物化課件緒論

物理化學電子教案—緒論泉州師范學院主講：賢景春教授化學與生命科學學院物理化學電子教案—緒論緒論0.1

物理化學的目的和內(nèi)容0.6物理化學的研究方法0.2物理化學的建立與發(fā)展0.7物理化學課程的學習方法0.3物理化學的社會地位和作用0.5物理化學培養(yǎng)化學人才的特色0.4物理化學與經(jīng)濟繁榮及國計民生的關系

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物理化學的目的和內(nèi)容1.什么是物理化學?學科的劃分：我國的學科劃分是分成三個階段第一階段：1981年，經(jīng)國務院批準，共劃分了10各學科門類第二階段：1983年，經(jīng)國務院批準，共劃分了11各學科，增加了軍事學11軍事學第三階段：1997年，經(jīng)國務院批準，共劃分了12各學科，增加了管理學12管理學01哲學02經(jīng)濟學03法學04教育學05文學06歷史學07理學08工學09農(nóng)學10醫(yī)學學科門類數(shù)學物理學化學天文學地理學大氣科學海洋科學地球物理學地質(zhì)學生物學一級學科無機化學有機化學物理化學分析化學高分子化學與物理二級學科0801力學，0802機械工程，0803機械設計及理論……0817化學工程與技術……0832食品工程與技術原子、分子間的分離與組合熱電光磁溫度變化壓力變化體積變化化學物理學密不可分狀態(tài)變化

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物理化學的目的和內(nèi)容化學反應什么是物理化學?物理現(xiàn)象化學現(xiàn)象物理化學用物理的理論和實驗方法研究化學變化的本質(zhì)與規(guī)律物理化學

從化學現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系入手，借助數(shù)學和物理學的理論和方法來探求化學變化基本規(guī)律的一門科學。在實驗方法上主要采用物理學的方法。

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物理化學的目的和內(nèi)容研究物理化學的目的主要是為了解決生產(chǎn)實際和科學實驗向化學所提出的理論問題，揭示化學變化的本質(zhì)，使之化學能更好地為生產(chǎn)和科研服務。●如有機化學家可應用物理化學中的動力學理論來探索反應機理，應用結構化學的知識研究反應中間體的結構和穩(wěn)定性；●無機化學家可應用物理化學中的熱力學原理研究無機材料的性質(zhì)及穩(wěn)定性；

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物理化學的目的和內(nèi)容●生物化學家可應用動力學研究酶反應，應用熱力學原理研究生物能、滲透作用、膜平衡及確定生物大分子的分子量。●材料科學家利用熱力學原理去判斷各種材料的穩(wěn)定性及合成某種新材料的可能性，應用光譜方法確定材料的結構和性能等。物理化學主要由化學熱力學、統(tǒng)計熱力學、化學動力學、結構化學四大支柱組成。0.1

物理化學的目的和內(nèi)容就是說化學學科的進一步研究和發(fā)展，要以物理化學的理論為基礎。2.物理化學課程的內(nèi)容動力學宏觀動力學微觀動力學電極過程動力學應用基本定律第一定律第二定律多組分系統(tǒng)—溶液相平衡化學平衡可逆電池表面化學膠體熱力學統(tǒng)計熱力學

量子力學0.1

物理化學的目的和內(nèi)容(1)研究化學變化的方向和限度問題——

化學熱力學3.物理化學的任務(3)研究物質(zhì)的性質(zhì)與其結構之間的關系問題——

結構化學

(2)研究化學反應的速率和機理問題——

化學動力學0.1

物理化學的目的和內(nèi)容十八世紀開始萌芽：0.2

物理化學的建立與發(fā)展從燃素說到能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，差不多經(jīng)過了近兩個世紀。俄國科學家羅蒙諾索夫最早使用“物理化學”這一術語。十九世紀中葉形成：到了19世紀中葉,隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和化學知識的長期積累,物理化學開始形成。1887年俄國科學家W.Ostwald（1853～1932）和荷蘭科學家J.H.van’tHoff

