高分子材料化学基础第八章 物理化学基础（一）绪论课件.ppt
绪论：物理化学,物理化学基本内容,张江树(1898-1989),“南张北黄”,1952年，中央人民政府委任张江树为华东化工学院(我国第一所高等化工院校)院长,华化于1960年10月被列为全国重点院校。,1945年，他编写的理论化学实验一书问世了，这是我国化学家编写并出版的第一本物理化学教材。1959年，由他主编的物理化学与胶体化学一书由高等教育出版社正式出版，成为我国第一部供工科大学使用的物理化学统编教材，它为以后高等院校化工教材的编写奠定了基础。,物理化学基本内容,20世纪50年代，我国物理化学界先驱黄子卿先生：,黄子卿 教授（1900 1982）,“物理化学是一门从物理现象和化学现象的联系中找出物质变化基本原理的学科。”,物理化学基本内容,20世纪80年代初，唐有祺先生：,唐有祺 教授（1920）,“化学学科中的一个重要学科，借助数学、物理学等基础学科的理论及其提供的实验手段，研究化学学科中的原理和方法，研究化学体系中最一般的宏观、微观规律和理论，是化学的理论基础。”,现代化学发展规律,物理化学发展简介（1）,1887年德文物理化学杂志创刊到20世纪20 年代化学热力学理论的成熟宏观化学反应速率理论的建立,借助物理学中力学、热学及气体分子运动论解决化学平衡和化学反应速率问题,物理化学发展简介（2）,20世纪20 年代至60年代原子结构理论的创立X射线的发现量子力学的创立（氢分子问题）,进入物质微观结构及化学基元反应速率理论的探索阶段，提出化学键理论、化合物的微观结构、催化反应机理等,物理化学发展简介（3）,20世纪60 年代至今计算机、波谱仪器扫描隧道显微镜、原子力显微镜电子技术、激光技术,向纵深发展：分子稳态、基态到瞬态、激发态；单一分子结构到分子间相互作用细节；体相到界面相；化学体系扩展到生物化学体系及远离平衡态的耗散结构等,强化对体系、反应在分子水平上的精细物理化学研究,强化对特殊集合态的物理化学研究,数学、物理理论与方法,高精尖现代谱学，衍射分子束，计算机技术,生命科学,材料科学,分子动态物理化学,表面、界面物理化学,非平衡态物理化学,分子反应动力学,分子激发态谱学,新型簇体系的物理化学,有序组合体的物理化学,纳米材料的物理化学,催化、电极、超导等材料,蛋白分子工程,分子设计与分子工程,表面分子工程,结合各类化学体系,国计民生,结合各类化学体系,物理化学的地位与作用,物理化学具有对其他化学学科的辅助作用观察问题透过现象认识本质的引申作用对拓展思维、创新知识的指导作用,物理化学的地位与作用,Alfred Nobel1833-1896,20世纪以来在135位获得诺贝尔化学奖的科学家中，有85位是物理化学工作者，约占63%。这说明物理化学造诣精深的学者，其思路开阔，探索深入；在各交叉学科之间，常能碰撞出新的思想火花，创造出超前的科研成果。而且这种趋势还在增强。,物理化学的构成,物理化学的研究方法,物理化学的两个研究角度（1）宏观：物质运动宏观性质及其变化，不涉及 分子个体（2）微观：研究分子的行为连接宏观微观的桥梁 统计力学 统计平均大量分子行为，得到物质体系 宏观行为,1.反应-能量：化学热力学(Chemical Thermodynamics),化学反应的能量效应，也就是能量守衡原理；化学反应的方向和限度，解决某个预想反应是否能够进行，一旦进行到什么程度为止，即能量最低原理。这些是化学热力学需要解决的问题，这门学科采用宏观的研究方法。,2.速度-机理：化学动力学(Chemical Kinetics),研究化学反应实际经历的历程和反应速率，以及外界因素对反应控制步骤的影响。这门学科称为化学动力学，采用宏观和微观的研究方法。,3.性质-结构：结构化学(Structural Chemistry),任何物质的性质都是其结构特征的反映；反之，由其性质又可推测其结构。这门学科叫做结构化学，采用微观的研究方法。,4.