身邊的物理化學世界

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上身邊的物理化學世界第一講 化學的智慧結(jié)晶：物理化學第二講 永動機的烏托邦：化學熱力學第三講 愛斯基摩人如何獲得淡水：相平衡的奧秘第四講 損有余而補不足：化學平衡移動原理第五講 化學動力學的魔杖：催化劑第六講 為化學正名的勇士：電化學第七講 損不足而補有余：神奇的表面張力第八講 似穩(wěn)非穩(wěn)得系統(tǒng)：膠體（每講35至40分鐘）內(nèi)容提要第一講 化學的智慧結(jié)晶：物理化學人類自從遠古時期對火的發(fā)現(xiàn)和利用就已經(jīng)開始了化學知識的積累，遺憾的是，直到18世紀以前，盡管人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量的無機化學和有機化學反應，但是化學家當時對于化學新反應體系的探索大多依賴于已有的經(jīng)驗，甚至還處于一種盲目

2、的狀態(tài)，缺乏明確的理論指導。1887年，奧斯特瓦爾德和范特霍夫創(chuàng)辦了第一本物理化學雜志，標志著一門新興學科：物理化學的誕生。從此以后，物理化學進入了一個快速發(fā)展的時期。物理化學是以武力的原理和實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學體系的性質(zhì)和行為，發(fā)現(xiàn)并建立化學體系中特殊規(guī)律的學科。物理化學從化學變化與物理變化的聯(lián)系入手，研究化學反應的方向和限度，化學反應的速率和機理，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系等問題，它是化學學科的理論核心。物理化學在化學學科中的核心地位由當時的諾貝爾化學獎的頒獎情況就可見一斑。從1901至1909期間，總共有6位物理化學家獲得了諾貝爾化學獎，這其中就包括兩位物理化學的創(chuàng)始人：奧斯

3、特瓦爾德和范特霍夫。20世紀諾貝爾化學獎獲得者中，約60%是從事物理化學領(lǐng)域研究的科學家。物理化學在系統(tǒng)總結(jié)已有的無機分析化學和有機化學的經(jīng)驗事實，提出一整套關(guān)于化學反應體系的特殊規(guī)律，反過來又指導化學反應新體系的開發(fā)和化工生產(chǎn)實踐，并獲得巨大成功，所以物理化學是化學智慧的結(jié)晶。物理化學的研究內(nèi)容：以簡單的合成氨反應為例，為了順利實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，至少要搞清楚兩個問題。首先要了解該反應的能量變化情況，如熱量變化，反應的平衡轉(zhuǎn)化率有多高，這樣才便于反應器選型，研究化學反應的方向和限度的學科是化學熱力學。其次要了解化學反應的速度有多快，是否需要催化劑，研究相關(guān)內(nèi)容的學科是化學動力學?；瘜W熱力學和化學動

4、力學構(gòu)成物理化學的主要分支學科。除此以外物理化學還有另外兩個分支學科：統(tǒng)計熱力學和結(jié)構(gòu)與量子化學。前者是為了建立反應體系的宏觀性質(zhì)和粒子微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系；后者則是研究微觀粒子的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律。物理化學還有其他分支學科：電化學、表面與膠體化學等等。物理化學現(xiàn)象在我們身邊無處不在，事實上，我們生活在一個物理化學的世界。物理化學的研究方法：物理化學的研究思想蘊含著豐富的哲學文化內(nèi)涵，物理化學理論具有明顯的簡介、對稱和和諧的科學美特征。僅舉兩例1、 氣體性質(zhì)的研究，以壓力為軸，壓力趨向于0和壓力到氣液分界的臨界點處，狀態(tài)方程具有相似的數(shù)學特征。中國古代文化中關(guān)于人性的描述：人之初。性本善；人之將死，

5、其言也善。研究思想異曲同工。不同學科的研究思想也有共通之處。2、 化學平衡移動原理和老子樸素的自然平衡觀：天之道：損有余而補不足。第二講 永動機的烏托邦：化學熱力學熱和功是自然界能量交換的兩種方式。熱力學的首要任務就是解開自然界熱功能量交換的奧秘。為了研究方便，提出系統(tǒng)和環(huán)境的概念。近代工業(yè)革命的興起是的熱功能量家換奧秘的研究日趨活躍，瓦特的蒸汽機為熱機模型的建立奠定基礎(chǔ)。推動化學熱力學的飛速發(fā)展。同一時期歷史上出現(xiàn)過兩類不同的永動機研究熱潮，最終都以烏托邦式的夢想破滅。（舉兩個永動機的例子）熱力學研究表明：自然界能量交換的奧秘有兩個：奧秘1：封閉系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化與守恒：熱力學第一定律；奧秘2：

