物理化學(緒論)

1、碰 撞 理 論 過 渡 態(tài) 理 論 單 分 子 反 應 習 題 課 引 言 反 應 速 率 公 式 簡 單 級 數(shù) 反 應 反 應 級 數(shù) 測 定 溫 度 影 響 動力學緒論 緒論0.1 物理化學的目的和內(nèi)容0.2 物理化學的研究方法0.3 物理化學的建立與發(fā)展0.4 近代化學的發(fā)展趨勢和特點0.5 物理化學課程的學習方法 物理化學 從研究化學現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系入手，借助數(shù)學和物理學的理論從而探求化學變化中具有普遍性的包含宏觀到微觀的基本規(guī)律（平衡規(guī)律和速率規(guī)律）。在實驗方法上主要采用物理學中的方法。 作為化學的理論基礎，物理化學主要由化學熱力學、統(tǒng)計熱力學、化學動力學、結(jié)構(gòu)化學四大

2、支柱組成。0.1 物理化學的目的和內(nèi)容研究目的 物理化學主要是為了解決生產(chǎn)實際和科學實驗中向化學提出的理論問題，揭示化學變化的本質(zhì)，更好地駕馭化學，使之為生產(chǎn)實際服務。如有機化學家應用動力學探索反應機理，應用結(jié)構(gòu)化學知識研究反應中間體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；無機化學家應用熱力學原理研究無機材料的性質(zhì)及穩(wěn)定性；分析化學家應用光譜分析確定未知樣品的組成。 生物化學家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(jié)構(gòu)和性能，應用動力學、統(tǒng)計熱力學原理去研究聚合反應等。總之

3、，物理化學為生產(chǎn)實踐和科學實驗提供了理論指導，從而使化學能更好地為生產(chǎn)實踐服務。物理化學的研究內(nèi)容： (1)化學熱力學 研究化學變化過程（包括相變過程）的能量轉(zhuǎn)換及化學變化的方向和限度問題； 一個化學反應在指定的條件下能否朝著預定的方向進行？若該反應能夠進行，則它將達到什么限度(如理論轉(zhuǎn)化率是多少)?外界條件如溫度、壓力、濃度等對反應有什么影響？如何控制外界條件朝著人們預定的方向進行？在反應中能量的變化關系怎樣？如此等等。研究這類問題均屬于化學熱力學范疇。主要解決變化的方向及與平衡（即限度）有關的一些問題。(2)化學動力學 研究化學反應的速率和機理問題及影響速率的因素； 這類問題屬于化學動力學

4、范疇，一是從宏觀上研究濃度、溫度、催化劑等外界條件對速率的影響，二是從微觀上研究反應的機理（也稱為反應歷程，即反應的詳細途徑）。這部分內(nèi)容主要考慮時間因素。(3) 統(tǒng)計熱力學 用統(tǒng)計力學和量子力學方法研究平衡與速率的規(guī)律。它是聯(lián)系物質(zhì)微觀與宏觀上平衡與速率規(guī)律的橋梁。(4)物質(zhì)結(jié)構(gòu) 物質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)之間的關系問題。 通過量子力學原理從微觀的角度來探討化學鍵的本質(zhì)，并通過對分子的電性質(zhì)、磁性質(zhì)和分子光譜的實驗測定，來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能間的關系。根據(jù)目前的教學計劃，這一部分另設課講授，本書不討論。物理化學的目的 一個化學工業(yè)過程可以表示為：從原料到反應物，溫度壓力或形態(tài)都可能有別，這一過程一般是

5、物理過程，可稱為預處理過程。此過程主要涉及能量交換問題，具體規(guī)律服從熱力學第一、第二定律。 第二過程是化學過程，反應在什么T,p下進行？能量如何變化，轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率多高？這些由熱力學中熱化學與化學平衡規(guī)律決定；化學反應的快慢，是否需要催化劑，由化學動力學規(guī)律所決定。原料(T0,p0)反應物(T,p)產(chǎn)物(T,p)產(chǎn)品(T0,p0) 第三過程主要是分離提純的過程，氣液組分涉及到蒸餾、精餾和萃取等操作過程，液固組分涉及到結(jié)晶、過濾和干燥等操作過程。這些操作都服從熱力學中的相平衡規(guī)律。 在化學過程中，除了熱反應外，還有電化學反應，服從物理化學中的電化學規(guī)律。一些特殊反應，如光化反應、催化反應，都在動力

