1、 物理化学（上）物理化学（上）绪绪 论论 什么是物理化学？什么是物理化学？物理化学研究的问题；物理化学研究的问题；物理化学的研究方法；物理化学的研究方法；物理化学的建立、发展趋势及特点；物理化学的建立、发展趋势及特点；物理化学课程的学习方法及要求。物理化学课程的学习方法及要求。一、一、什么是物理化学？什么是物理化学？从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，探求从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，探求化学变化中具有普遍性的基本规律。化学变化中具有普遍性的基本规律。在实验方法上主要采在实验方法上主要采用物理学中的方法。用物理学中的方法。化学的重要分支之一，是化学的重要分支之一，是化学学
2、科的理论基础；化学学科的理论基础；二、物理化学研究的问题二、物理化学研究的问题1 1化学反应的方向和限度问题化学反应的方向和限度问题 化学热力学研究的范畴化学热力学研究的范畴2.2.化学反应的速率和机理问题化学反应的速率和机理问题 化学动力学研究的范畴化学动力学研究的范畴3.3.物质结构与其性质之间的关系问题物质结构与其性质之间的关系问题 结构化学及量子化学研究的范畴结构化学及量子化学研究的范畴三、物理化学的研究方法三、物理化学的研究方法 物理化学的研究方法除物理化学的研究方法除一般的科学研究方法一般的科学研究方法，如如辩证辩证唯物唯物主义方法、主义方法、认识论认识论的方法、的方法、逻辑推理逻
3、辑推理的方法、的方法、建立建立理想化模型理想化模型的方法、的方法、假设假设的方法、的方法、数学的统计处数学的统计处理理方法等以外，还方法等以外，还综合应用微观与宏观的综合应用微观与宏观的研究方法，研究方法，主要有：主要有：热力学热力学的的研究对象研究对象是由是由大量粒子组成的宏观体大量粒子组成的宏观体系，系，它利用体系的宏观性质它利用体系的宏观性质解决解决物质变化前后物质变化前后能量守能量守恒问题和物质平衡的规律恒问题和物质平衡的规律。热力学。热力学方法的方法的特点是特点是不涉不涉及物质系统内部粒子的微观结构，只涉及物质系统变及物质系统内部粒子的微观结构，只涉及物质系统变化前后状态的宏观性质。
4、化前后状态的宏观性质。1 1、宏观方法、宏观方法 热力学方法热力学方法（重点内容）（重点内容）量子力学描述微观粒子运动的规律。它以微观粒量子力学描述微观粒子运动的规律。它以微观粒子（电子、原子核等）组成的微观系统为研究对象，子（电子、原子核等）组成的微观系统为研究对象，通过量子力学基本方程原则上可以计算出通过量子力学基本方程原则上可以计算出微观粒子之微观粒子之间的相互作用及其规律，从而指示物性与结构之间的间的相互作用及其规律，从而指示物性与结构之间的关系关系。2 2、微观方法、微观方法 量子力学方法量子力学方法 它利用物质的它利用物质的微观性质微观性质（如分子结构（如分子结构、分子能级分子能级
5、、分子间力等）通过分子间力等）通过数学方程数学方程计算出体系的计算出体系的宏观性质宏观性质，从，从而解释宏观现象。此外，统计热力学还可以导出化学热而解释宏观现象。此外，统计热力学还可以导出化学热力学、化学动力学等的基本定律和基本方程。因此力学、化学动力学等的基本定律和基本方程。因此统计统计热力学在理论上更进了一步，它给出了宏观普遍规律的热力学在理论上更进了一步，它给出了宏观普遍规律的微观本质。微观本质。3 3、从微观到宏观的方法、从微观到宏观的方法 统计热力学方法统计热力学方法十八世纪开始萌芽：从燃素说到能量守恒与转化定律。俄国科学家罗蒙诺从燃素说到能量守恒与转化定律。俄国科学家罗蒙诺索夫索夫
6、(M.B.B.OMOHOCOB)最早使用最早使用“物理化学物理化学”这这一术语。一术语。四、物理化学的建立、发展趋势及特点四、物理化学的建立、发展趋势及特点十九世纪中叶形成：18871887年俄国科学家奥斯特瓦尔德年俄国科学家奥斯特瓦尔德(W.Ostwald)和荷兰和荷兰科学家范霍夫科学家范霍夫(J.H.vant Hoff)合办了第一本德文版合办了第一本德文版“物理化学杂志物理化学杂志”。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，许多新的分支学科，如热化学，化学热力学，电化学，溶液化
7、学，胶体化学，表面化学，化学动力学，催化化溶液化学，胶体化学，表面化学，化学动力学，催化化学，量子化学和结构化学等。学，量子化学和结构化学等。镁铝复合氧化物催化剂镁铝复合氧化物催化剂SEM图片：图片：新测试手段方面，如新测试手段方面，如 时间测定达到飞秒层次即时间测定达到飞秒层次即 1015秒秒。阿哈迈德阿哈迈德.泽维尔（泽维尔（AhmedH.Zewail），），19991999年度诺贝尔化学奖得年度诺贝尔化学奖得主主 。他用可能是世界上速度最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿。他用可能是世界上速度最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。分之
8、一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。泽维尔创立的这种物理化学被称为飞秒化学。犹如电视节目通过慢动泽维尔创立的这种物理化学被称为飞秒化学。犹如电视节目通过慢动作来观看足球赛精彩镜头那样，他的研究成果可以让人们通过作来观看足球赛精彩镜头那样，他的研究成果可以让人们通过“慢动慢动作作”观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了人们对化学反应过程的认识。变了人们对化学反应过程的认识。目前飞秒激光技术已经得到相当目前飞秒激光技术已经得到相当的应用。的应用。20042004年又发现了原秒激光年又发现了原秒激光衡量
