怎樣學好物理化學

PAGEPAGE3怎樣學好物理化學1887年，WOstwald(奧斯特瓦德)和JHVan’tHoff(范霍夫)創(chuàng)辦了世界上第一份《物理化學雜志》，它被認為是物理化學學科的誕生?？v觀此后的一個多世紀,這門學科經(jīng)歷了從宏觀到微觀，從平衡到非平衡，從體相到表面，從理論到應用的巨大變化,迄今已構(gòu)成了內(nèi)容十分豐富的課程。本專題試圖從課程的特征、內(nèi)容和它在化學、化工專業(yè)中的重要地位入手，談談怎樣才能學好這門課程。顧名思義，物理化學是一門交叉科學，簡言之，它是利用物理學的原理和實驗方法研究化學理論問題的科學。眾所周知，在歷史上，每當物理學有重大突破的時候，隨之便會滲透到化學中來，從而帶來物理化學新的發(fā)展。例如，熱力學第一、第二定律的建立導致化學熱力學的誕生；統(tǒng)計物理的創(chuàng)立導致化學統(tǒng)計力學的誕生；量子力學的創(chuàng)立導致物質(zhì)結(jié)構(gòu)（量子化學和結(jié)構(gòu)化學）的誕生等。因此，物理化學與物理學和數(shù)學有不可分割的“血緣關系”，它是一門試圖從本質(zhì)上闡明物性和化學變化基本原理的科學。這便決定了這門課程具有很強的理論性和對化學、化工的指導作用。物理化學課程內(nèi)容豐富，涉及的面很廣，除了實驗獨立設課外，就像下面所示：表面與膠體化學化學動力學表面與膠體化學化學動力學物理化學物理化學電化學物質(zhì)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計力學化學熱力學其中最主要是化學熱力學、化學動力學、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計力學?；瘜W熱力學是一門研究宏觀平衡規(guī)律的科學。它以經(jīng)驗得到的四大定律（主要是第一和第二定律）為基礎，通過演繹推理的方法，得到適用于溶液、相平衡和化學平衡的重要規(guī)律，以解決物理和化學變化進行的方向及限度和能量衡算及有效利用等問題。物理化學的這一分支已相當成熟，具有重要的應用價值，已成為指導化學工藝過程的理論基礎。化學動力學是一門研究化學反應速率與機理的科學。它不僅研究各種因素，諸如濃度、溫度、反應介質(zhì)、催化劑和外場等對反應速率的影響，闡明反應經(jīng)歷的途徑，并進一步從微觀的角度探索反應的速率理論。物理化學的這一分支還處在不斷地發(fā)展之中，它不僅具有很大的實用價值，而且具有重要的理論意義。物質(zhì)結(jié)構(gòu)（包括量子化學和結(jié)構(gòu)化學）是一門利用量子力學原理和方法研究分子結(jié)構(gòu)和化學反應規(guī)律的科學。它是在微觀的層次上，通過求解Schr?dinger（薛定諤）方程得到的波函數(shù)和相應的能量值，闡明化學鍵和分子間力的本質(zhì)及反應機理，并利用各種波譜和X射線衍射揭示分子和晶體的結(jié)構(gòu)。物理化學的這一分支是近幾十年來發(fā)展最迅速的。在化學和化工類的有些專業(yè)中，這部分內(nèi)容已獨立設課。統(tǒng)計力學是一門從分子的微觀運動出發(fā)，利用求微觀量的統(tǒng)計平均值的方法計算系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的科學。它以Boltzmann（玻耳茲曼）分布和系綜原理為基礎，通過建立配分函數(shù)得到系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。因此，是聯(lián)系微觀性質(zhì)與宏觀性質(zhì)的橋梁。目前，它正向著非平衡態(tài)統(tǒng)計力學發(fā)展。除了上述四個分支外，物理化學還包括表面與膠體化學、電化學等，它們都是上述分支的外延或擴展，平衡和速率常常貫穿在它們的研究中。