《统计热力学》教学大纲 教研室主任：刘鹏执笔人：李晓平 一、课程说明： (一)课程信息 开课单位：化学与化工学院 课程名称：统计热力学 课程编号：084025 英文名称：statistical thermodynamics 课程类型：专业任选课 总学时：32 学分：2 开设专业：化学教育、应用化学、材料化学 先修课程：无机化学、有机化学、物理化学，高等数学和普通物理等 (二)教学目的 本课程的目的是在先行课程的基础上，以丰富的化学现象和系统为对象，借助数学、物理等基础科学的理论 及所提供的实验手段来研究化学科学中的原理和方法，研究热运动的规律，研究与热运动有关的物理性质和宏观物 质系统的演化：研究较常用的反应速率理论和微观反应动力学的概况，研究溶液反应动力学，光化反应动力学和酶 催化动力学的原理；研究胶体与大分子体系的性质特点、胶粒结构及其动力学性质、唐南平衡等特点。本章主要内 容为化学最一般的宏观、微观规律与理论，使培养出来的化学人才具有较好的理论素养。 (三)教学内容 本课程包括以下三个部分的基本内容：统计热力学基础，化学动力学基础，胶体分散系统与大分子溶液 (五)教学方式 以讲授为主，讲授内容主次分明，在注意系统性的原则下，着重讲解教材的重点与难点；胶体化学在教师重 点讲授下，可由学生自学完成：教学中应运用多种现代教学媒体，增强学生对物理化学理论的理解，更好的培养学 生的独立工作能力。 二、本文 第一章统计热力学基础 教学要点： 配分函数的概念，从配分函数求得热力学函数。对定位与非定位系统的热力学函数加以介绍，重点侧重于非定 位系统。公式上需理解其推演过程，对重要公式应知道其应用。 教学时数：10 教学内容： 51.1概论 统计热力学的研究方法和目的 统计系统的分类
《统计热力学》教学大纲 教研室主任：刘鹏 执笔人：李晓平 一 、课程说明： （一）课程信息 开课单位：化学与化工学院 课程名称：统计热力学 课程编号：084025 英文名称：statistical thermodynamics 课程类型：专业任选课 总 学 时：32 学 分：2 开设专业：化学教育、应用化学、材料化学 先修课程：无机化学、有机化学、物理化学，高等数学和普通物理等 （二）教学目的 本课程的目的是在先行课程的基础上，以丰富的化学现象和系统为对象，借助数学、物理等基础科学的理论 及所提供的实验手段来研究化学科学中的原理和方法，研究热运动的规律，研究与热运动有关的物理性质和宏观物 质系统的演化；研究较常用的反应速率理论和微观反应动力学的概况，研究溶液反应动力学，光化反应动力学和酶 催化动力学的原理；研究胶体与大分子体系的性质特点、胶粒结构及其动力学性质、唐南平衡等特点。本章主要内 容为化学最一般的宏观、微观规律与理论，使培养出来的化学人才具有较好的理论素养。 （三）教学内容 本课程包括以下三个部分的基本内容：统计热力学基础，化学动力学基础，胶体分散系统与大分子溶液。 （五）教学方式 以讲授为主，讲授内容主次分明，在注意系统性的原则下，着重讲解教材的重点与难点；胶体化学在教师重 点讲授下，可由学生自学完成；教学中应运用多种现代教学媒体，增强学生对物理化学理论的理解，更好的培养学 生的独立工作能力。 二、本文 第一章 统计热力学基础 教学要点： 配分函数的概念，从配分函数求得热力学函数。对定位与非定位系统的热力学函数加以介绍，重点侧重于非定 位系统。公式上需理解其推演过程，对重要公式应知道其应用。 教学时数：10 教学内容： §1.1概论 统计热力学的研究方法和目的 统计系统的分类
