物理化学教案(绪论)

物理化学教案

绪论（1学时）

教学目的：使学生初步了解物理化学学科的形成、发展、主要研究内容和研究方法以及物理化学学科在化学领域所处的重要地位和作用。

§0-1物理化学的内容和任务

（首先从化学与物理的联系入手逐步引出物理化学学科产生的必然性以及其研究内容和任务）

一、物理化学

中学化学曾学过：物质的变化不外乎是化学变化和物理变化，二者有密切的联系，从宏观角度看，化学变化总是包含或者伴随能量形式的物理现象。例如：发生一化学反应时，总是伴随能量效应，不是放热，就是吸热。放热反应我们比较熟悉，如中和反应。也有一些化学反应需要吸热，如Ca(NO3)2.4H2O+Na2SO4.10H2O=CaSO4+2NaNO3+14H2O

可以利用此反应原理制成化学冰袋

电池中正负极发生的氧化还原反应，可以产生电流

如干电池Zn-+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NO3)2+2MnOOH

铅酸电池Pb+2H2SO4+PbO2=2PbSO4+2H2O

氢镍电池NiOOH+M(H)=Ni(OH)2+M

照相底片AgBr被感光后引起化学反应，而使图像显示出来

植物中的叶绿素受光照后，可以把二氧化碳和水合成碳水化合物。

爆炸反应可以起巨大的压力，体积变化等。

从微观角度看，化学反应仍然与物理过程密不可分。分子中电子的运动，原子的转动，振动，原子相互间的作用力等微观物理运动形态，直接决定了物质的性质及化学反应能力。例如：二原子分子中两个原子之间的振动程度增加将减弱原子间的键力，当振动强度超过一定界限时，此分子就分解，发生化学反应，两种物质之间的化学反应一定要经过这两种物质的分子之间的撞碰方能发生。可见不管从宏观，还是从微观角度看，化学变化与物理现象总是密不可分的，人们在长期的实践中注意到这种相互联系，并且加以总结逐步形成一门独立的学科，分支叫物理化学。所以说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科学，在实验方法上，主要是采用物理学中的测试方法。最早使用“物理化学”术语的是十八世纪中叶俄国科学家罗蒙诺索夫，到1887年德国科学家奥斯特瓦尔德w.ostwald和荷兰科学家范特霍夫（J.H.Van’tHoH）合办《物理化学杂志》创刊，此后物理化学这个名称就逐渐采用起来。

二、物理化学的研究内容

物理化学作为化学学科的一个分支，它所担负的主要任务是探讨和解决下面几个问题。

1．化学变化的方向和限度

在指定条件下，一个化学反应能否朝着预定的方向进行，如果该反应能够进行，则它将达到什么限度？外界条件如温度，压力，浓度等对反应的方向和平衡位置有什么影响，如何控制外界条件使我们所设

计的反应途径按预定的方向进行；对于一个给定反应，能量的变化关系怎样，这些问题的研究都属于物理化学中的化学热力学范畴，它以热力学两个基本定律为基础，主要解决化学变化的方向以及与平衡有关的一些问题。

2．化学反应的速率和机理

我们知道化学反应千差万别，速率有快有慢，快的瞬间完成，慢的需几十年甚至上千年。一个化学反应速率为什么有这样大的差别。在一定条件下，一个化学反应的速度究竟有多大？反应是经过什么样的机理进行的，外界条件温度，压力，浓度，催化剂对反应速率有什么影响？怎样才能有效的控制化学反应，抑制副反应的发生，使之按照我们所需要的方向以适当速度进行。这些问题的研究属于物理化学中化学动力学范畴。

3．物质结构和性能之间的关系

物质的性质从本质上说是由物质内部的结构所决定的，深入了解物质内部的结构，不仅可以理解化学变化的内因，而且可以预见到在适当的外因作用下，物质的结构将发生怎样的变化，这对于合成有特殊用途的新材料方面提供方向和线索。

总的说来，物理化学的任务是把化学领域中各个现象联系起来，对其中的一般规律性与以更深刻、更本质的探讨。并通过揭示的客观规律来指导化工生产和科学研究的实践。

§0-2物理化学的形成背景、发展和前景

1．物理化学的产生是社会生产发展的必然产物

物理化学形成于十九世纪中叶，当时随着生产的发展，化学已经积累了不少事事急需归纳、总结和提高，要求他由经验科学上升为具有理论体系的科学。那时，由于蒸汽机的广泛使用，促使人们对热工转换问题进行了深刻的研究，建立了经典热力学第一定律和第二定律，并开始把物理学的规律用于化学，如1840年盖斯的热化学定律、1869年的门捷列夫元素周期律以及十九世纪前期建立得到尔顿原子论和阿夫加德罗德分子论等，这些理论的建立都为物理化学的形成和发展奠定了基础。