（1852～1911）合辦了第一本“物理化學雜志”（德文）。從此，這個名詞就逐漸被采用了，宣告了“物理化學”學科的誕生。在此后的一個多世紀物理化學充滿了神奇斑斕的發(fā)展進程，相繼樹起了三個里程碑。0.2

物理化學的建立與發(fā)展W.OstwaldJ.H.van’tHoff在二十世紀以后物理化學得到了迅速發(fā)展，形成的三個里程碑：其一，自1887年至20世紀20年代，物理化學是以化學熱力學的成熟和宏觀化學反應速率的建立為特征，它主要是借助于物理學中的力學、熱學及氣體分子運動論來解決化學平衡和化學反應的速率問題。這雖然是它在宏觀層面上的最初階段的研究，但畢竟是邁出了難能可貴、展現(xiàn)曙光的一步。0.2

物理化學的建立與發(fā)展其二，自20世紀20年代至60年代，隨著原子結構和量子理論的建立，物理化學邁入物質(zhì)微觀結構及化學變化微觀規(guī)律的探索階段。在這一期間主要提出了化學鍵理論、電解質(zhì)與非電解質(zhì)溶液的微觀結構模型、一些催化反應機理等等,使物理化學開始進入分子水平的研究階段。這一時期的量子化學與結構化學成了化學的帶頭學科，為整個的化學學科奠定了堅實的理論基礎。0.2

物理化學的建立與發(fā)展其三，從20世紀60年代至今，隨著科學技術的巨大進展，如計算機、各種波譜、電子技術、超真空及激光技術的不斷更新，極大地促進了物理化學向深度和廣度發(fā)展。其特點是：0.2

物理化學的建立與發(fā)展●研究工作由穩(wěn)態(tài)、基態(tài)向瞬態(tài)、激發(fā)態(tài)邁進；●由單一分子結構和行為向分子間的相互作用細節(jié)深入；●由化學體系擴大到生物體系及遠離平衡態(tài)的耗散結構等等。所涌現(xiàn)出的交叉分子束實驗技術、紅外光譜方法、表面增強激光拉曼光譜技術，可以使物理化學能夠觀察到固體表面狀態(tài)和原子排列結構及表面客體分子間的實際反應過程。尤其是近年超短脈沖激光的出現(xiàn)，提高了時間分辨率，使分子反應動力學及光化學、催化、電化學等各門學科的研究進入分子研究水平。使物理化學整個學科的發(fā)展邁上一個新的臺階(1999年，化學諾貝爾獎—亞米德、齊威爾—飛秒化學，1飛秒=10-15秒）。0.3物理化學的學科地位和社會作用1.物理化學的主導地位

