德)用有机铝及钛的组合催化剂首次合成立体定向高

14、分子,共同获得1963 年化学奖。70 年代末,奥特曼和切赫(美)对RNA 的自催化机理进行了深入的研究,获得1989 年化学奖。陶布(美)因对金属络合物中的电子转移反应机理的研究,获1983 年化学奖。1992 年马卡思(美)因在“电子转移过程理论”方面所作出的重要贡献获诺贝尔化学奖。肖万(法)、格拉布(美)和施罗克(美)在烯烃复分解反应研究方面的贡献获2005年度诺贝尔化学奖,3.胶体化学和表面化学,1903 年齐格蒙弟与西登托夫(德)设计研制了超显微镜,为胶体的研究提供了直接的观测方法和手段,奠定了胶体化学基础,获1925 年化学奖。1924 年斯维德伯格(瑞典)发明超速离心机,促进了悬

15、浊液和胶体化学的研究,获1926 年化学奖。其学生梯塞留斯(瑞典)于1937 年改进了电泳法,将其用于胶体和高分子物质的研究并提出吸附分析的方法,获1948 年化学奖。格哈德埃特尔（德）在固体表面化学过程研究中作出的突破性贡献，获 2007化学奖。,2007诺贝尔化学奖,在化学中，二维比三维好，因为限制在表面上的化学反应比溶液中的反应，其细节更容易被观测到。Gerhard Ertl被授予2007年的诺贝尔化学奖，以表彰他对表面化学（Surface Chemistry）的多项贡献。Ertl是柏林马普学会弗里茨哈伯研究所（Fritz Haber Institute of the Max Planc

16、k Society）的一位退休教授，他多年来致力于研究在以物体表面为媒介的化学反应，这种反应对于大气科学（Atmospheric Science）和工业界意义重大，其中包括清理汽车尾气中的有毒气体。,Gerhard Ertl及其同事发现的在铂金的表面富含一氧化碳的区域（图中明亮的部位）和富含氧气的区域（图中暗的部位）的不同分布，他们还找到了如何控制其分布的方法。,4.化学键理论,1893 年维尔纳(瑞士)提出配位理论,获1913 年化学奖。1913 年玻尔(丹)提出原子轨道量子化理论,成功地解释了氢原子光谱,获1922年物理奖,他的工作导致了原子价电子理论的建立。1916 年,柯塞尔提出电价键

17、理论。同年,路易斯提出共价键理论。但都未能说明化学键的本质。化学键理论的真正解决,是在量子化学建立以后的事情。量子化学是量子力学在化学中的具体应用,其建立应从1927 年海特勒和伦敦解氢分子薛定谔方程算起,从此,化学的发展进入了一个新的历程。,在化学发展中,对于共价键,形成了两种等价使用的理论:价键理论和分子轨道理论。前者是海特勒和伦敦提出,又经鲍林(美)和斯莱特等人的发展和充实而形成的。后者是莫立根(美)和洪特等人提出来的。鲍林和莫立根分别获得1954 年和1966 年化学奖。1929 年德拜(荷兰)提出极性分子理论,确定了分子偶极矩,为化学键理论的发展作出了重要贡献,获1936 年化学奖。

18、1951 年福井谦一(日)提出前线轨道理论。1965 年伍德瓦德和霍夫曼(美)总结出分子轨道对称守恒原理,从而丰富和发展了分子轨道理论。霍夫曼和福井谦一因此共同获得1981 年化学奖。,0-5物理化学的重要性,承上启下的枢纽地位：自然科学理论教学大致有两个层次：一是通用理论层次，有数学、物理学、化学、生物学、计算机科学等；二是专业理论层次。物理化学处于两个层次之间专业基础：由国内70多位专家撰写的自然科学学科发展战略调研报告：凡是具有较好物理化学素养的大学本科毕业生，适应能力强，“后劲足”。素质教育：培养独立思考、独立解决问题的能力。,0-6 物理化学的学习方法,1、注重公式和概念。抓住重点，

19、自己动手推导公式。2、理论联系实际，多做习题，学会解题方法。很多东西只有通过解题才能学到，不会解题，就不可能掌握物理化学。3、要善于总结规律。,4、阅读参考书,胡英主编，物理化学，第四版，高等教育出版社冶金工业出版社 物理化学 王淑兰主编冶金工业出版社 物理化学 蔡文娟、熊楚强等编 高等教育出版社 物理化学简明教程印永嘉等编 南京大学 物理化学第五版 傅献彩等；天津大学物理化学上下册；北京大学物理化学 韩德刚等。Ira N.Levine,Fifth Edition,2002.P.W.ATKINS,Seventh Edition,2004.,1.课程内容 64学时第一章 热力学第一定律（6学时）

20、第二章 热力学第二、三定律（10学时）第三章 多组分体系热力学（6学时）第四章 相图（10学时）第五章 化学平衡（6学时）第六章 动力学基础（8学时）第七章 界面现象（7学时）第八章 电化学（8学时）复习、机动：3学时,0-7 课程内容和要求,2.课程要求1）听课，记笔记；2）预习，复习，答疑；e-mail：3）习题，作业；平时成绩（15%左右）：考勤、作业、测验。,勤于思考 敢于质疑 勇于创新,多想!,物理量的表示及运算,物理化学中将涉及到许多物理量。如压力、温度、体积、热力学能、焓和熵等。因此物理量的正确表示及运算就构成本课程的重要组成部分。a.物理量的表示物理量=数值单位若物理量用A表示，数值用A表示，单位用A表示，则物理量A可表为 A=AA,b.对数中的物理量对数计算应是纯数值计算，故对数中的物理量也应符合（A=AA）式，即以ln(A/A)表示。但有时也使用简化式lnA表示，这时应予以说明。同样，指数式、三角函数式中的物理量也均以纯数值的形式表示。,c.量值计算科学技术中的方程式可分为量方程式和数值方程式。一般给出的均是量方程式。在物理化学运算中也采用量方程式计算。,例：计算在25，100kPa下理想气体的摩尔体积Vm。,对于复杂运算为了简便起见，不列出每一个物理量的单位，而直接给出最后单位。如上例也可写为,