物理化學(xué)(緒論)

1、碰 撞 理 論 過 渡 態(tài) 理 論 單 分 子 反 應(yīng) 習(xí) 題 課 引 言 反 應(yīng) 速 率 公 式 簡 單 級(jí) 數(shù) 反 應(yīng) 反 應(yīng) 級(jí) 數(shù) 測(cè) 定 溫 度 影 響 動(dòng)力學(xué)緒論 緒論0.1 物理化學(xué)的目的和內(nèi)容0.2 物理化學(xué)的研究方法0.3 物理化學(xué)的建立與發(fā)展0.4 近代化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)0.5 物理化學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法 物理化學(xué) 從研究化學(xué)現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系入手，借助數(shù)學(xué)和物理學(xué)的理論從而探求化學(xué)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(shí)驗(yàn)方法上主要采用物理學(xué)中的方法。 作為化學(xué)的理論基礎(chǔ)，物理化學(xué)主要由化學(xué)熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)四大

2、支柱組成。0.1 物理化學(xué)的目的和內(nèi)容研究目的 物理化學(xué)主要是為了解決生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中向化學(xué)提出的理論問題，揭示化學(xué)變化的本質(zhì)，更好地駕馭化學(xué)，使之為生產(chǎn)實(shí)際服務(wù)。如有機(jī)化學(xué)家應(yīng)用動(dòng)力學(xué)探索反應(yīng)機(jī)理，應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)研究反應(yīng)中間體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；無機(jī)化學(xué)家應(yīng)用熱力學(xué)原理研究無機(jī)材料的性質(zhì)及穩(wěn)定性；分析化學(xué)家應(yīng)用光譜分析確定未知樣品的組成。 生物化學(xué)家應(yīng)用動(dòng)力學(xué)研究酶反應(yīng),應(yīng)用熱力學(xué)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(xué)家利用熱力學(xué)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(yīng)用光譜方法確定材料的結(jié)構(gòu)和性能，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)原理去研究聚合反應(yīng)等?？傊?/p>

3、，物理化學(xué)為生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)，從而使化學(xué)能更好地為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。物理化學(xué)的研究內(nèi)容： (1)化學(xué)熱力學(xué) 研究化學(xué)變化過程（包括相變過程）的能量轉(zhuǎn)換及化學(xué)變化的方向和限度問題； 一個(gè)化學(xué)反應(yīng)在指定的條件下能否朝著預(yù)定的方向進(jìn)行？若該反應(yīng)能夠進(jìn)行，則它將達(dá)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(duì)反應(yīng)有什么影響？如何控制外界條件朝著人們預(yù)定的方向進(jìn)行？在反應(yīng)中能量的變化關(guān)系怎樣？如此等等。研究這類問題均屬于化學(xué)熱力學(xué)范疇。主要解決變化的方向及與平衡（即限度）有關(guān)的一些問題。(2)化學(xué)動(dòng)力學(xué) 研究化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理問題及影響速率的因素； 這類問題屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)

4、范疇，一是從宏觀上研究濃度、溫度、催化劑等外界條件對(duì)速率的影響，二是從微觀上研究反應(yīng)的機(jī)理（也稱為反應(yīng)歷程，即反應(yīng)的詳細(xì)途徑）。這部分內(nèi)容主要考慮時(shí)間因素。(3) 統(tǒng)計(jì)熱力學(xué) 用統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)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(guān)系問題。 通過量子力學(xué)原理從微觀的角度來探討化學(xué)鍵的本質(zhì)，并通過對(duì)分子的電性質(zhì)、磁性質(zhì)和分子光譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系。根據(jù)目前的教學(xué)計(jì)劃，這一部分另設(shè)課講授，本書不討論。物理化學(xué)的目的 一個(gè)化學(xué)工業(yè)過程可以表示為：從原料到反應(yīng)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(yù)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(xué)第一、第二定律。 第二過程是化學(xué)過程，反應(yīng)在什么T,p下進(jìn)行？能量如何變化，轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率多高？這些由熱力學(xué)中熱化學(xué)與化學(xué)平衡規(guī)律決定；化學(xué)反應(yīng)的快慢，是否需要催化劑，由化學(xué)動(dòng)力學(xué)規(guī)律所決定。原料(T0,p0)反應(yīng)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(xué)中的相平衡規(guī)律。 在化學(xué)過程中，除了熱反應(yīng)外，還有電化學(xué)反應(yīng)，服從物理化學(xué)中的電化學(xué)規(guī)律。一些特殊反應(yīng)，如光化反應(yīng)、催化反應(yīng)，都在動(dòng)力

