怎樣學(xué)好物理化學(xué)

PAGEPAGE3怎樣學(xué)好物理化學(xué)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(xué)雜志》，它被認為是物理化學(xué)學(xué)科的誕生?？v觀此后的一個多世紀,這門學(xué)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(yīng)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(xué)、化工專業(yè)中的重要地位入手，談?wù)勗鯓硬拍軐W(xué)好這門課程。顧名思義，物理化學(xué)是一門交叉科學(xué)，簡言之，它是利用物理學(xué)的原理和實驗方法研究化學(xué)理論問題的科學(xué)。眾所周知，在歷史上，每當物理學(xué)有重大突破的時候，隨之便會滲透到化學(xué)中來，從而帶來物理化學(xué)新的發(fā)展。例如，熱力學(xué)第一、第二定律的建立導(dǎo)致化學(xué)熱力學(xué)的誕生；統(tǒng)計物理的創(chuàng)立導(dǎo)致化學(xué)統(tǒng)計力學(xué)的誕生；量子力學(xué)的創(chuàng)立導(dǎo)致物質(zhì)結(jié)構(gòu)（量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)）的誕生等。因此，物理化學(xué)與物理學(xué)和數(shù)學(xué)有不可分割的“血緣關(guān)系”，它是一門試圖從本質(zhì)上闡明物性和化學(xué)變化基本原理的科學(xué)。這便決定了這門課程具有很強的理論性和對化學(xué)、化工的指導(dǎo)作用。物理化學(xué)課程內(nèi)容豐富，涉及的面很廣，除了實驗獨立設(shè)課外，就像下面所示：表面與膠體化學(xué)化學(xué)動力學(xué)表面與膠體化學(xué)化學(xué)動力學(xué)物理化學(xué)物理化學(xué)電化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)其中最主要是化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計力學(xué)。化學(xué)熱力學(xué)是一門研究宏觀平衡規(guī)律的科學(xué)。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(chǔ)，通過演繹推理的方法，得到適用于溶液、相平衡和化學(xué)平衡的重要規(guī)律，以解決物理和化學(xué)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(xué)的這一分支已相當成熟，具有重要的應(yīng)用價值，已成為指導(dǎo)化學(xué)工藝過程的理論基礎(chǔ)?；瘜W(xué)動力學(xué)是一門研究化學(xué)反應(yīng)速率與機理的科學(xué)。它不僅研究各種因素，諸如濃度、溫度、反應(yīng)介質(zhì)、催化劑和外場等對反應(yīng)速率的影響，闡明反應(yīng)經(jīng)歷的途徑，并進一步從微觀的角度探索反應(yīng)的速率理論。物理化學(xué)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(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)）是一門利用量子力學(xué)原理和方法研究分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的科學(xué)。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(yīng)的能量值，闡明化學(xué)鍵和分子間力的本質(zhì)及反應(yīng)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(xué)的這一分支是近幾十年來發(fā)展最迅速的。在化學(xué)和化工類的有些專業(yè)中，這部分內(nèi)容已獨立設(shè)課。統(tǒng)計力學(xué)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(xué)。它以Boltzmann（玻耳茲曼）分布和系綜原理為基礎(chǔ)，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(xué)發(fā)展。除了上述四個分支外，物理化學(xué)還包括表面與膠體化學(xué)、電化學(xué)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(yīng)該強調(diào)的是，物理化學(xué)是一門基礎(chǔ)理論課，但具有廣泛的實用性。這些理論的應(yīng)用遍及化工、能源、材料、生工、環(huán)境等領(lǐng)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(xué)密切相關(guān)。因此，學(xué)好這門課的重要性是不言而喻的。在化學(xué)和化工專業(yè)中，物理化學(xué)是一門主干課程，通常被安排在大學(xué)四年學(xué)業(yè)的中段，起著承上啟下的重要作用。學(xué)生在學(xué)完這門課程后，便將開始學(xué)習(xí)專業(yè)，這是因為物理化學(xué)已為他們奠定了學(xué)習(xí)專業(yè)課所需要的理論基礎(chǔ)?？梢院敛豢鋸埖卣f，具有較好物理化學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)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(yīng)能力和理解能力。那末，怎樣才能學(xué)好物理化學(xué)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(xué)是一門基礎(chǔ)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(shè)和模型法。歸納和演繹法典型地用在熱力學(xué)中，熱力學(xué)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(chǔ)，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(xué)與歐兒里德幾何學(xué)十分相似，后者則是以五大公設(shè)為基礎(chǔ)演繹出許多定理來。然而，在熱力學(xué)課堂教學(xué)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(xué)好熱力學(xué)便顯得十分重要。假設(shè)和模型法的應(yīng)用很廣，特別是模型在物理化學(xué)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(xué)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?？傊瑑煞N方法都涉及正確的思維規(guī)律，它們都屬于邏輯學(xué)的范疇。因此，要學(xué)好物理化學(xué)最好學(xué)點邏輯。物理化學(xué)雖能培養(yǎng)學(xué)生的正確思維能力，但也需要學(xué)生用合乎邏輯的思維方法去學(xué)習(xí)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(xué)，可以說是建筑在某些抽象的概念基礎(chǔ)上，諸如焓、熵、Helmholtz自由能、Gibbs自由能和化學(xué)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(xué)生在閱讀物理化學(xué)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(xué)好物理化學(xué)是無濟于事的?？磿膊灰獫M足于一知半解，一定要設(shè)法完全搞懂。如有難懂的地方，首先應(yīng)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(xué)，既然學(xué)了高等數(shù)學(xué)就要學(xué)會應(yīng)用它，物理化學(xué)提供了應(yīng)用高等數(shù)學(xué)的很好的機會。第三點要多練習(xí)。所謂練習(xí)就是解習(xí)題。物理化學(xué)習(xí)題大致可分兩種類型：一類是為加深對概念的認識而設(shè)計的。通過解這類習(xí)題，能使學(xué)生學(xué)會公式的使用，并了解其適用條件。在解熱力學(xué)題時，還應(yīng)學(xué)會如何去設(shè)計一個過程來求解熱力學(xué)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(xí)題的目的是要使學(xué)生學(xué)會運用物理化學(xué)知識去解決實際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力。習(xí)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(yīng)該多做習(xí)題，經(jīng)驗表明，多解題是學(xué)好物理化學(xué)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