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1、绪绪 论论 一、什么叫物理化学（学科概念）一、什么叫物理化学（学科概念）n科科学学研研究究领领域域的的区区分分，主主要要是是根根据据研研究究对对象象的的特特殊殊性性来来确确定定的的。物物理理化化学学的的研研究究对对象象是是化化学学现现象象中中的的某某些些普普遍遍规规律律，属于化学学科范畴。属于化学学科范畴。n从从哲哲学学高高度度看看，任任何何较较高高级级（复复杂杂）的的运运动动形形式式都都包包含含相相对对较较低低级级（简简单单）的的运运动动形形式式。在在物物理理、化化学学、生生物物、社社会会运运动动形形式式中中，后后者者总总是是包包含含前前者者，即即任任何何的的化化学学反应总是伴随着某些物理过
2、程。反应总是伴随着某些物理过程。n需需要要指指出出的的是是上上述述提提到到的的“复复杂杂”与与“简简单单”是是指指运运动动形形式式之之别别，并并非非各各学学科科的的高高低、难易之分。低、难易之分。例如例如:n发发生生一一化化学学反反应应时时，总总有有热热量量的的吸吸收收或或放出：放出：u H2+O2 H2O 燃烧燃烧放热放热；u H2O H2+O2 1500C 部分部分吸热吸热分解；分解；n电电池池中中电电极极和和电电解解液液之之间间进进行行的的氧氧化化还还原反应伴随着原反应伴随着电流的产生；电流的产生；n双双原原子子分分子子分分解解反反应应发发生生的的必必要要条条件件是是：两两个个原原子子之
3、之间间的的 振振动动能能 超超过过一一定定限限度度时时，化学键才能断裂；化学键才能断裂；n两两种种物物质质之之间间的的化化学学反反应应，通通常常必必须须经经过两种物质分子之间的过两种物质分子之间的 碰撞碰撞 才能发生。才能发生。n这这种种例例子子还还很很多多，化化学学现现象象和和物物理理现现象象总是紧密地联系着的。总是紧密地联系着的。“物理化学物理化学”定定义义 n物物理理化化学学是是研研究究化化学学现现象象和和物物理理现现象象之之间间的的相相互互联联系系，用用物物理理手手段段（如如：热热、功功、压压力力、温温度度等等的的测测量量）来来研研究究化化学学现现象象，以以便便找找出出化化学学过过程程
4、中中某某些些最最具具普普遍性的一般规律的科学。遍性的一般规律的科学。二、目的与意义二、目的与意义 n物物理理化化学学学学科科的的产产生生与与发发展展是是为为了了解解决决生生产产实实践践和和科科学学实实验验中中对对化化学学现现象象提提出出的的一一些些理理论论问问题题，从从而而在在理理论论上上指指导导人人们们更更好好地地利利用用化化学学反反应应来来造造福福人类。人类。哪些理论问题呢？主要有以下三个方面：哪些理论问题呢？主要有以下三个方面：n化学反应的方向和限度问题；化学反应的方向和限度问题；n化学反应进行的速度和机理问题化学反应进行的速度和机理问题 ；n物质的性质与其结构之间的关系问题。物质的性质
5、与其结构之间的关系问题。1.1.化学反应的方向和限度化学反应的方向和限度在给定条件下，一个化学反应能否自发在给定条件下，一个化学反应能否自发进行，向什么方向进行，进行到什么程进行，向什么方向进行，进行到什么程度就不能进行了？外界条件对反应的方度就不能进行了？外界条件对反应的方向和平衡的位置有什么影响等等。向和平衡的位置有什么影响等等。这这些些问问题题的的研研究究，属属于于物物理理化化学学的的一一个个分支分支 化学热力学化学热力学 (上册的主要内容上册的主要内容)2.化学反应进行的速度和机理化学反应进行的速度和机理n化化学学反反应应的的速速度度有有多多快快，反反应应过过程程究究竟竟是是如如何何进