6、熱工交換的不可逆性：熱力學第二定律。永動機不可能造成就是因為分別違反了熱力學第一定律和第二定律。事實上這兩個熱力學基本定律是公理性的命題，雖然它自身無法用數(shù)學證明，但是永動機夢想的破滅恰恰證實了這兩個定律的正確性。法國天才的物理化學家卡諾首次建立了可逆熱機的模型，提出了注明的卡諾定律，并且證明熱機效率小于1。自此，關(guān)于永動機的研究才逐漸退出歷史舞臺，不過遺憾的是：卡諾采用了錯誤的熱質(zhì)說來證明卡諾定律。（簡介卡諾可逆熱機模型，畫圖）（日常生活中，發(fā)動機相當于熱機正著開；空調(diào)機相當于熱機倒著開）有趣的是，在個熱機模型中，有兩個特殊的做功過程耐人尋味。1、氣體在汽缸中等溫壓縮，何種方式環(huán)境做功最少？

7、系統(tǒng)內(nèi)外壓差無窮小，環(huán)境對系統(tǒng)做功最少。2、氣體在汽缸中等溫膨脹，何種方式系統(tǒng)做功最多？系統(tǒng)內(nèi)外壓差無窮小，系統(tǒng)對環(huán)境做功最多。這是可逆過程的基本特征。作為非專業(yè)的化學工作者，我們不要糾纏于上述結(jié)論如何進行嚴格的數(shù)學證明，而更應該主動思考這個規(guī)律給我呢吧入場生活帶來的啟示。比如，教育孩子時，如果能做到換位思考（此時相當于大人和孩子的思維方式差別無窮?。?，比起棍棒式強制教育，往往事半功倍，少做無用功。第三講 愛斯基摩人如何獲得淡水：相平衡的奧秘我們生活在一個氣-液-固多相共存的世界。試想一下，把一杯食鹽水冷卻降溫道一定程度，將會有固體出現(xiàn)，那么固體里面到底是冰，還是實驗警惕，還是兩者都有？事實上

8、，上述情況都有可能出現(xiàn)，取決于實驗的溫度，壓力和食鹽水的濃度。研究這種相變化規(guī)律的理論基礎(chǔ)是吉布斯相律。（簡介吉布斯相律）舉例說明甲醇和乙醇二組分溶液，吉布斯相律預測，溫度一定，蒸氣總壓是濃度的單值函數(shù)。實驗可以完全證實（拉烏爾定律）。吉布斯相律對于相變化研究的指導作用于毛主席的論持久戰(zhàn)對于抗日戰(zhàn)爭的軍事理論指導作用有異曲同工之妙。都附有較高的哲學意味。因此，物理化學也可以說是化學的哲學。為了直觀起見，我們可以把相變化規(guī)律繪制成圖形，這就是想圖。（畫食鹽水的的相圖）解釋愛斯基摩人如何獲取淡水，奧秘在于選取合適的溫度區(qū)間。第四講 損有余而補不足：化學平衡移動原理 化學反應的平衡轉(zhuǎn)化率大小直接決定

9、其是否適合工業(yè)生產(chǎn) 那些因素能改變轉(zhuǎn)化率，或者說能使化學平衡發(fā)生移動呢？這是化學熱力學研究的一個重要內(nèi)容。 研究表明：改變溫度、壓力、濃度等因素都有可能使平衡發(fā)生移動，具體的研究結(jié)果可用化學平衡移動原理描述。 簡介化學平衡移動原理 對比分析老子的損有余而補不足的自然平衡觀。 如果把化學平衡看做是自然平衡的一個特例，恰好體現(xiàn)和鞋自恰的科學美特征。 事實上，化學平衡移動原理僅僅只是解決了已知化學反應能按照預定方向進行的前提下化學反應的限度問題。他并不能告訴我們?nèi)绾闻卸ㄒ粋€化學反應能否自動進行，即化學反應的方向性問題。 關(guān)于方向性問題的解答正式化學熱力學中數(shù)學證明最為復雜而卻又是最為精彩的一部分內(nèi)容

10、。時間關(guān)系，我們只能省去數(shù)學細節(jié)，給大家介紹一些基本的研究成果。 以熱力學第二定律為基礎(chǔ)，克勞修斯借鑒了卡諾關(guān)于熱機的熱工交換的研究成果，創(chuàng)造性的引入一個數(shù)學符號：墑。正式這條美麗的S曲線，從根本上解決了化學反應方向性班別的準則問題。（簡介孤立系統(tǒng)的熵判據(jù)）這個規(guī)律表明：孤立系統(tǒng)中熵變的正負號決定化學反應能否自動進行。并非所有的化學反應都能如人所愿，人類在神奇的大自然面前也并不似無所不能。比如在常溫常壓下，金剛石可以自發(fā)生成石墨（只不過是速度極慢），而石墨卻不能自發(fā)變成金剛石（盡管這是我們所期望的）。第五講 化學動力學的魔杖：催化劑通過調(diào)節(jié)濃度、溫度可以改變化學反應速度，不過最有趣的還是催化劑