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

7、“實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律假說理論實(shí)踐”的認(rèn)識(shí)過程，分別采用歸納法和演繹法，即從眾多實(shí)驗(yàn)事實(shí)概括到一般， 再從一般推理到個(gè)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(yīng)用微觀與宏觀的研究方法，主要有：熱力學(xué)方法、統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法、量子力學(xué)方法、演繹歸納方法。熱力學(xué)方法： 是宏觀的方法，其研究對(duì)象是由 眾多質(zhì)點(diǎn)組成的宏觀體系，它以熱力學(xué)三大定律為基礎(chǔ)，用一系列體系的宏觀性質(zhì)（熱力學(xué)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(xì)節(jié)和速率。經(jīng)典熱力學(xué)方法只適用于平衡體系。現(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(jì)力學(xué)方法： 它主要是運(yùn)用微觀研究手段，把

8、統(tǒng)計(jì)描述與量子力學(xué)原理結(jié)合起來， 用概率規(guī)律計(jì)算出體系內(nèi)部大量質(zhì)點(diǎn)微觀運(yùn)動(dòng)的平均結(jié)果，從而解釋宏觀現(xiàn)象并能計(jì)算一些熱力學(xué)量，從本質(zhì)上了解它們的性質(zhì)。量子力學(xué)方法： 用量子力學(xué)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(guān)系。實(shí)驗(yàn)方法： 熱力學(xué)方法： 例如：P、T、V的測(cè)定、熱效應(yīng)的測(cè)定、表面張力、粘度等的測(cè)定，相平衡、界面平衡的研究。電磁學(xué)方法： 電化學(xué)中的各種測(cè)定，偶極矩、磁化率的測(cè)定，各種磁共振的測(cè)定和應(yīng)用。光學(xué)方法： 旋光、折射率的測(cè)定，各種光譜的研究（如紫外、紅外、光電子能譜等）原子物理學(xué)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(yīng)用、質(zhì)譜分析等等?；瘜W(xué)分析方法： 例如，用普通的分析方法或儀器分析的方法，測(cè)定平衡體系的組成等。 由此可見，物理化學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)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(diǎn)是從特殊到一般。物理化學(xué)課程中介紹的氣體定律，熱力學(xué)第一、二定律，質(zhì)量作用定律，拉烏爾定律等都是應(yīng)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(yù)知未知的事實(shí)，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(chǔ)，而演繹又常作為歸納的前導(dǎo)。因此，在物理化學(xué)實(shí)際的推理時(shí)，歸納法和演繹法常常綜合應(yīng)用。 物理化學(xué)的形成可以追朔到歐洲工業(yè)革命蓬勃發(fā)展的18世紀(jì)。必須把物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一起來，并作為一個(gè)獨(dú)立的科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究的想法，早在200多年前就提出了。0.3 物理化學(xué)的建立與發(fā)展十八世紀(jì)開始萌芽：從燃素說到能量守恒與轉(zhuǎn)化 定律。俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫1752年最早使用“物理化學(xué)”這一術(shù)語。他寫道“物理化學(xué)是以物理學(xué)的原理和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)混合體中進(jìn)行化學(xué)作用時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象加以闡述的科學(xué)?！?這一時(shí)期，為了得到定量規(guī)律，道爾頓等人在研究化學(xué)現(xiàn)象時(shí)，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(xué)領(lǐng)域伏打、法拉第進(jìn)行了最初的研究。 19世紀(jì)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(jì)中葉以后，物理化學(xué)中又產(chǎn)生了一些獨(dú)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(gè)定律促使了熱化學(xué)科學(xué)的建立。 卡諾、焦耳、克勞修斯、湯姆遜等熱力學(xué)兩個(gè)基本定律的發(fā)現(xiàn)，對(duì)物理化學(xué)的發(fā)展起到了重要作用。 吉布斯建立了關(guān)于相平衡和化學(xué)平衡的熱力學(xué)理論。1869年門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律等等對(duì)物質(zhì)的化學(xué)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(shí)期，范特荷甫和阿累尼烏斯詳盡地研究了經(jīng)典的化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(xué)的核心。十九世紀(jì)中葉形成：1887年俄國科學(xué)家W.Ostwald （18531932）和荷蘭科學(xué)家J.H.vant Hoff （18521911）合辦了第一本“物理化學(xué)雜志”（德文）。 20世紀(jì)初是物理化學(xué)發(fā)展的新階段，是與量子理論和波動(dòng)不（玻爾、普朗克、薛定諤、保里）的創(chuàng)立聯(lián)系在一起的。應(yīng)用了量子力學(xué)的方法，物理學(xué)家和物理化學(xué)家在研究分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵的本性方面，取得了顯著成果。20世紀(jì)物理化學(xué)發(fā)展趨勢(shì)是涉及化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。二十世紀(jì)迅速發(fā)展：新測(cè)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(xué)科，如：熱化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)，電化學(xué)，溶液化學(xué)，膠體