6、进行行的的（即即反反应应的的机机理理），外外界界条条件件（如如浓浓度度、温温度度、催催化化剂剂等等）对对反反应应速速度度、机机理理有有何何影影响响，如如何何控控制制反反应应的进行（快、慢控制）。的进行（快、慢控制）。n这这些些问问题题的的研研究究，属属于于物物理理化化学学的的另另一一个分支个分支 化学动力学化学动力学（在下册）。（在下册）。n下下册册内内容容中中的的电电化化学学部部分分就就是是运运用用化化学学热热力力学学、动动力力学学来来研研究究化化学学电电极极反反应应与与电电现现象象（如如电电动动势势、电流）之间的关系。电流）之间的关系。3.物质的性质与其结构之间的关系物质的性质与其结构之间
7、的关系 n现现代代科科学学技技术术的的发发展展要要求求化化学学（合合成成）能能提提供供具具有有特特殊殊性性能能的的材材料料，如如耐耐高高温温、高高压压材材料料；耐耐腐腐蚀蚀材材料料；如如超超导导材材料料、纳米材料。纳米材料。n这这就就需需要要人人们们根根据据物物质质结结构构的的知知识识，在在合合成成所所需需性性能能的的新新材材料料方方面面提提供供方方向向和和线索；线索；n要要了了解解化化学学热热力力学学和和动动力力学学的的本本质质问问题题，必必须须了了解解物物质质的的内内部部结结构构，这这些些问问题题的的研究是物理化学的另一分支研究是物理化学的另一分支 物质结构物质结构。以以上上这这些些问问题
8、题的的研研究究和和解解决决，是是实实现现化化学学、化化工工新新工工艺艺的的理理论论基基础础；物物理理化化学学的的研研究究成成果果，对对现现代代基基本本化化学学工工业业的的整整个个生生产产过过程的建立，起到重要的作用。程的建立，起到重要的作用。例如：例如：在在接接触触法法制制备备硫硫酸酸；氨氨的的合合成成和和氧氧化化；有有机机合合成成工工业业；化化学学纤纤维维工工业业；合合成成橡橡胶胶工工业业；冶冶金金、石石油油、建建材材、农农药药生生产产等等中中，物理化学研究成果起到重要的作用。物理化学研究成果起到重要的作用。当当然然，生生产产实实际际往往往往比比较较复复杂杂，它它需需要要物物理理、化化学学、
9、化化工工以以及及其其他他学学科科知知识识的的综综合合运用。运用。物物理理化化学学课课程程通通常常又又有有所所谓谓 “大大物物化化”、“小物化小物化”之分。之分。“大大物物化化”包包括括物物质质结结构构的的内内容容，其其中中又又包包括括量量子子化化学学等等理理论化学。论化学。“小小物物化化”不不包包括括物物质质结结构构(本本课课程程)。三、物理化学与其他化学课程的联系三、物理化学与其他化学课程的联系 n所所谓谓“四四大大化化学学”（无无机机、有有机机、分分析析、物物化化），它它们们均均有有各各自自的的特特殊殊研研究究对对象象和目的。和目的。n物物理理化化学学是是研研究究化化学学过过程程中中普普遍
10、遍性性的的更更本本质质的的内内在在规规律律性性，无无机机化化学学、有有机机化化学学和和分分析析化化学学在在解解决决具具体体问问题题时时，常常常常需利用物理化学知识和方法。需利用物理化学知识和方法。n例例如如：在在无无机机化化学学中中涉涉及及的的 “电电子子云云”、“化化学学键键”的的概概念念，化化学学反反应应“平平衡衡常常数数”的概念等。的概念等。n物物理理化化学学所所研研究究的的具具体体对对象象包包含含无无机机或或有有机机体体系系，也也需需运运用用有有关关分分析析化化学学的的知知识识。因因此此，物物理理化化学学与与其其他他三三大大化化学学课课程有密切联系。程有密切联系。四、物理化学发展概况四