11、的引入對提高反應速度有著更加神奇的效果。研究這部分內(nèi)容的學科稱之為化學動力學。簡介質(zhì)量作用定律簡介阿雷尼烏斯方程簡介化學反應速率常數(shù)這里我們重點介紹催化劑催化劑雖然參與化學反應，但反應前后自身卻不消耗。催化劑雖然能改變化學反應的速度，但不能改變化學反應的方向。催化劑的角色：月下老人，所以日語中稱之為“觸媒”。約有80%的化工生產(chǎn)（尤其是有機化工）過程都要使用催化劑。工業(yè)催化劑（如石油工業(yè)，生產(chǎn)汽油）大多是固體催化劑，有趣的是，他們多是一些自身有表面缺陷的并不美麗的多孔性物質(zhì)，但人類正是通過他們合成出大量的新材料來美化我們的生活。你能想象到白金也能作為催化劑嗎？（石油組分生產(chǎn)苯）人體內(nèi)有大量的生

12、物催化劑：酶酶催化劑的轉(zhuǎn)移性、高效性，反應條件溫和，綠色化工的希望。淀粉酶只能催化淀粉降解，（而不能轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)和脂肪）。并且上述反應在人的體溫附近就能有效進行，這是大多數(shù)化工生產(chǎn)過程可望而不可求的。第六講 為化學正名的勇士：電化學化學反應既然能釋放出能量，化學能能否轉(zhuǎn)化為電能呢？或者翻過來思考，利用電能能否驚醒化學反應呢？回答是肯定的，自然辯證法告訴我們，在一定條件下，不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。電化學：研究化學能和電能之間相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的物理化學分支學科。電化學裝置在我們身邊隨處可見。原電池：化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｊ謾C電池、干電池；電解池：電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能。電鍍，點解鋁。（簡介丹尼爾電池的工作

13、原理）化學是一把雙刃劍，他在生產(chǎn)新材料造福人類的同時，也帶來了污染。長久以來，化學被人們誤認為只是環(huán)境的殺手，但是電化學卻始終捍衛(wèi)者化學的尊嚴。比如汽車采用汽油為燃料帶來全球性的環(huán)境污染。電化學原理卻能知道我們成功開發(fā)出燃料電池，是的未來有可能大規(guī)模使用氫能源汽車。電化學為人類大規(guī)模使用清潔能源帶來福音。（簡介燃料電池的工作原理）（簡介手機鋰電池的工作原理）原電池可以將化學能轉(zhuǎn)化為電能；電解池卻能講電能轉(zhuǎn)化為化學能，正式這種矛盾的對立統(tǒng)一給人類遠離傳統(tǒng)化學工業(yè)帶來的嚴重環(huán)境污染帶來希望。第七講 損不足而補有余：神奇的表面張力荷葉上晶瑩剔透的球星露珠往往是文人們吟詠的對象，可是物理化學家卻把眼光

14、聚焦在空氣和水的界面上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個神奇的的物理化學現(xiàn)象：表面現(xiàn)象。事實上，任意兩個不同的相之間都會有界面，界面上的表面張力是各種表面現(xiàn)象產(chǎn)生的根源。簡介表面張力的概念（圖解說明）彎曲液面的附加壓力圖解說明解釋毛細玻璃管中水柱上升，彎月面簡介開爾文公式，解釋人工降雨。很多表面現(xiàn)象發(fā)生的結(jié)果往往符合“損不足而補有余”比如：在密閉系統(tǒng)中，小水滴容易被大水滴吸收，而不是兩水滴變得一樣大。除了表面現(xiàn)象外，我們生活中天天都要用到一類被稱之為表面活性劑的物質(zhì)。簡介表面活性劑。大幅降低表面張力肥皂：研制酸鈉洗衣粉：十二烷基苯磺酸鈉。表面活性劑進入百姓家庭答復提高了人類的生活質(zhì)量。第八講 似穩(wěn)非穩(wěn)得系統(tǒng)：膠體膠體是顆粒直徑介于1100納米的多相高分散系統(tǒng)。膠體溶液在短時間內(nèi)穩(wěn)定不分層，但隨著時間