统计热力学的基本假定 51.2玻尔兹曼统计 定位系统的最概然分布 a,B值的推导 玻尔兹曼公式的讨论 一非定位系统的最概然分布 波尔兹曼公式的其它形式 摘取最大项法及其原理 51.3玻色一爱因斯坦统计和费未一狄拉克统计 51.4配分函数 配分函数的定义 配分函数与热力学函数的关系 配分函数的分离 51.5各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献 原子核配分函数 电子配分函数 平动配分函数 单原子理想气体的热力学函数 转动配分函数 振动配分函数 *51.6晶体的热容问题 51.7分子的全配分函数 S1.8用配分函数计算△Gm和反应的平衡常数 化学平衡系统的公共能量标度 从自由能函数计算平衡常数 热函函数 从配分函数求平衡常数 考核要求： 1.掌握本章讲授过的基本概念及基本知识 2.理解并能熟练运用的基本定律与基本理论有： 等几率假设 玻兹曼分布律（推导表达式及意义） 离子配分函数与热力学函数的关系 最低能级能量数值的选择对配分函数的影响 玻兹曼公式s=-kLnQ 3.能熟练进行的基本计算有
统计热力学的基本假定 §1.2玻尔兹曼统计 定位系统的最概然分布 α，β值的推导 玻尔兹曼公式的讨论——非定位系统的最概然分布 波尔兹曼公式的其它形式 摘取最大项法及其原理 *§1.3玻色—爱因斯坦统计和费未—狄拉克统计 §1.4配分函数 配分函数的定义 配分函数与热力学函数的关系 配分函数的分离 §1.5各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献 原子核配分函数 电子配分函数 平动配分函数 单原子理想气体的热力学函数 转动配分函数 振动配分函数 *§1.6晶体的热容问题 §1.7分子的全配分函数 §1.8用配分函数计算△ rGm和反应的平衡常数 化学平衡系统的公共能量标度 从自由能函数计算平衡常数 热函函数 从配分函数求平衡常数 考核要求： 1． 掌握本章讲授过的基本概念及基本知识 2． 理解并能熟练运用的基本定律与基本理论有： 等几率假设 玻兹曼分布律（推导表达式及意义） 离子配分函数与热力学函数的关系 最低能级能量数值的选择对配分函数的影响 玻兹曼公式S=kLnΩ 3． 能熟练进行的基本计算有：
定位与非定位系统Q的计算 用玻兹曼分布律计算简单系统的粒子分布 单原子分子、双原子分子各种运动形式的配分函数 单及双原子分子各种运动形式对热力学性质的贡献 分别用配分函数和自由能函数计算检点理想气体反应的平衡常数 第二章化学动力学基础（二） 教学要点： 本章重点介绍了三个基本速率理论，要求学生明确气相反应的简单碰撞理论的基本要点并应用于单分子反应， 明确过渡态理论的基本要点。同时介绍溶液中的反应、链反应、光化学反应及催化反应动力学。 教学时数：12 教学内容： 2.1碰撞理论 双分子的互碰频率和速率常数的推导 *硬球碰撞模型——碰撞截面与反应阈能 *反应阈能与实验活化能的关系 概率因子 52.2过渡状态理论 势能面 由过渡状态理论计算反应速率常数 *活化络合物的活化能E和指前因子A与诸热力学函数之间的关系 52.3单分子反应理论 *524分子反应动态学简介 研究分子反应的实验方法 分子碰撞与态一态反应 直接反应碰撞和形成络合物的碰撞 52.5在溶液中进行的反应 溶剂对反应速率的影响 笼效应 原盐效应 *由扩散控制的反应 *52.6快速反应的几种测试手段 弛豫法 闪光光解 52.7光化学反应 光化学反应与热化学反应的区别
定位与非定位系统Ω的计算 用玻兹曼分布律计算简单系统的粒子分布 单原子分子、双原子分子各种运动形式的配分函数 单及双原子分子各种运动形式对热力学性质的贡献 分别用配分函数和自由能函数计算检点理想气体反应的平衡常数 第二章 化学动力学基础（二） 教学要点： 本章重点介绍了三个基本速率理论，要求学生明确气相反应的简单碰撞理论的基本要点并应用于单分子反应， 明确过渡态理论的基本要点。同时介绍溶液中的反应、链反应、光化学反应及催化反应动力学。 教学时数：12 教学内容： §2.1碰撞理论 双分子的互碰频率和速率常数的推导 *硬球碰撞模型——碰撞截面与反应阈能 *反应阈能与实验活化能的关系 概率因子 §2.2过渡状态理论 势能面 由过渡状态理论计算反应速率常数 *活化络合物的活化能Ea和指前因子A与诸热力学函数之间的关系 §2.3单分子反应理论 *§2.4分子反应动态学简介 研究分子反应的实验方法 分子碰撞与态—态反应 直接反应碰撞和形成络合物的碰撞 §2.5在溶液中进行的反应 溶剂对反应速率的影响——笼效应 原盐效应 *由扩散控制的反应 *§2.6快速反应的几种测试手段 弛豫法 闪光光解 §2.7光化学反应 光化学反应与热化学反应的区别