20世紀中葉，前蘇聯(lián)科學院院長、化學家涅斯米揚洛夫曾有一句名言：“現(xiàn)代科學的真正領袖是物理學?！?0世紀90年代初國際知名的物理化學家、中科院唐有祺院士根據(jù)20世紀后半葉自然科學發(fā)展新勢態(tài)，也作出一個著名論斷：“物理與化學一起是當代自然科學的軸心。”兩位大師的言簡意賅，為人們勾勒出“物理化學”這門交叉學科所處的地位與肩負的責任?？梢哉f物理化學及其家族作為現(xiàn)代化學的核心理論，不僅支撐著整個化學學科的營壘，而且還飲譽著整個人類科學（甚至包括社會科學）的殿堂。0.3物理化學的學科地位和社會作用據(jù)統(tǒng)計,1901-1998年諾貝爾化學獎共130位，其中約82位是物理化學家或從事物理化學領域研究的科學家。這說明在98個年頭當中，化學學科最引人注目的成就有63％集中在物理化學領域。還有值得一提的是，物理化學科學的繁榮乃至整個化學學科的發(fā)展，應該歸功于一位卓越先驅(qū)——物理化學家J.W.Gibbs（吉布斯）。他被譽為現(xiàn)代工業(yè)和科學界主干部分基本學說的創(chuàng)立者，他在熱力學、冶金學、礦物學、巖石學、生理學等諸多學科領域都有著重要發(fā)現(xiàn)和巨大建樹。0.3物理化學的學科地位和社會作用尤其是他將熱力學理論、物理化學學科的研究實踐與高深的數(shù)學完美結合，建立了同時代人難以破譯的相平衡理論—“Gibbs相律”，從而極大地簡化了一大批工業(yè)生產(chǎn)過程。如：制冷、冶煉、燃燒、能源工程以及合成化學品、陶瓷、玻璃和肥料的大批量生產(chǎn)等。從此化學才得以成為世界上規(guī)模最大的工業(yè)基礎。所以，科學歷史學家們認為，吉布斯是美國最偉大的科學家，應與牛頓、麥克斯韋相提并論。顯然，將一位物理化學家提到如同物理學巨匠那樣顯赫，就證明了物理化學學科在科學界和人類社會生產(chǎn)活動中的崇高榮譽與主導地位。0.3物理化學的學科地位和社會作用2.物理化學擴充了化學領地并促進相關學科發(fā)展化學經(jīng)過300百多年的發(fā)展歷程，今天已經(jīng)建立起龐大的知識體系，它不斷開拓著廣闊而多向發(fā)展的前沿領域，以嶄新的姿容邁入交叉學科的新時代。物理化學除了自身形成一些分支物化、分門物化外，如今它又衍生出界面結構化學、分子反應動力學、激光化學、飛秒化學等。物理化學可為化學各分支學科：無機、有機、分析化學等提供最一般的原理，并由此促使他們形成各自的理論體系和研究方法，推動化學研究向縱深發(fā)展。0.3物理化學的學科地位和社會作用比如：●它將化學的研究對象從一般鍵合分子拓寬到準鍵合分子及非化學計量化合物；●它從氣液固三種聚集態(tài)的研究外延到等離子體、超分子、各種分散態(tài)、單分子膜的研究；●它將對化學過程的溫度、壓力外部條件的控制躍升到分子態(tài)的控制以及極端條件（超高溫、超高壓、超低溫、超低壓）的化學過程的研究。所以物理化學研究領域的拓展無疑是極大地豐富了化學學科的內(nèi)容，也說明物理化學正在開辟化學學科的新的用武之地。0.3物理化學的學科地位和社會作用物理化學的形成得益于數(shù)學、物理學的基本理論和技術。反之，物理化學的發(fā)展也推動了數(shù)學和物理學的發(fā)展。歷史上物理化學家和物理學家在對方領域也取得的巨大成績和貢獻。如：遠離平衡態(tài)的耗散結構理論、前線分子軌道理論、分子軌道對稱守恒原理、交叉分子束的分子反應動力學研究等都獲得了諾貝爾化學獎。分子生物學也需要物理化學所提出的一些化學過程信息。所以說，化學各學科分支間、化學與相鄰學科間的交叉與滲透，主要是通過物理化學學科進行的。0.3物理化學的學科地位和社會作用3.物理化學與經(jīng)濟繁榮及國計民生的關系

鑒于石油和其他資源日漸短缺的局面，如何尋找新工藝、新材料、開發(fā)新能源、新食品源，以及提高效率、節(jié)省能耗、防止污染等，都需要以化學為中心的多學科的努力，其中很多核心的基礎研究將是物理化學的中心課題。一旦解決了這些難題，就將更新整個國民經(jīng)濟體系，改善國防設備，增強國力，就能進一步發(fā)展宇宙空間技術，同時也能極大地豐富人們的物質(zhì)與精神生活。0.3物理化學的學科地位和社會作用另外，物理化學學科對人類生活健康與生態(tài)平衡有著積極的作用和影響。如大氣層空洞的形成和控制，從根本上講是由光化學過程決定的；物理化學提供的構效信息已經(jīng)幫助人們生產(chǎn)出了低毒或無毒的新農(nóng)藥；催化劑正在用來解決汽車尾氣的污染問題；化學動力學過程也揭示了燃燒過程的基元反應。更令人驚喜的是物理化學的研究已經(jīng)進入到人類遺傳基因、生物工程、藥物設計、疾病控制等領域?？傊锢砘瘜W正在與相關學科攜手為開拓新的食品資源、節(jié)能減排、維護人類健康、建立和諧社會作出應有的貢獻。0.4物理化學培養(yǎng)化學人才的特色物理化學，在百年樹人的質(zhì)量與效率上具有明顯的特色之處，就是通過其教學與訓練，使人才具有較深的理論根基、較寬的學術視野、較佳的實驗技能和較高的思維技巧。老一輩化學家?guī)缀醵加羞@樣的共識：“凡是具有較好的物理化學素養(yǎng)的大學本科生，適應能力強且后勁足?！彼麄?nèi)菀子|類旁通，只要賦予進一步深造，就能較快地開辟新的研究領地、搶占國際高科技發(fā)展的前沿領域。0.4物理化學培養(yǎng)化學人才的特色

