物理化学(绪论)课件.ppt

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1、0.1 物理化学的目的和内容,0.2 物理化学的研究方法,0.3 物理化学的建立与发展,0.4 近代化学的发展趋势和特点,0.5 物理化学课程的学习方法,物理化学 从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，借助数学和物理学的理论从而探求化学变化中具有普遍性的包含宏观到微观的基本规律（平衡规律和速率规律）。在实验方法上主要采用物理学中的方法。作为化学的理论基础，物理化学主要由化学热力学、统计热力学、化学动力学、结构化学四大支柱组成。,0.1 物理化学的目的和内容,研究目的 物理化学主要是为了解决生产实际和科学实验中向化学提出的理论问题，揭示化学变化的本质，更好地驾驭化学，使之为生产实际服务。,

2、如有机化学家应用动力学探索反应机理，应用结构化学知识研究反应中间体的结构和稳定性；无机化学家应用热力学原理研究无机材料的性质及稳定性；分析化学家应用光谱分析确定未知样品的组成。,生物化学家应用动力学研究酶反应,应用热力学原理研究生物能、渗透作用、膜平衡及确定生物大分子的分子量。材料科学家利用热力学原理去判断各种材料的稳定性及合成某种新材料的可能性，应用光谱方法确定材料的结构和性能，应用动力学、统计热力学原理去研究聚合反应等。,总之，物理化学为生产实践和科学实验提供了理论指导，从而使化学能更好地为生产实践服务。,物理化学的研究内容：(1)化学热力学 研究化学变化过程（包括相变过程）的能量转换及化

3、学变化的方向和限度问题；,一个化学反应在指定的条件下能否朝着预定的方向进行？若该反应能够进行，则它将达到什么限度(如理论转化率是多少)?外界条件如温度、压力、浓度等对反应有什么影响？如何控制外界条件朝着人们预定的方向进行？在反应中能量的变化关系怎样？如此等等。研究这类问题均属于化学热力学范畴。主要解决变化的方向及与平衡（即限度）有关的一些问题。,(2)化学动力学 研究化学反应的速率和机理问题及影响速率的因素；,这类问题属于化学动力学范畴，一是从宏观上研究浓度、温度、催化剂等外界条件对速率的影响，二是从微观上研究反应的机理（也称为反应历程，即反应的详细途径）。这部分内容主要考虑时间因素。,(3)

4、统计热力学,用统计力学和量子力学方法研究平衡与速率的规律。它是联系物质微观与宏观上平衡与速率规律的桥梁。,(4)物质结构 物质的性质与其结构之间的关系问题。,通过量子力学原理从微观的角度来探讨化学键的本质，并通过对分子的电性质、磁性质和分子光谱的实验测定，来研究物质结构和性能间的关系。根据目前的教学计划，这一部分另设课讲授，本书不讨论。,物理化学的目的,一个化学工业过程可以表示为：,从原料到反应物，温度压力或形态都可能有别，这一过程一般是物理过程，可称为预处理过程。此过程主要涉及能量交换问题，具体规律服从热力学第一、第二定律。,第二过程是化学过程，反应在什么T,p下进行？能量如何变化，转化率或

5、产率多高？这些由热力学中热化学与化学平衡规律决定；化学反应的快慢，是否需要催化剂，由化学动力学规律所决定。,原料(T0,p0)反应物(T,p)产物(T,p)产品(T0,p0),第三过程主要是分离提纯的过程，气液组分涉及到蒸馏、精馏和萃取等操作过程，液固组分涉及到结晶、过滤和干燥等操作过程。这些操作都服从热力学中的相平衡规律。,在化学过程中，除了热反应外，还有电化学反应，服从物理化学中的电化学规律。一些特殊反应，如光化反应、催化反应，都在动力学中介绍。在物理或化学变化中若产生表面效应，其相关的规律将在表面化学中介绍，研究体系高度分散后的性质及相关规律，这将在胶体化学中介绍。,原料(T0,p0)反