此后，在此基础上，1876年吉布斯提出了用于多相平衡体系的相律关系，奠定了多项体系的热力学理论基础，丰富了热力学理论在冶金、地质和化工方面的应用。1984年范特霍夫创立了稀溶液理论并在研究化学平衡方面做出了贡献。1886年阿累尼乌斯提出了电力学说，揭示了电解质水溶液的本质，并在化学动力学方面也做出了重要贡献。1906年能斯特发现了热定理，进而建立了热力学第三定律，同时还奠定了电化学理论基础。所有这些理论都促使物理化学学科不断地发展和完善。

2．二十世纪物理化学的快速发展

进入二十世纪以来，在工业生产和化学的科学研究中，物理化学的基本原理得到了广泛的应用，发挥了他的指导作用，特别是新兴的石油炼制和石油化工工业，更是从份地利用了化学热力学、化学动力学、催化和表面化学等的成果。而工业技术的发展和其他学科的发展、特别是物理学的进展和各种测试手段大量的涌现，极大的影响着物理化学的发展。这期间在物理化学所属的分支学科中的热化学、化学热力学、电化学、溶液理论、胶体理论、化学动力学、催化作用及其理论等都得到了迅速的发展。

体现物理化学原理对生产实践的指导作用可以举几个例子。

例如：（1）C（石墨）→C（金刚石）反应条件探索。

（2）寻找氨合成反应N2+3H2→2NH3在常温下的催化剂可能性

（3）人造羊毛原料丙烯氰合成工艺的改进

就工艺CH2=CH-CH3+HCN（剧毒）→CH2=CH-CN（产品）+CH4

新工艺CH2=CH-CH3+NH3→CH2=CH-CN+3H2△G>0

H2+O2→H2O△G<0

总反应△G<0据此促使人们寻找催化剂，60年代找到的催化剂使这一反应成为工业化。

3。近代物理化学的发展趋势和特点

近几十年来，各类自然科学发展十分迅速而深入。化学与相邻学科间的关系起了根本性变化。物理学为人们提供了一些基本原理、方法和强有力的测试手段，大大扩展了化学的实验领域。化学理论在计算机科学发展的帮助下迅速发展。分子生物学的进展向化学提出了许多挑战性的问题，要求化学从分子水平上加以解释。诸如此类的新问题使得近代物理化学表现为下列发展趋势和特点：

⑴从宏观到微观

量子力学发展使化学反应能够真正深入到了分子、原子的微观层次。合成化学、结构化学和量子化学结合得更加密切。人们借此希望得到结构和性能之间关系的解释。

⑵从体相到表象

测试手段的进步使人们有可能了解5-10个分子或原子层的表面层的状态，促进表面化学和催化化学的发展

⑶从静态到动态

激光技术和分子束技术的出现可以定量地研究具有指定量子态的反应粒子到指定量子态的产物粒子所发生的能量传递和跃迁等基元过程速率的动态信息。目前的分子反应动态学是非常活跃的学科。

⑷从定性到定量

计算机的出现使人们能用更精确的定量关系来描述物质的运动规律。

⑸从单一学科到边缘学科

学科的相互渗透和交叉使物理化学学科的研究领域不断扩大。

⑹从平衡态的研究到非平衡态的研究

由于在生物学、气象学、天体物理学等中事物的发生和发展都是不可逆过程，将热力学方法推广到不可逆过程将有广阔的发展前景。目前非平衡热力学已成为当前理论化学发展的前沿之一。

§0-3物理化学的研究方法

1．科学研究方法

物理化学是探求化学内在的，普遍规律性的一门学科，使自然学科中的一个分支，他的研究方法和一般的科学研究方法有着共同之处。物理化学理论的发展完全符合辩证唯物论的认识论。注重实践，按照实践---认识---再实践的这一形式。往复循环，以至无穷。每一循环的内容，都比较地进入到高一级的程度。使物理化学学科不断深入发展。科学的研究方法，首先是观察客观现象，在已有知识基础上，进行有计划地重现试验，这种重现实验可以人为的控制一些因素和条件，忽略次要因素抓住主要矛盾，从复杂的