6、學中介紹。在物理或化學變化中若產(chǎn)生表面效應，其相關的規(guī)律將在表面化學中介紹，研究體系高度分散后的性質(zhì)及相關規(guī)律，這將在膠體化學中介紹。原料(T0,p0)反應物(T,p)產(chǎn)物(T,p)產(chǎn)品(T0,p0) 通過對物理化學內(nèi)容的介紹和對化學工業(yè)過程的分析，我們清晰地看到物理化學的目的是為了解決生產(chǎn)實際和科學實驗中向化學提出的理論問題，揭示化學變化的本質(zhì)，更好地駕馭化學，使之為生產(chǎn)實際服務。 物理化學是闡述化學工業(yè)及相關工業(yè)全過程物理及化學普遍性規(guī)律的一門學科。結(jié)論C(石墨)C(金剛石)實現(xiàn)轉(zhuǎn)變，熱力學計算可得：298K1.5104P0.2 物理化學的研究方法 （1） 一般化學科學研究的基本程序都遵循

7、“實驗經(jīng)驗規(guī)律假說理論實踐”的認識過程，分別采用歸納法和演繹法，即從眾多實驗事實概括到一般， 再從一般推理到個別的思維過程。如從理想氣體狀態(tài)方程的提出到范德華方程的建立就是遵循上述方法的。 （2）綜合應用微觀與宏觀的研究方法，主要有：熱力學方法、統(tǒng)計力學方法、量子力學方法、演繹歸納方法。熱力學方法： 是宏觀的方法，其研究對象是由 眾多質(zhì)點組成的宏觀體系，它以熱力學三大定律為基礎，用一系列體系的宏觀性質(zhì)（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)和速率。經(jīng)典熱力學方法只適用于平衡體系?，F(xiàn)在的研究方向正由平衡態(tài)向非平衡態(tài)轉(zhuǎn)變。統(tǒng)計力學方法： 它主要是運用微觀研究手段，把

8、統(tǒng)計描述與量子力學原理結(jié)合起來， 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(jié)果，從而解釋宏觀現(xiàn)象并能計算一些熱力學量，從本質(zhì)上了解它們的性質(zhì)。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，從而揭示物性與結(jié)構(gòu)之間的關系。實驗方法： 熱力學方法： 例如：P、T、V的測定、熱效應的測定、表面張力、粘度等的測定，相平衡、界面平衡的研究。電磁學方法： 電化學中的各種測定，偶極矩、磁化率的測定，各種磁共振的測定和應用。光學方法： 旋光、折射率的測定，各種光譜的研究（如紫外、紅外、光電子能譜等）原子物理學方法： 放射性物質(zhì)的研究和物

9、質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析、同位素的應用、質(zhì)譜分析等等?；瘜W分析方法： 例如，用普通的分析方法或儀器分析的方法，測定平衡體系的組成等。 由此可見，物理化學的實驗手段大部分都是物理的方法。演繹法和歸納法 為了形成抽象概念和抽象理想體系，物理化學中還常常用形式邏輯方法，如歸納和演繹。 歸納法是根據(jù)大量已知的事實概括出一般的結(jié)論(如定律、公式、原理)的一種邏輯推理方法，其特點是從特殊到一般。物理化學課程中介紹的氣體定律，熱力學第一、二定律，質(zhì)量作用定律，拉烏爾定律等都是應用歸納法總結(jié)出來的。 演繹法則是從一般到特殊的邏輯推理方法，這種方法在預知未知的事實，提出假說方面具有特殊的功效。 歸納法與演繹法既有區(qū)別又有聯(lián)

10、系，歸納是演繹的基礎，而演繹又常作為歸納的前導。因此，在物理化學實際的推理時，歸納法和演繹法常常綜合應用。 物理化學的形成可以追朔到歐洲工業(yè)革命蓬勃發(fā)展的18世紀。必須把物理現(xiàn)象和化學現(xiàn)象統(tǒng)一起來，并作為一個獨立的科學領域進行研究的想法，早在200多年前就提出了。0.3 物理化學的建立與發(fā)展十八世紀開始萌芽：從燃素說到能量守恒與轉(zhuǎn)化 定律。俄國科學家羅蒙諾索夫1752年最早使用“物理化學”這一術語。他寫道“物理化學是以物理學的原理和實驗為基礎，對混合體中進行化學作用時發(fā)生的現(xiàn)象加以闡述的科學?！?這一時期，為了得到定量規(guī)律，道爾頓等人在研究化學現(xiàn)象時，開始用最簡單的物理方法，確立了物質(zhì)質(zhì)量守恒