其原因是：物理化學學科不僅獨具縝密嚴謹?shù)倪壿嬻w系、多元化的思維方法論和多極化的實驗技能和較高的思維技巧，而且有其鮮明的哲學理念與唯物辯證法。這是探索自然奧秘、點燃創(chuàng)新火苗的原動力與推進器。

換言之，學科的發(fā)展觀與人才觀均取決于科學的思維觀與方法論。在當今我國屈指可數(shù)的著名化學家中，名列前茅的大多是物理化學家，而他們又同時是化學哲學家。即有高科技的重大成果，也有人文科學與化學哲學的名言佳作。熱力學方法：是一種宏觀的方法，其研究對象是由眾多質(zhì)點組成的集合體系，它是以兩個經(jīng)典的熱力學定律為基礎，用一系列熱力學函數(shù)及其變量，描述體系從始態(tài)到終態(tài)的宏觀變化，而不涉及變化的細節(jié)。經(jīng)典熱力學方法只適用于平衡體系。統(tǒng)計力學方法：用概率規(guī)律計算出體系內(nèi)部大量質(zhì)點微觀運動的平均結果，從而解釋宏觀現(xiàn)象，并能計算一些熱力學的宏觀性質(zhì)。0.5物理化學的研究方法量子力學方法：用量子力學的基本方程（E.Schrodinger方程）求解組成體系的微觀粒子之間的相互作用及其規(guī)律，從而揭示物質(zhì)的性質(zhì)與結構之間的關系。0.5物理化學的研究方法（1）從宏觀到微觀（2）從體相到表相（3）從靜態(tài)到動態(tài)（4）從定性到定量（5）從單一學科到交叉學科（6）從研究平衡態(tài)到研究非平衡態(tài)0.6 近代化學的發(fā)展趨勢和特點0.6 近代化學的發(fā)展趨勢和特點（1）從宏觀到微觀單用宏觀的研究方法是不夠的，只有深入到微觀，研究分子、原子層次的運動規(guī)律，才能掌握化學變化的本質(zhì)和結構與物性的關系。（2）從體相到表相在多相體系中，化學反應總是在表相上進行，隨著測試手段的進步，人們迫切希望了解表相反應的實際過程，這也進一步推動了表面化學和多相催化的發(fā)展。（3）從靜態(tài)到動態(tài)熱力學的研究方法是典型的從靜態(tài)到動態(tài)的過程。由體系的始終態(tài)的幾個熱力學函數(shù)的改變量，就可以判斷在特定條件下體系變化的方向。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，大大縮短了數(shù)據(jù)處理的時間，并可進行人工模擬和自動記錄，使許多以前只能做定性研究的課題現(xiàn)在可進行定量監(jiān)測。（4）從定性到定量0.6 近代化學的發(fā)展趨勢和特點化學學科與其他學科以及化學內(nèi)部更進一步相互滲透、相互結合，形成了許多極具生命力的交叉科學，如生物化學、海洋化學、地球化學、天體化學、計算化學、金屬有機化學、物理有機化學等。（5）從單一學科到交叉學科（6）從研究平衡態(tài)到研究非平衡態(tài)經(jīng)典熱力學只研究平衡態(tài)和封閉體系或孤立體系，然而對處于非平衡態(tài)的開放體系的研究更具有實際意義，自1960年以來，逐漸形成了非平衡態(tài)熱力學這個學科分支。0