9、更短时间的单位。衡量更短时间的单位。20052005年年2 2月月2626号号参考消息参考消息对原秒激光的发现进行报道；对原秒激光的发现进行报道；20072007年年1111月月1414日报道英国高校原秒技术的研发情况调查：牛津大学物理系日报道英国高校原秒技术的研发情况调查：牛津大学物理系原秒级超紫外线光源原秒级超紫外线光源列为研究中心的重点研究课题列为研究中心的重点研究课题 ；帝国学院物理；帝国学院物理系研究系研究“原秒级激光器原秒级激光器”计划等。计划等。近代化学的发展趋势和特点：近代化学的发展趋势和特点：（1 1）从宏观到微观）从宏观到微观 （2 2）从从体相向界面体相向界面相相 （3）
10、从从定性到定量定性到定量 （4）从单一学科到交叉学科（如化学体系扩展到生物）从单一学科到交叉学科（如化学体系扩展到生物 化学体系）化学体系）（5）由平衡态到远离平衡态的非平衡态等。）由平衡态到远离平衡态的非平衡态等。从宏观到微观：从宏观到微观：单用宏观的研究方法是不够的，只有深入到微观，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。的本质和结构与物性的关系。量子化学规律应用于化学领域量子化学规律应用于化学领域计算分子内电子计算分子内电子运动规律，结合其它一些测试手段以期知道物质结
11、构运动规律，结合其它一些测试手段以期知道物质结构与性能关系。与性能关系。从体相向界面相：从体相向界面相：在多相体系中，化学反应总是在表相上进行，随着在多相体系中，化学反应总是在表相上进行，随着测试手段的进步（测试手段的进步（可以测试物体或体系表面层可以测试物体或体系表面层5 5 1010个个分子或原子层的结构和组成分子或原子层的结构和组成），了解表相反应的实际过），了解表相反应的实际过程，程，表面化学、多相催化成为一个很活跃的领域。表面化学、多相催化成为一个很活跃的领域。从定性到定量：从定性到定量：随着计算机技术的飞速发展，随着计算机技术的飞速发展，使得一些复杂、庞大使得一些复杂、庞大的数据处
12、理难题得以解决，由实验室的数据通过计算机的数据处理难题得以解决，由实验室的数据通过计算机模拟，进行工业生产设计。模拟，进行工业生产设计。大大缩短了数据处理的时间，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。研究的课题现在可进行定量监测。从单一学科到交叉学科：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相互渗化学学科与其他学科以及化学内部更进一步相互渗透、相互结合，形成了许多极具生命力的透、相互结合，形成了许多极具生命力的交叉交叉科学，如科学，如生物化学、地球化学、天体化学
13、、计算化学、金属有机生物化学、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。化学、物理有机化学等。从研究平衡态到研究非平衡态：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，经典热力学只研究平衡态和封闭体系或孤立体系，然然而自然界中发生的一切实际过程都是处在非平衡态下进行而自然界中发生的一切实际过程都是处在非平衡态下进行的过程，如遇到的各种输运过程，诸如热传导、物质的扩的过程，如遇到的各种输运过程，诸如热传导、物质的扩散、动电现象等，并且总是自动地从非平衡态趋向于平衡散、动电现象等，并且总是自动地从非平衡态趋向于平衡态，因此态，因此对处于非平衡态的开放体系
14、的研究更具有实际意对处于非平衡态的开放体系的研究更具有实际意义。义。普里高京（普里高京（Prigogine）、昂萨格）、昂萨格(Onsager)对非平衡对非平衡态的热力学研究的确立与发展作出了杰出贡献，态的热力学研究的确立与发展作出了杰出贡献，20世纪世纪50年代形成了热力学的新领域即非平衡态热力学，普里高京年代形成了热力学的新领域即非平衡态热力学，普里高京由于对非平衡态热力学的杰出贡献而获得由于对非平衡态热力学的杰出贡献而获得1997年诺贝尔化年诺贝尔化学奖。学奖。非平衡态热力学虽然在理论系统上还不够完善和成熟，非平衡态热力学虽然在理论系统上还不够完善和成熟，但目前在一些领域中如物质扩散、热
15、传导、跨膜运输、动但目前在一些领域中如物质扩散、热传导、跨膜运输、动电效应、热电效应、电极过程、化学反应等领域已获初步电效应、热电效应、电极过程、化学反应等领域已获初步应用，显示出它有广阔的应用前景，已成为新世纪物理化应用，显示出它有广阔的应用前景，已成为新世纪物理化学研究的一个热门领域。学研究的一个热门领域。五、本课程学习方法及要求五、本课程学习方法及要求1 1）抓住每一章的主线。抓住每一章的主线。明确主要内容，解决什么问明确主要内容，解决什么问 题？采用什么方法？得到什么结果？同时应注意题？采用什么方法？得到什么结果？同时应注意 章节间的联系。章节间的联系。2 2）重点公式，自己动手推导。重点公式，自己动手推导。注意公式的使用条件、注意公式的使用条件、应用范围。应用范围。4 4）多做习题，多做习题，寻找规律，寻找规律，学会解题方法。学会解题方法。5）课堂笔记课堂笔记 3 3）注意逻辑推理的思维方法。注意逻辑推理的思维方法。体会感性认识和理性体会感性认识和理性 认识的相互关系。认识的相互关系。