原子-键能-构型：量子化学(Quantum Chemistry),从量子力学的概念出发，建立微观粒子的薛定谔方程，通过严格的数学推导，加入化学反应实验参数，计算各类化学键能及各种效应，确定物质的空间构型。这门学科叫做量子化学，采用微观的研究方法。,5.宏观-微观：统计热力学(Statistical Mechanics),物质的宏观性质都是大量微观粒子个性集合所表现出的统计平均的结果。宏观性质与微观性质有本质的差别，是从量变到质变的过程。联系宏观性质和微观性质的科学桥梁，称为统计热力学。,物理化学基本内容,化学现象与物理现象紧密相关，随着科学发展这种关系将更加密切化学反应的本质问题可以用物理的理论、数学的方法去解决,催化基础 电化学基础 分子动态学 生物大分子 药物大分子,现代物理化学的基本内容,当代最受人们重视的物理化学问题,物理化学课程的学习方法,学习目的拓宽知识面、扎实专业基础培养独立工作能力、自学能力掌握实验方法及技能,理论联系实际 解决实际问题,物理化学课程的学习方法,学习方法：思路和方法“举一反三”“学中用”和“用中学”,物理量的含义相互关系适用条件 建议：博览群书！,中文参考资料,傅献彩等编，物理化学(第四版)，高等教育出版社,1992。韩德刚等编，物理化学，高等教育出版社,2001。江逢霖等译，基础物理化学，复旦大学出版社,1990。胡英主编，物理化学(第四版),北京：高等教育出版社,1999。印永嘉,奚正楷,李大珍编.物理化学(第三版).北京:高等教育出版社,1992。宋世谟 物理化学(第四版)，北京：高等教育出版社，1998,原版参考资料,P.W.Atkins,Physical Chemistry.6th ed.,Oxford University Press,1998.I N Levine.Physical Chemistry.4th ed.,McGraw-Hill,1995.G M Barrow.Physical Chemistry.6th ed.,McGraw-Hill,1996.http:/classweb.gmu.edu/sdavis/chem331.htmhttp:/202.38.70.91/teacher_user/fczheng/phy_chm/index.html,化 学 热 力 学,化学热力学简介定义,化学热力学：物理化学与热力学分支学科研究物质系统在各种条件下的物理和化学变化中所伴随的能量变化，从而对化学反应的方向和进行的程度作出准确的判断物质状态变化与其热、功、能关系热力学的研究内容（1）平衡热力学（经典热力学）（2）非平衡热力学,化学热力学简介 核心内容,热力学核心内容（四大定律）热力学第零定律：两个物体同时与第三个物体达到热平衡，这两个物体也处于热平衡（R.W.Fowler）热力学第一定律：能量守衡热力学第二定律：孤立体系的熵不可能减少热力学第三定律：绝对零度不可能达到,化学热力学简介热力学的发展,古希腊时期对热本质的争论（粗略、模糊）1842年Mayer首先提出普遍“力”（即现在所谓的能量）的转化和守恒的概念 18401860年间，Joule用各种不同的机械生热法，进行热功当量测定（热力学第一定律在科学界得以公认）1824年Carnot提出著名的卡诺定理，结论正确，但却引用了错误的“热质论”,化学热力学简介热力学的发展,为进一步阐明 Carnot 定理，1850年Clausius提出热力学第二定律“不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。”1851年Kelvin：“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起其他变化。”