11、、物理化学发展概况n物物理理化化学学学学科科从从1919世世纪纪初初发发展展至至今今仍仍然然相相当当活活跃跃。国国际际、国国内内有有关关物物理理化化学学的的期期刊刊也也很很多多。例例如如：J.Phys.Chem.；化化学学物物理理学报（科大学报（科大3 3系）等。系）等。n化化学学热热力力学学（上上册册）部部分分其其数数学学逻逻辑辑性性较较强强，发发展展至至今今已已比比较较成成熟熟（指指平平衡衡态态热热力力学，而不包括非平衡态热力学。）学，而不包括非平衡态热力学。）n化化学学动动力力学学（下下册册）的的研研究究仍仍处处于于发发展展阶阶段段，比比较较活活跃跃。（通通常常是是对对某某类类反反应应体
12、系的个别研究，系统理论尚未成熟。）体系的个别研究，系统理论尚未成熟。）n物物质质结结构构 研研究究方方面面，大大型型计计算算机机的的运运用用为为天天文文数数字字量量的的量量子子计计算算、计计算算机机模模拟等提供有力工具，发展也很活跃。拟等提供有力工具，发展也很活跃。五、涉及相关研究领域的一些较有影响的机构五、涉及相关研究领域的一些较有影响的机构n理论化学（量子化学）：理论化学（量子化学）：吉林大学（唐敖吉林大学（唐敖庆）；北京大学（徐光宪）；北师大、上庆）；北京大学（徐光宪）；北师大、上海冶金所、复旦大学等。海冶金所、复旦大学等。n反应动力学：反应动力学：中科院化学所（朱起鹤）、中科院化学所（
13、朱起鹤）、大连化物所（何国钟）等。大连化物所（何国钟）等。n电化学：电化学：武汉大学（查全性），厦门大学武汉大学（查全性），厦门大学（田昭武），南京大学（高鸿），北京大（田昭武），南京大学（高鸿），北京大学（高小霞）等。学（高小霞）等。六、化学物理系部分实验室六、化学物理系部分实验室 n单分子化学物理（选键化学实验室）单分子化学物理（选键化学实验室）u用用激激光光和和扫扫描描隧隧道道显显微微(STM)技技术术等等实实验验技技术术对对单单原原子子、单单分分子子和和单单细细胞胞进进行行直直接接操操纵纵，并并利利用用这这些些手手段段研研究究化化学学、物物理理和和生生物物的的某某些些领领域域的的基基本
14、本问问题题，最最终终实实现现选选键键化化学学、分分子子和和细细胞的加工。胞的加工。n激光化学实验室激光化学实验室1)分子和自由基的高分辨电子态光谱研究；分子和自由基的高分辨电子态光谱研究；2)微观化学反应动力学研究；微观化学反应动力学研究；3)激光控制化学反应的探索性研究。激光控制化学反应的探索性研究。n理论化学、结构化学实验室（量子化学）理论化学、结构化学实验室（量子化学）n低维化学物理（表面与催化实验室）低维化学物理（表面与催化实验室）n胶体电化学实验室胶体电化学实验室七、物理化学的研究方法七、物理化学的研究方法 1.1.一般实验科学研究的方法一般实验科学研究的方法n首首先先观观察察现现象
15、象，或或在在一一定定条条件件下下重重现现自自然然现现象象 实实验验，从从大大量量的的实实际际、实实验验事事实实，总总结结出出它它的的规规律律性性，再再以以一定的形式表达出来一定的形式表达出来 定律定律。n为为解解释释这这种种定定律律的的内内在在的的本本质质，需需根根据据已已知知的的实实验验事事实实和和实实际际知知识识，通通过过抽抽象象思思维维，提提出出假假说说和和数数学学模模型型（这这需需有有物物质结构方面的知识）；质结构方面的知识）；n再再根根据据假假说说作作逻逻辑辑推推理理，以以说说明明这这种种规规律律性性存存在在的的原原因因，甚甚至至可可以以预预测测客客观观事事物新的现象和规律。物新的现