6、应物(T,p)产物(T,p)产品(T0,p0),通过对物理化学内容的介绍和对化学工业过程的分析，我们清晰地看到物理化学的目的是为了解决生产实际和科学实验中向化学提出的理论问题，揭示化学变化的本质，更好地驾驭化学，使之为生产实际服务。,物理化学是阐述化学工业及相关工业全过程物理及化学普遍性规律的一门学科。,结论,C(石墨)C(金刚石),实现转变，热力学计算可得：298K1.5104P,0.2 物理化学的研究方法,（1）一般化学科学研究的基本程序都遵循“实验经验规律假说理论实践”的认识过程，分别采用归纳法和演绎法，即从众多实验事实概括到一般，再从一般推理到个别的思维过程。如从理想气体状态方程的提出

7、到范德华方程的建立就是遵循上述方法的。,（2）综合应用微观与宏观的研究方法，主要有：热力学方法、统计力学方法、量子力学方法、演绎归纳方法。,热力学方法：,是宏观的方法，其研究对象是由 众多质点组成的宏观体系，它以热力学三大定律为基础，用一系列体系的宏观性质（热力学函数）及其变量描述体系从始态到终态的宏观变化，而不涉及变化的细节和速率。经典热力学方法只适用于平衡体系。现在的研究方向正由平衡态向非平衡态转变。,统计力学方法：,它主要是运用微观研究手段，把统计描述与量子力学原理结合起来，用概率规律计算出体系内部大量质点微观运动的平均结果，从而解释宏观现象并能计算一些热力学量，从本质上了解它们的性质。

8、,量子力学方法：用量子力学的基本方程（E.Schrodinger方程）求解组成体系的微观粒子之间的相互作用及其规律，从而揭示物性与结构之间的关系。,实验方法：,热力学方法：,例如：P、T、V的测定、热效应的测定、表面张力、粘度等的测定，相平衡、界面平衡的研究。,电磁学方法：,电化学中的各种测定，偶极矩、磁化率的测定，各种磁共振的测定和应用。,光学方法：,旋光、折射率的测定，各种光谱的研究（如紫外、红外、光电子能谱等）,原子物理学方法：,放射性物质的研究和物质结构的分析、同位素的应用、质谱分析等等。,化学分析方法：,例如，用普通的分析方法或仪器分析的方法，测定平衡体系的组成等。,由此可见，物理化

9、学的实验手段大部分都是物理的方法。,演绎法和归纳法,为了形成抽象概念和抽象理想体系，物理化学中还常常用形式逻辑方法，如归纳和演绎。,归纳法是根据大量已知的事实概括出一般的结论(如定律、公式、原理)的一种逻辑推理方法，其特点是从特殊到一般。物理化学课程中介绍的气体定律，热力学第一、二定律，质量作用定律，拉乌尔定律等都是应用归纳法总结出来的。演绎法则是从一般到特殊的逻辑推理方法，这种方法在预知未知的事实，提出假说方面具有特殊的功效。,归纳法与演绎法既有区别又有联系，归纳是演绎的基础，而演绎又常作为归纳的前导。因此，在物理化学实际的推理时，归纳法和演绎法常常综合应用。,物理化学的形成可以追朔到欧洲工

10、业革命蓬勃发展的18世纪。必须把物理现象和化学现象统一起来，并作为一个独立的科学领域进行研究的想法，早在200多年前就提出了。,0.3 物理化学的建立与发展,十八世纪开始萌芽：从燃素说到能量守恒与转化 定律。俄国科学家罗蒙诺索夫1752年最早使用“物理化学”这一术语。他写道“物理化学是以物理学的原理和实验为基础，对混合体中进行化学作用时发生的现象加以阐述的科学。”,这一时期，为了得到定量规律，道尔顿等人在研究化学现象时，开始用最简单的物理方法，确立了物质质量守恒定律和倍比定律。在电化学领域伏打、法拉第进行了最初的研究。,19世纪初1804年道尔顿的原子论诞生。1807年阿佛加德罗的分子论初建立

11、。,19世纪中叶以后，物理化学中又产生了一些独立的分支，并得到了巩固。1838年盖斯确立了热量守恒定律，这个定律促使了热化学科学的建立。,卡诺、焦耳、克劳修斯、汤姆逊等热力学两个基本定律的发现，对物理化学的发展起到了重要作用。,吉布斯建立了关于相平衡和化学平衡的热力学理论。1869年门捷列夫发现了元素周期律等等对物质的化学本性与其物理性质相互联系的概念之形成起了重大影响。,在同一时期，范特荷甫和阿累尼乌斯详尽地研究了经典的化学动力学理论。,而希尔霍夫、科尔劳斯、纳恩斯特的研究工作则构成了电化学的核心。,十九世纪中叶形成：1887年俄国科学家W.Ostwald（18531932）和荷兰科学家J.