光化学反应的初级过程和次级过程 光化学最基本定律 量子产率 分子中的能态 -Jablonski图 光化学反应动力学 光化学平衡和热化学平衡 感光反应、化学发光 *52.8化学激光简介 受激辐射、受激吸收和自动辐射 粒子数反转 三能级和四能级系统的粒子数反转 化学激光 2.9催化反应动力学 催化剂与催化作用 均相酸碱催化 络合催化 酶催化反应 *自催化反应和化学振荡 考核要求： 1,掌握本章讲授过的基本概念和基本知识 2.理解并能熟练运用的基本规律和基本理论有： 三种典型反应的动力学特征 稳态近似与平衡假设 气相反应简单碰撞理论 林德曼单分子反应理论 过渡状态理论 了解键反应、光化学反应、溶液中的反应，酶催化反应、气一固相催化反应的动力学特征 3.能熟练进行的基本计算有： 简单碰撞理论关于ksCT的计算 过渡状态理论关于速率常数、△r≠Hm⊙、△r+SmO及活化能a的计算 量子产率的计算 米氏常数有关的计算 第三章胶体分散系统和大分子溶液 1.教学要点：
光化学反应的初级过程和次级过程 光化学最基本定律 量子产率 分子中的能态——Jablonski图 光化学反应动力学 光化学平衡和热化学平衡 感光反应、化学发光 *§2.8化学激光简介 受激辐射、受激吸收和自动辐射 粒子数反转 三能级和四能级系统的粒子数反转 化学激光 §2.9催化反应动力学 催化剂与催化作用 均相酸碱催化 络合催化 酶催化反应 *自催化反应和化学振荡 考核要求： 1.掌握本章讲授过的基本概念和基本知识 2.理解并能熟练运用的基本规律和基本理论有： 三种典型反应的动力学特征 稳态近似与平衡假设 气相反应简单碰撞理论 林德曼单分子反应理论 过渡状态理论 了解键反应、光化学反应、溶液中的反应，酶催化反应、气—固相催化反应的动力学 特征 3.能熟练进行的基本计算有： 简单碰撞理论关于kSCT的计算 过渡状态理论关于速率常数、Δr≠Hm Θ、Δr≠Sm Θ及活化能Ea的计算 量子产率的计算 米氏常数有关的计算 第三章 胶体分散系统和大分子溶液 1． 教学要点：
通过本章学习使学生了解胶体结构及性质，胶体分散体系和大分子溶液区别。掌握有关大分子溶液的渗透及有 关唐南平衡的求算 2.教学时数：10 3.教学内容： 53.1胶体和胶体的基本特性 分散系统的分类 教团的结构 53.2溶胶的制备和净化 溶胶的制备 溶胶的净化 溶胶的形成条件和老化机理 均分散胶体的制备和应用 53.3溶胶的动力性质 Browni运动 扩散和渗透压 沉降和沉降平衡 53.4溶胶的光学性质 丁达尔效应和瑞利公式 *超显微镜的基本原理和粒子大小的测定 3.5溶胶的电学性质 电动现象 电泳 电渗 沉降电势和流动电势 3.6双电层理论 3.7溶胶的稳定性和聚沉作用 溶胶的稳定性 影响聚沉作用的一些因素 胶体稳定性的DLVO理论大意 *DLVO理论的一种简化表示式 高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用 53.8乳状液 两种乳状液-OW型和W/○型乳状液 乳化剂的作用 乳状液的不稳定性分层，变型和破乳
通过本章学习使学生了解胶体结构及性质，胶体分散体系和大分子溶液区别。掌握有关大分子溶液的渗透及有 关唐南平衡的求算 2． 教学时数：10 3． 教学内容： §3.1胶体和胶体的基本特性 分散系统的分类 教团的结构 §3.2溶胶的制备和净化 溶胶的制备 溶胶的净化 溶胶的形成条件和老化机理 均分散胶体的制备和应用 §3.3溶胶的动力性质 Brown运动 扩散和渗透压 沉降和沉降平衡 §3.4溶胶的光学性质 丁达尔效应和瑞利公式 *超显微镜的基本原理和粒子大小的测定 §3.5溶胶的电学性质 电动现象 电泳 电渗 沉降电势和流动电势 §3.6 双电层理论 §3.7 溶胶的稳定性和聚沉作用 溶胶的稳定性 影响聚沉作用的一些因素 胶体稳定性的DLVO理论大意 *DLVO理论的一种简化表示式 高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用 §3.8 乳状液 两种乳状液-O/W型和W/O型乳状液 乳化剂的作用 乳状液的不稳定性-分层，变型和破乳
