理工科專業(yè)《物理化學》教學大綱

理工科專業(yè)《物理化學》教學大綱課程編號：D1013156英文譯名：PhysicalChemistry課程性質(zhì)：核心課程適用專業(yè)、年級：化工、材料、生工、環(huán)境等專業(yè)，2年級下學期、3年級上學期開課學院及教研室：化學與分子工程學院物理化學教研室學分數(shù)：6學分總學時數(shù)：96學時理論課學時：96學時要求先修課程：高等數(shù)學、大學物理、現(xiàn)代基礎化學教材：《物理化學》（第四版和第五版），胡英主編，高等教育出版社，1999年和2007年參考書：1.教材中所列參考書2.《物理化學教學與學習指南》，黑恩成史濟斌等編，北京：高等教育出版社，20103.《物理化學參考》，胡英主編，北京：高等教育出版社，20034.《物理化學導讀》，劉國杰黑恩成，北京：科學出版社，20085.《物理化學釋疑》，劉國杰黑恩成，北京：科學出版社，2010一、本課程的地位、作用和任務物理化學是化學科學中的一個學科，是整個化學科學和化學工藝學的理論基礎。它運用數(shù)學、物理學等基礎科學的理論和實驗方法，研究化學變化包括相變化和pVT變化中的平衡規(guī)律和速率規(guī)律，以及這些規(guī)律與物質(zhì)微觀結構的關系。為后繼專業(yè)課程如化工原理、分離工程、反應工程、化學工藝學等提供更直接的理論基礎，起著承上啟下的樞紐作用。學習物理化學的目的有兩個：一是掌握物理化學的基本知識，加強對自然現(xiàn)象本質(zhì)的認識，并為與化學有關的技術科學的發(fā)展提供基礎；二是學習物理化學的科學思維方法，培養(yǎng)獲得知識及用所學知識解決實際問題的能力。二、教學基本要求說明:胡英院士按照“教材是教學的主要參考書”的理念和以上教材內(nèi)容框架，主編了《物理化學》第四版和第五版教材，將教材內(nèi)容分為五篇18章。本團隊根據(jù)當今我國高等教育的要求，參照原教育部化學基礎課程教學指導委員會確定的化學課程教學基本內(nèi)容，從中選取了10章作為教學基本內(nèi)容，教學總學時數(shù)為96學時/學年。這些內(nèi)容與國內(nèi)兄弟院校的同類課程內(nèi)容相一致。第1章物質(zhì)的pVT關系和熱性質(zhì)（8學時）：1.理解pVT關系和熱性質(zhì)是物質(zhì)的兩類基本的宏觀平衡性質(zhì)。它們是分子的熱運動和分子間的相互作用在宏觀上的反映。2.掌握系統(tǒng)、環(huán)境、狀態(tài)、平衡態(tài)、狀態(tài)函數(shù)、強度性質(zhì)、廣延性質(zhì)等基本概念，以及反映物質(zhì)pVT關系的狀態(tài)方程。3.對于pVT關系的實驗規(guī)律：要求掌握流體的pVT狀態(tài)圖、pV圖和壓縮因子圖的特點，氣液相變和氣液臨界現(xiàn)象的特征，以及飽和蒸氣壓、沸點和臨界參數(shù)的物理意義。要求理解包括氣液固三相的pVT狀態(tài)圖，掌握pT相圖的特點以及三相點的意義，理解穩(wěn)定平衡和亞穩(wěn)平衡的區(qū)別和聯(lián)系。4.對于pVT關系的半經(jīng)驗方法：先復習范德華方程。進而理解它對氣液相變的應用。了解什么是雙節(jié)線，什么是旋節(jié)線。理解普遍化范德華方程。了解pVT關系的普遍化計算方法和對應狀態(tài)原理。