12、H.vant Hoff（18521911）合办了第一本“物理化学杂志”（德文）。,20世纪初是物理化学发展的新阶段，是与量子理论和波动学（玻尔、普朗克、薛定谔、保里）的创立联系在一起的。应用了量子力学的方法，物理学家和物理化学家在研究分子结构、晶体结构和认识化学键的本性方面，取得了显著成果。20世纪物理化学发展趋势是涉及化学的各个领域。,二十世纪迅速发展：新测试手段和新的数据处理方法不断涌现，形成了许多新的分支学科，如：热化学，化学热力学，电化学，溶液化学，胶体化学，表面化学，化学动力学，催化作用，量子化学和结构化学等。,0.4近代化学的发展趋势和特点,(1)从宏观到微观,(2)从体相到表相,

13、(3)从定性到定量,(4)从单一学科到交叉学科,(5)从研究平衡态到研究非平衡态,单用宏观的研究方法是不够的，只有深入到微观，研究分子、原子层次的运动规律，才能掌握化学变化的本质和结构与物性的关系。,(1)从宏观到微观,在多相体系中，化学反应总是在表相上进行，随着测试手段的进步，人们迫切希望了解表相反应的实际过程，这也进一步推动了表面化学和多相催化的发展。,(2)从体相到表相,(3)从定性到定量,随着计算机技术的飞速发展，大大缩短了数据处理的时间，并可进行人工模拟和自动记录，使许多以前只能 做定性研究的课题现在可进行定量监测。,(4)从单一学科到交叉学科,化学学科与其他学科以及化学内部更进一步

14、相互渗透、相互结合，形成了许多极具生命力的交叉科学，如生物化学、海洋化学、地球化学、天体化学、计算化学、金属有机化学、物理有机化学等。,(5)从研究平衡态到研究非平衡态,经典热力学只研究平衡态和封闭体系或孤立体系，然而对处于非平衡态的开放体系的研究更具有实际意义，自1960年以来，逐渐形成了非平衡态热力学这个学科分支。,物理化学是一门研究物质性质及物质变化普遍规律的专业基础理论课程，因此凡是要促使物质发生变化以及转变为具有优良性质的产品的许多专业如化学、化工、应化、高分子、轻工、冶金、环境等专业，都必须将物理化学课程的学习放在重要的地位。,0.5 物理化学课程的学习方法,因物理化学涉及的是化学

15、、化工过程中一些普遍规律，从某种意义上说就比较抽象，又因为学习物化是为了指导对具体过程的认识和开发，各具体过程又千变万化，所以使用时又显得比较灵活。,(1)要注意各物理量定义的准确性，要反复体会定义建立的条件，这直接影响到在各条件下能否正确使用这些定义来解决问题。,(2)物化是运用数学较多的一门化学课，如果把一些推导过程、数学分析当作纯数学来对待而脱离了各数学过程的物理意义，可能一看就会，但用起来常常出错，必须要理解数学分析、推导中包含在物理意义。,(3)物化内容的逻辑性很强，内容前后联系密切，因此学习中千万不要积累问题，有问题时要及时解决。,(4)物化涉及的是化学化工的一些普遍规律，而各具体的过程条件中千变万化，因此在用于各种具体的过程时，要灵活、要经常的思考，会举一反三，学会总结，千万不要死记硬背，在理解的基础上学、记、用。所以它也是检验一个学生逻辑思维能力、分析问题和解决问题的能力的大小。与学习无机、有机、分析方法不同。,（7）重视实验，把实验课看成是提高自己动手能力和独立工作能力的一个重要环节。,