16、象和规律。n若若这这种种预预测测能能为为多多方方面面的的实实践践所所证证实实，则则这这种种假假说说就就成成为为理理论论或或学学说说。物物理理化化学学中中的的许许多多理理论论模模型型就就是是这这样得到的。样得到的。2.理论的修正、新理论的建立理论的修正、新理论的建立随着观测实验范围的扩大（例如从宏观随着观测实验范围的扩大（例如从宏观到微观，从宏观到宇宙空间）、实验技到微观，从宏观到宇宙空间）、实验技术的改进（检测灵敏度的提高），又会术的改进（检测灵敏度的提高），又会有新的现象出现（被观测到）、新的问有新的现象出现（被观测到）、新的问题提出。题提出。当当新新的的事事实实与与原原先先旧旧有有的的理理
17、论论发发生生矛矛盾盾，即即不不能能为为旧旧理理论论所所解解释释时时，就就必必须须修修正正旧旧理理论论，甚甚至至抛抛弃弃旧旧理理论论而而重重新新建建立立新新理理论论。如如此此，人人们们对对客客观观世世界界的的认认识识又又深了一步。深了一步。例例如如：从从牛牛顿顿力力学学 量量子子力力学学，即即宏宏观到微观的发展。观到微观的发展。3.充分重视实验事实充分重视实验事实 n在在物物理理化化学学研研究究中中，由由于于其其研研究究对对象象的的特特殊殊性性（化化学学现现象象），所所以以应应当当充充分分重重视视实实验验事事实实的的重重要要性。性。n例例如如，在在化化学学平平衡衡规规律律的的研研究究、物物质质性
18、性质质与与外外界界条条件件的的关关系系、各各种种物物理理化化学学常常数数的的测测定定等等，除除常常用用的的化化学学方方法法以以外外，更更多多采采用用物物理理手手段段（例例如如电电磁磁学学、光光学学等方法）进行实验测试。等方法）进行实验测试。4.物理化学的研究方法基础物理化学的研究方法基础 n在在物物理理化化学学中中，从从 “基基本本假假设设 逻逻辑辑性性推推理理 符符合合客客观观实实际际的的理理论论”过过程程是是建建立立在在 “理理论论物物理理”方方法法的的基基础础上上的，这些方法是：的，这些方法是：u 热力学方法热力学方法u 统计力学方法统计力学方法u 量子力学方法量子力学方法n本本课课程程
19、主主要要应应用用了了热热力力学学方方法法和和统统计计力力学学方方法法，至至于于量量子子力力学学方方法法，主主要要在在物物质结构部分（本课程不包括）涉及。质结构部分（本课程不包括）涉及。八、八、课程的基本内容课程的基本内容 n物物理理化化学学的的内内容容非非常常广广泛泛,有有些些分分支支实实际际上上已已发发展展成成为为独独立立的的学学科科。例例如如：化化学学热热力力学学、反反应应动动力力学学、胶胶体体化化学学、表表面面化化学学、电电化化学学等等等等。本本课课程程只只把把它它们们作作为为某某些些章章节节进进行行初初步介绍。步介绍。n上上册册中中主主要要侧侧重重于于化化学学热热力力学学，包包括括热热力力学学三三大大定定律律，以以及及在在溶溶液液、相相变变平平衡衡、化化学学平平衡中的应用，还有统计热力学。衡中的应用，还有统计热力学。n热热力力学学发发展展至至今今已已比比较较成成熟熟，整整个个体体系系的的逻逻辑辑性性很很强强，因因此此各各章章的的内内容容承承前前启启后后联联系系紧紧密密。希希望望同同学学们们在在学学习习时时一一开开始就注意及时理解和消化。始就注意及时理解和消化。n其其次次，为为加加深深对对概概念念的的理理解解和和公公式式的的正正确确运运用用，还还有有一一定定量量的的习习题题，希希望望大大家家独立思考加以完成独立思考加以完成