5.掌握熱力學第一定律和功、熱、熱力學能、焓等的定義和相互關系，理解QV=ΔU、Qp=ΔH的適用條件和應用，及熱力學標準狀態(tài)的概念和意義。6.對于各類熱性質(zhì),掌握標準摩爾定容熱容、標準摩爾定壓熱容、標準摩爾相變焓、標準摩爾生成焓、標準摩爾燃燒焓和標準熵的定義和應用。7.了解熱性質(zhì)的實驗測定原理和方法以及一些半經(jīng)驗方法。8.知道研究pVT關系和熱性質(zhì)的理論方法，要涉及統(tǒng)計力學和量子力學內(nèi)容。第2章熱力學定律和熱力學基本方程（14學時）：1.理解熱力學第二定律的建立過程。理解由熱力學第二定律演繹得出的三個結論，即熱力學溫標、存在一個狀態(tài)函數(shù)熵以及熵增原理。理解引入亥姆霍茲函數(shù)和吉布斯函數(shù)的意義。2.掌握在克勞修斯不等式基礎上得出的可逆性判據(jù)或不可逆程度的度量。3.掌握熱力學基本方程，理解由此得出的各種偏導數(shù)關系式。理解熱力學基本方程是化學熱力學理論框架的中心。4.理解在解決實際問題時，既需要熱力學理論所提供的普遍規(guī)律，也需要物質(zhì)的特性，即pVT關系和熱性質(zhì)。5.掌握理想氣體pVT變化中熱力學函數(shù)變化的計算。了解非理想氣體包括液體和固體pVT變化中熱力學函數(shù)變化的計算。6.掌握可逆相變化和不可逆相變化中熱力學函數(shù)變化的計算。7.理解熱力學第三定律的建立過程，理解標準熵的含義。了解得到標準熵的方法。8.掌握化學變化中熱力學函數(shù)變化的計算。9.理解可逆性判據(jù)與平衡判據(jù)的聯(lián)系，并用它們判斷過程的方向和限度。10.掌握克拉佩龍–克勞修斯方程的推導和應用。第3章多組分系統(tǒng)的熱力學，逸度和活度（9學時）：理解偏摩爾量的定義與物理意義，理解集合公式和吉布斯–杜亥姆方程，了解偏摩爾量的實驗測定。2.理解化學勢的定義，掌握組成可變的均相多組分系統(tǒng)和多相多組分系統(tǒng)的熱力學基本方程，理解它們是多組分系統(tǒng)熱力學的中心。3.理解用化學勢表達的適用于相變化和化學變化的平衡判據(jù)，掌握熱平衡條件、力平衡條件、相平衡條件和化學平衡條件。4.理解相律的推導，掌握相律的內(nèi)容及其應用。5.理解逸度和逸度參考狀態(tài)的概念，能用逸度表示混合物中組分的化學勢。了解逸度因子的求法。6.理解理想混合物和理想稀溶液的概念，掌握拉烏爾定律、亨利定律及其應用。7.理解活度的概念，掌握選取活度參考狀態(tài)的慣例Ⅰ和慣例Ⅱ，能用活度表示液態(tài)(固態(tài))混合物中組分以及溶液中溶劑和溶質(zhì)的化學勢，能用混合物或溶液的蒸氣壓數(shù)據(jù)求組分的活度因子。8.了解選擇活度參考狀態(tài)的慣例Ⅲ和慣例Ⅳ。9.知道混合性質(zhì)和超額函數(shù)的概念。第4章相平衡（11學時）：1.對兩組分系統(tǒng)的氣液平衡相圖，要求掌握恒溫相圖和恒壓相圖中點、線、面的物理意義，會使用杠桿規(guī)則計算平衡時各相的量，理解精餾的原理。2.對兩組分系統(tǒng)的液液氣平衡相圖，要求掌握恒壓相圖中點、線、面的物理意義，會使用相律和杠桿規(guī)則，理解液相部分互溶系統(tǒng)的精餾。3.