應該強調(diào)的是，物理化學是一門基礎理論課，但具有廣泛的實用性。這些理論的應用遍及化工、能源、材料、生工、環(huán)境等領域，許多新技術(shù)、新工藝和新方法，諸如，超臨界萃取、雙水相萃取、膜分離、超細顆粒的制備、相轉(zhuǎn)移催化等的出現(xiàn)都與物理化學密切相關。因此，學好這門課的重要性是不言而喻的。在化學和化工專業(yè)中，物理化學是一門主干課程，通常被安排在大學四年學業(yè)的中段，起著承上啟下的重要作用。學生在學完這門課程后，便將開始學習專業(yè)，這是因為物理化學已為他們奠定了學習專業(yè)課所需要的理論基礎?？梢院敛豢鋸埖卣f，具有較好物理化學基礎的學生，不僅對專業(yè)課，而且對畢業(yè)后的工作都有較強的適應能力和理解能力。那末，怎樣才能學好物理化學呢？要回答這個問題，首先必須從方法論的角度來討論。如上所述，物理化學是一門基礎理論課，它在將經(jīng)驗事實上升到理論時，主要有如下兩種方法：一是歸納和演繹法；二是假設和模型法。歸納和演繹法典型地用在熱力學中，熱力學的四大定律就是從大量經(jīng)驗事實中歸納得到的。然后，再以這四大定律為基礎，運用嚴密的演繹法，得到許多具有實用價值的方程和結(jié)果。從方法論角度，熱力學與歐兒里德幾何學十分相似，后者則是以五大公設為基礎演繹出許多定理來。然而，在熱力學課堂教學中，歸納往往被忽視了，而演繹占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，故掌握演繹的方法對學好熱力學便顯得十分重要。假設和模型法的應用很廣，特別是模型在物理化學的所有分支中幾乎都可以看到。這種方法的實質(zhì)是緊緊地抓住現(xiàn)象的主要矛盾，暫時撇開次要因素，建立一個能反映現(xiàn)象本質(zhì)的模型。然后再用數(shù)學演繹出基本上符合實驗事實的方程和結(jié)果。這種方法雖帶有近似性，但卻是人們認識事物的最常用方法。然而，提出和建立模型需要對現(xiàn)象進行深入的分析、綜合、抽象和概括。總之，兩種方法都涉及正確的思維規(guī)律，它們都屬于邏輯學的范疇。因此，要學好物理化學最好學點邏輯。物理化學雖能培養(yǎng)學生的正確思維能力，但也需要學生用合乎邏輯的思維方法去學習它，這樣，往往能夠收到事半功倍之效，這是第一點。第二點要勤思索。特別是熱力學，可以說是建筑在某些抽象的概念基礎上，諸如焓、熵、Helmholtz自由能、Gibbs自由能和化學勢等，它們可用于能量衡算和判斷過程進行的方向及限度。但是，它們的存在不能用直覺，而只能理性地去認識，這就需要深層次的理解和思索。學生在閱讀物理化學教材時，一定要做到從“字里行間”深刻地體會教材的內(nèi)容，切忌不加思索地死記硬背，這對學好物理化學是無濟于事的。看書也不要滿足于一知半解，一定要設法完全搞懂。如有難懂的地方，首先應該盡力思考，然后尋找參考書，最后答疑解決。此外，不要害怕和回避數(shù)學，既然學了高等數(shù)學就要學會應用它，物理化學提供了應用高等數(shù)學的很好的機會。第三點要多練習。所謂練習就是解習題。物理化學習題大致可分兩種類型：一類是為加深對概念的認識而設計的。通過解這類習題，能使學生學會公式的使用，并了解其適用條件。在解熱力學題時，還應學會如何去設計一個過程來求解熱力學函數(shù)的變化等等。另一類則取自文獻和工業(yè)實際。求解這類習題的目的是要使學生學會運用物理化學知識去解決實際問題，從而培養(yǎng)學生應用知識的能力。習題一定要獨立完成，在遇到困難的時候，不要輕易地去問別人，一定要經(jīng)過自己的努力，只有這樣才有收獲。在條件許可的情況下，應該多做習題，經(jīng)驗表明，多解題是學好物理化學的有效方法。第四點要及時小結(jié)。每章之后最好做一次小結(jié)，以保證概念及時消化。對于較難理解