1912年，Nernst 提出热力学第三定律，即绝对温度的零点是不可能达到的 1911年Planck 的较明确提法：“与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零”（第三定律其它表述方式）,化学热力学简介 热力学的发展,Gibbs 给出热力学原理更为完美的表述形式，用几个热力学函数来描述系统的状态（使化学变化和物理变化的描述更为方便和实用）19世纪，开始研究热导扩散和电导等现象，但仅限于近似平衡的非平衡状态和过程研究 20世纪60年代，开始对远离平衡的非平衡状态和过程研究，热力学理论取得重大进展,化学热力学简介 热力学研究内容,1.研究化学变化当中的能量转换，如热效应、光效应、电效应、声效应等，作定量计算并加以利用。可以计算反应中心区的最高温度。,反 坦 克 导 弹,C6H2(NO2)3CH3 0.52CO2+4.70CO+0.78H2O+1.72H2+1.78C+1.5N2,化学热力学简介 热力学研究内容,2.研究化学变化的方向和限度以及产物的稳定性。并非每一个拟想中的化学反应方程式都是可以实际进行的，也不是每一个可能发生的化学反应都能进行到底的。如何预测某人为设计反应的方向和限度？,高 炉 炼 铁,州 长 竞 选,执政党 CH4(g)+CO2(g)CH3COOH(g)反对党2CH4(g)+H2O(g)C2H5OH(g)+2H2(g),化学热力学简介 解决实际问题,3.化学实验及化工生产中涉及的许多分离提纯工艺的理论基础是热力学提供的。,石油精炼中的精馏过程,化学热力学简介 自然现象与生活实践,4.热力学与自然现象和生活实践有密切联系。,树木的高度,孔隙作用？毛细作用？渗透压作用？,化学热力学简介 获得学习研究的主动性,热力学提供了这样一种原则和方法，通过已有知识和必要的数据、图表，即可预测某一未知反应的能量效应以及能否按理想方向进行，进行到什么程度为止，产物的最大产率可以达到多少，如何避免副反应，产品的稳定性如何等等。,获得学习和研究工作的主动性,化学热力学简介 爱因斯坦对热力学的评论,“一种理论的前提的简单性越大，它所涉及事物的种类越多，它的应用范围越广，它给人们的影象就越深。因此，经典热力学对我造成了深刻的印象。我确信这是在它的基本概念可以应用的范围内，绝不会被推翻的，唯一具有普遍内容的物理理论。”,E=mc2,化学热力学简介主动设计、解决实际问题,化工生产中的能量衡算及合理利用上海硫酸厂乙二醛工业装置,化学热力学简介主动设计、解决实际问题,设计新反应路线石墨合成金刚石合成金刚石新路线?,*Straw into gold?,CCl4+4Na Diamond+4NaCl,SCIENCE 281(5374):246-247 JUL 10 1998,Diamond Formation by Reduction of Carbon Dioxide at Low Temperatures?,New progress in diamond synthesis,高温高压合成氨（NH3）1 kg 氮肥增产 10 kg 大米或小麦。中等规模合成氨工厂日产 1500 t 氨气，增产粮食可为3600万人提供食物。常温常压合成氨（NH3）？,C-1化学（合成气、天然气）,煤,煤/合成气,CO/CO2+H2,ZnO,CuO,Fe,ThO,Rh,Ru,一步法合成气直接合成二甲醚,Cu-Zn-Al 催化剂：CO+2H2 CH3OH酸性分子筛：2 CH3OH CH3OCH3,Cu-Zn-Al+酸性分子筛：CO+2H2 CH3OCH3,化学热力学简介主动设计、解决实际问题,试制新化学产品新型药物合成新型纳米材料,燃 料 电 池,化学热力学简介应用范围及局限性,特点及其利弊：宏观方法研究宏观性质（1）不研究内部结构（2）不涉及反应速率和机理（3）只研究大量分子集体宏观行为 利弊：（1）只知其然而不知所以然（2）只知趋势而不知现实（3）不涉及分子具体行为,普适性（伟大之处）,化学热力学简介 总结及展望,热力学不仅教给我们具体的科学知识，还介绍观察问题和分析问题的方法；能帮助我们树立正确的人生观、世界观。热力学并没有结束真理，而是开辟了认识真理的道路。,