對兩組分系統(tǒng)的液固平衡相圖，了解用熱分析法和溶解度法制作相圖的方法，掌握幾種典型液固相圖的點、線、面的物理意義，會使用相律和杠桿規(guī)則，了解液固平衡相圖的一些實際應用。4.掌握相平衡計算的原理，了解各類型相平衡計算的內(nèi)容和方法。第5章化學平衡（6學時）：1.了解標準平衡常數(shù)的定義和特性。理解以逸度、分壓、濃度、活度、摩爾分數(shù)表示的平衡常數(shù)的形式和特性及與標準平衡常數(shù)的關系。2.理解化學反應等溫方程的推導，掌握用等溫方程判斷化學反應方向與限度的方法。3.了解同時平衡和反應耦合的概念。4.了解范特荷甫方程的推導，理解溫度對標準平衡常數(shù)的影響規(guī)律，掌握使用范特荷甫方程計算不同溫度下標準平衡常數(shù)的方法。5.熟練掌握用熱性質(zhì)數(shù)據(jù)計算標準平衡常數(shù)的方法。第6章化學動力學（12學時）：1.理解基元反應、復合反應，以及它們之間的關系。2.掌握化學反應速率的各種定義以及相互間的關系。3.理解反應分子數(shù)、級數(shù)、速率常數(shù)和速率系數(shù)的概念和含義。4.掌握零級、一級、二級、n級反應速率方程的特點以及它們的積分形式，了解它們的應用。5.掌握一級對峙反應、一級連串反應和一級平行反應的基本特點，了解它們的應用。6.掌握不同形式的阿侖尼烏斯方程及其應用，理解阿侖尼烏斯活化能和指前因子的含義。7.掌握利用實驗數(shù)據(jù)獲得動力學特征參數(shù)的積分法和微分法。8.了解快速反應的實驗方法。9.掌握由反應機理建立速率方程的近似方法——平衡態(tài)處理法和恒穩(wěn)態(tài)處理法。第7章獨立子系統(tǒng)的統(tǒng)計熱力學（8學時）：1.了解獨立子系統(tǒng)與相倚子系統(tǒng)的概念與區(qū)別。知道系統(tǒng)的微觀狀態(tài)的經(jīng)典力學描述與量子力學描述。2.知道在研究獨立子系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)時，平動能級、轉動能級、振動能級以及電子能級等，是需要輸入的物質(zhì)的微觀特性。3.理解統(tǒng)計力學的三個基本假定。4.理解獨立子系統(tǒng)的微觀狀態(tài)、分布和宏觀狀態(tài)間的關系。5.理解最概然分布可以代表平衡系統(tǒng)中一切分布的統(tǒng)計規(guī)律，掌握擷取最大項法。6.理解麥克斯韋–玻爾茲曼分布公式的不同表示形式及其適用條件。7.理解子配分函數(shù)的物理意義和析因子性質(zhì)。掌握雙原子分子的平動、轉動和振動配分函數(shù)的計算。8.掌握獨立子系統(tǒng)的熱力學函數(shù)與子配分函數(shù)的關系。理解能量按自由度均分原理和玻爾茲曼關系式。9.了解氣體標準摩爾熱容的統(tǒng)計力學計算方法，了解原子晶體熱容的愛因斯坦模型和德拜模型。第8章界面現(xiàn)象（10學時）：1.理解界面張力和單位界面過剩量的物理意義。理解定義界面過剩量的吉布斯方法。2.理解有界面相的系統(tǒng)的熱力學基本方程和平衡條件。理解熱力學函數(shù)與界面張力、界面面積和界面過剩量的關系。3.掌握拉普拉斯方程、開爾文方程以及吉布斯等溫方程的推導，理解其物理含義，并能應用它們來解釋彎曲界面兩邊的壓差、彎曲界面液體的飽和蒸氣壓、亞穩(wěn)平衡、正吸附和負吸附等重要界面現(xiàn)象。4.