53.9凝胶 凝胶的分类 凝胶的形成 凝胶的性质 53.10大分子溶液 大分子溶液的界定 *大分子的平均摩尔质量 *聚合物摩尔质量的测定方法 聚合物的分级 53.11 Donnans平衡和聚电解质溶液的渗透压 聚电解质溶液的渗透压 *53.12流变学简介 Newton流体 非Newton流体 触变性流体 黏弹性流体 *53.13纳米粒子 纳米系统是典型的介观系统 纳米粒子的结构和特性 纳米粒子的制备 自组织技术仿生纳米合成 模板合成技术 纳米材料的应用 考核要求： 1掌握本章讲授过的基本概念和基本知识 2理解并能熟练应用的基本规律与基本理论有 分散系统的分类 胶团的结构 Browni运动 双电层理论 Donnan平衡 3.能熟练进行的基本计算有 Donnan3平衡求渗透压
§3.9 凝胶 凝胶的分类 凝胶的形成 凝胶的性质 §3.10 大分子溶液 大分子溶液的界定 *大分子的平均摩尔质量 *聚合物摩尔质量的测定方法 聚合物的分级 §3.11 Donnan平衡和聚电解质溶液的渗透压 Donnan平衡 聚电解质溶液的渗透压 *§3.12 流变学简介 Newton流体 非Newton流体 触变性流体 黏弹性流体 *§3.13 纳米粒子 纳米系统是典型的介观系统 纳米粒子的结构和特性 纳米粒子的制备 自组织技术-仿生纳米合成 模板合成技术 纳米材料的应用 考核要求： 1.掌握本章讲授过的基本概念和基本知识 2.理解并能熟练应用的基本规律与基本理论有： 分散系统的分类 胶团的结构 Brown运动 双电层理论 Donnan平衡 3.能熟练进行的基本计算有： Donnan平衡求渗透压
三、参考书目 1.南京大学化学化工学院傅献彩等编.《物理化学》（普通高等教育“十五”国家级规划教材），高等 教育出版社，2006年1月第5版。 2.天津大学物理化学教研室编.《物理化学》高教出版社。 3.河北师范大学等8所师范院校编《物理化学》人民教育出版社。 4.万洪文詹正坤主编《物理化学》（面向21世纪课程教材）高等教育出版社，2002年7月第1版。 5.印永嘉等编《物理化学简明教程》（第三版），北京：高等教育出版社，1992年。 6.胡英主编《物理化学》北京：高等教育出版社，1999年10月第四版。 7.p.W.Atkins:《Physical Chemistry.》2nd.ed.1982。 四、本课程使用教具和现代教育技术的指导性意见 1用投影仪投影有关教学图、表。 2用幻灯片放映有关教学图、表。 3.适当用多媒体教学软件教学。 4利用CA软件组织学生的复习。 5利用计算机从试题库抽题组卷测验
三、参考书目 1. 南京大学化学化工学院 傅献彩等编. 《物理化学》（普通高等教育“十五”国家级规划教材）， 高等 教育出版社，2006年1月第5版。 2. 天津大学物理化学教研室编. 《物理化学》 高教出版社。 3. 河北师范大学等8所师范院校编《物理化学》 人民教育出版社。 4. 万洪文 詹正坤主编 《物理化学》（面向21世纪课程教材）高等教育出版社，2002年7月第1版。 5. 印永嘉等编 《物理化学简明教程》（第三版），北京：高等教育出版社，1992年。 6. 胡英主编《物理化学》北京：高等教育出版社，1999年10月第四版。 7. P.W.Atkins:《Physical Chemistry》 2nd.ed.1982。 四、本课程使用教具和现代教育技术的指导性意见 1.用投影仪投影有关教学图、表。 2.用幻灯片放映有关教学图、表。 3.适当用多媒体教学软件教学。 4.利用CAI软件组织学生的复习。 5.利用计算机从试题库抽题组卷测验