11、定律和倍比定律。在電化學領域伏打、法拉第進行了最初的研究。 19世紀初1804年道爾頓的原子論誕生。1807年阿佛加德羅的分子論初建立。 19世紀中葉以后，物理化學中又產(chǎn)生了一些獨立的分支，并得到了鞏固。1838年蓋斯確立了熱量守恒定律，這個定律促使了熱化學科學的建立。 卡諾、焦耳、克勞修斯、湯姆遜等熱力學兩個基本定律的發(fā)現(xiàn)，對物理化學的發(fā)展起到了重要作用。 吉布斯建立了關于相平衡和化學平衡的熱力學理論。1869年門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律等等對物質(zhì)的化學本性與其物理性質(zhì)相互聯(lián)系的概念之形成起了重大影響。 在同一時期，范特荷甫和阿累尼烏斯詳盡地研究了經(jīng)典的化學動力學理論。 而希爾霍夫、科爾勞斯、

12、納恩斯特的研究工作則構(gòu)成了電化學的核心。十九世紀中葉形成：1887年俄國科學家W.Ostwald （18531932）和荷蘭科學家J.H.vant Hoff （18521911）合辦了第一本“物理化學雜志”（德文）。 20世紀初是物理化學發(fā)展的新階段，是與量子理論和波動不（玻爾、普朗克、薛定諤、保里）的創(chuàng)立聯(lián)系在一起的。應用了量子力學的方法，物理學家和物理化學家在研究分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和認識化學鍵的本性方面，取得了顯著成果。20世紀物理化學發(fā)展趨勢是涉及化學的各個領域。二十世紀迅速發(fā)展：新測試手段和新的數(shù)據(jù)處理方法不斷涌現(xiàn)，形成了許多新的分支學科，如：熱化學，化學熱力學，電化學，溶液化學，膠體

13、化學，表面化學，化學動力學，催化作用，量子化學和結(jié)構(gòu)化學等。0.4近代化學的發(fā)展趨勢和特點(1)從宏觀到微觀(2)從體相到表相(3)從定性到定量(4)從單一學科到交叉學科(5)從研究平衡態(tài)到研究非平衡態(tài) 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(jié)構(gòu)與物性的關系。(1) 從宏觀到微觀 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。 (2) 從體相到表相(3) 從定性到定量 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

14、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) 從單一學科到交叉學科 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(jié)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。 物理化學是一門研究物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)變化普遍規(guī)律的專業(yè)基礎理論課程，因此凡是要促使物質(zhì)發(fā)生變化以及轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袃?yōu)良性質(zhì)的產(chǎn)品的許多專業(yè)如化學、化工、應化、高分子、

15、輕工、冶金、環(huán)境等專業(yè)，都必須將物理化學課程的學習放在重要的地位。0.5 物理化學課程的學習方法 因物理化學涉及的是化學、化工過程中一些普遍規(guī)律，從某種意義上說就比較抽象，又因為學習物化是為了指導對具體過程的認識和開發(fā)，各具體過程又千變?nèi)f化，所以使用時又顯得比較靈活。(1) 要注意各物理量定義的準確性，要反復體會定義建立的條件，這直接影響到在各條件下能否正確使用這些定義來解決問題。(2) 物化是運用數(shù)學較多的一門化學課，如果把一些推導過程、數(shù)學分析當作純數(shù)學來對待而脫離了各數(shù)學過程的物理意義，可能一看就會，但用起來常常出錯，必須要理解數(shù)學分析、推導中包含在物理意義。(3) 物化內(nèi)容的邏輯性很強

16、，內(nèi)容前后聯(lián)系密切，因此學習中千萬不要積累問題，有問題時要及時解決。(4) 物化涉及的是化學化工的一些普遍規(guī)律，而各具體的過程條件中千變?nèi)f化，因此在用于各種具體的過程時，要靈活、要經(jīng)常的思考，會舉一反三，學會總結(jié)，千萬不要死記硬背，在理解的基礎上.學、記、用。所以它也是檢驗一個學生邏輯思維能力、分析問題和解決問題的能力的大小。與學習無機、有機、分析方法不同。 (5)盡管物化理論性較強，但它仍是一門實踐性很強的學科，所以要重視各實踐環(huán)節(jié)。實驗當然是一個重要的實踐環(huán)節(jié)，另外習題、習題課、討論課也，在一定程度上也是一個重要的實踐環(huán)節(jié)，在學習中應充分重視，不要以習題做的結(jié)果與答案相同而滿足，而要訓練自己的思路、能闡明每一步的根據(jù)及道理，要訓練自己運用理論來判斷錯誤的概念及方法的能力。有的題目可能有多種解法，有時有的題目可能