了解潤濕和鋪展等界面現(xiàn)象的熱力學基礎。5.知道獲得各類界面平衡特性的實驗方法、半經(jīng)驗方法和理論方法。6.理解氣體在固體表面的物理吸附和化學吸附概念，掌握蘭繆爾模型、BET多層吸附模型的物理意義和應用，理解毛細管凝結現(xiàn)象的原因。7.了解界面張力隨時間的變化。第9章電解質(zhì)溶液（7學時）：1.理解電解質(zhì)活度、離子活度、離子平均活度、溶劑活度和溶劑滲透因子的定義。了解它們的特點和變化規(guī)律。2.理解離子互吸理論的要點。了解在此基礎上發(fā)展的電解質(zhì)溶液理論的半經(jīng)驗方法。3.了解電解質(zhì)溶液活度應用的一些特點。4.理解電解質(zhì)溶液的導電機理。理解電遷移率、遷移數(shù)、電導率、摩爾電導率和離子摩爾電導率的定義和物理意義，以及它們間的相互關系。掌握遷移數(shù)的計算方法。5.了解電導測定對離解平衡的應用。第10章電化學（11學時）：1.理解電化學反應與一般化學反應的區(qū)別和聯(lián)系。2.理解電動勢、電池電勢、電池反應電勢、電池反應標準電勢和電池反應條件電勢的區(qū)別；理解電極電勢、電極反應電勢、電極反應標準電勢和電極反應條件電勢的區(qū)別。了解電池、電極和電極反應的書寫慣例，以及電極正負極性的確定等。3.理解電化學系統(tǒng)的熱力學基本方程、電化學勢和電化學平衡判據(jù)。4.掌握電池反應和電極反應的能斯特方程，掌握采用標準氫電極定義電極反應電勢和標準電勢的原理，掌握電池反應電勢和電極反應電勢的計算方法及應用。5.理解濃差電池的原理。三、本課程教學中需注意的問題1.在理工科的大學教學計劃中，自然科學理論教學大致上有兩個層次：一是通用理論層次，有數(shù)學、物理學、化學（含化學原理、無機化學、有機化學、分析化學、生物化學）、生物學、計算機科學等；二是專業(yè)理論層次。對于化學化工類來說，物理化學正處于兩個層次之間，它在通用層次的基礎上，進一步系統(tǒng)地闡述化學的理論，為后繼專業(yè)課程如高等無機、高等有機、高等物化、化工原理，分離工程、反應工程、化學工藝學等，提供更直接的理論基礎。因此可以說，在化學化工類教學計劃的各種自然科學理論課程中，物理化學課程居于承上啟下的樞紐地位。教師首先應對這樣的地位和作用有一個明確的認識。2.物理化學的整個內(nèi)容框架可以用“三個層次，兩個部分，三種方法”來概括。為使學生在整體框架上把握物理化學學科內(nèi)涵，并具有向縱深和前沿發(fā)展的扎實基礎，框架結構必須完整清晰，教學內(nèi)容可適當調(diào)節(jié)。因此，對于化工、材料、生工、環(huán)境等專業(yè)，第9章、第10章、第11章不列入教學基本要求，但可根據(jù)專業(yè)需要，由教師擇其要點介紹概貌。3.物理化學作為化學的理論基礎，雖然其內(nèi)容是相對穩(wěn)定的，但是仍在不斷發(fā)展。教學過程中，應貫徹“少而精、博而通”的教學原則，不斷注意知識的更新，突出知識的應用。同時積極采用多媒體教學手段，加大教學信息量，拓寬學生的知識面。四、關于學習本課程的幾點說明1.本課程每一章節(jié)都有與之對應的授課課件、全程授課錄像，部分章節(jié)中有習題作業(yè)及解答；2.每一章的第一節(jié)中均包含學習手冊一項,學習手冊中簡述了每一章的課程內(nèi)容、結構和關鍵知識點等