13、化學(xué)，表面化學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，催化作用，量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)等。0.4近代化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)(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(xué)科到交叉學(xué)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，才能掌握化學(xué)變化的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系。(1) 從宏觀到微觀 在多相體系中，化學(xué)反應(yīng)總是在表相上進(jìn)行，隨著測(cè)試手段的進(jìn)步，人們迫切希望了解表相反應(yīng)的實(shí)際過程，這也進(jìn)一步推動(dòng)了表面化學(xué)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，大大縮短了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，并可進(jìn)行人工模擬和自動(dòng)記

14、錄，使許多以前只能 做定性研究的課題現(xiàn)在可進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)。(4) 從單一學(xué)科到交叉學(xué)科 化學(xué)學(xué)科與其他學(xué)科以及化學(xué)內(nèi)部更進(jìn)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(xué)，如生物化學(xué)、海洋化學(xué)、地球化學(xué)、天體化學(xué)、計(jì)算化學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)、物理有機(jī)化學(xué)等。(5)從研究平衡態(tài)到研究非平衡態(tài) 經(jīng)典熱力學(xué)只研究平衡態(tài)和封閉體系或孤立體系，然而對(duì)處于非平衡態(tài)的開放體系的研究更具有實(shí)際意義，自1960年以來，逐漸形成了非平衡態(tài)熱力學(xué)這個(gè)學(xué)科分支。 物理化學(xué)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(chǔ)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(xué)、化工、應(yīng)化、高分子、

15、輕工、冶金、環(huán)境等專業(yè)，都必須將物理化學(xué)課程的學(xué)習(xí)放在重要的地位。0.5 物理化學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法 因物理化學(xué)涉及的是化學(xué)、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?yàn)閷W(xué)習(xí)物化是為了指導(dǎo)對(duì)具體過程的認(rèn)識(shí)和開發(fā)，各具體過程又千變?nèi)f化，所以使用時(shí)又顯得比較靈活。(1) 要注意各物理量定義的準(zhǔn)確性，要反復(fù)體會(huì)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(yùn)用數(shù)學(xué)較多的一門化學(xué)課，如果把一些推導(dǎo)過程、數(shù)學(xué)分析當(dāng)作純數(shù)學(xué)來對(duì)待而脫離了各數(shù)學(xué)過程的物理意義，可能一看就會(huì)，但用起來常常出錯(cuò)，必須要理解數(shù)學(xué)分析、推導(dǎo)中包含在物理意義。(3) 物化內(nèi)容的邏輯性很強(qiáng)

16、，內(nèi)容前后聯(lián)系密切，因此學(xué)習(xí)中千萬不要積累問題，有問題時(shí)要及時(shí)解決。(4) 物化涉及的是化學(xué)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(shí)，要靈活、要經(jīng)常的思考，會(huì)舉一反三，學(xué)會(huì)總結(jié)，千萬不要死記硬背，在理解的基礎(chǔ)上.學(xué)、記、用。所以它也是檢驗(yàn)一個(gè)學(xué)生邏輯思維能力、分析問題和解決問題的能力的大小。與學(xué)習(xí)無機(jī)、有機(jī)、分析方法不同。 (5)盡管物化理論性較強(qiáng)，但它仍是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，所以要重視各實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)當(dāng)然是一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，另外習(xí)題、習(xí)題課、討論課也，在一定程度上也是一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在學(xué)習(xí)中應(yīng)充分重視，不要以習(xí)題做的結(jié)果與答案相同而滿足，而要訓(xùn)練自己的思路、能闡明每一步的根據(jù)及道理，要訓(xùn)練自己運(yùn)用理論來判斷錯(cuò)誤的概念及方法的能力。有的題目可能有多種解法，有時(shí)有的題目可能