③返安大字 化学与化工学院物理化学讲稿 绪论 (2学时) 物理化学教研室
化学与化工学院物理化学讲稿 绪 论 （2 学时） 物理化学教研室
绪论 s0.1物理化学的目的和内容 一、物理化学的定义？ 物理化学是化学中的重要学科，是对化学的本质进行研究，是应用数理方法、引进 实验手段研究化学规律的学科。（厦门大学） 物理化学是从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，从而探求化学变化中 具有普遍性的基本规律。在实验方法上主要采用物理学中的方法 -付献彩- Physical chemistry is the branch of chemistry that establishes and develops the principles of the subjects.Its concepts are used to explain and interpret observations on the physical and chemical properties of matter.Physical chemistry is also essential for developing and interpreting the modern techniques used to determine the structure and properties of matter,such as new synthetic materials and biological macromolecules. ----Atkins----- 物理化学是研究化学学科中的原理和方法，研究化学体系行为最一般规律和理论的 学科，是化学的理论基础。 -自然科学学科发展战略调研报告 以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体 系的特殊规律的学科。 中国大百科全书（唐有棋） 二、目的 物理化学主要是为了解决生产实际和科学实验中向化学提出的理论问题，揭示化学变化 的本质，更好地驾驭化学，使之为生产实际服务。 三、物理化学研究的内容 物理化学研究的理论基础主要分成四大部分： (1)化学热力学一研究物质变化(、V、T变化、相变化、化学变化)的能量效应（功与 热)和变化的方向与限度，即有关能量守恒和物质平衡的规律。 (2)量子力学一研究微观体系的运动状态。对微观体系建立薛定谔方程，解出波函数平 及能量E,|平2表示微观体系中粒子在空间位置(x,y,)附近的微体积元d止内的概率密度。 将量子力学原理应用于化学则构成了量子化学。 (3)统计热力学一从组成体系的大量粒子（原子、分子和离子）的微观性质（如质量，转动惯 量，振动频率等)出发，利用统计方法，研究大量微观粒子的平均行0为，从而利用组成体系 的大量粒子的微观性质来求算体系的宏观性质，用以解决体系的平衡规律或变化速率规律 (4)化学动力学一研究各种因素（浓度、温度、催化剂、溶剂、光、电等）对化学反应速 率的影响规律及反应机理（反应的具体步骤、元反应）。 物理化学研究的内容主要有以下三个方面 (1)化学反应的方向、限度和能量效应一化学体系的平衡性质 (2)化学反应的速率和反应机理一化学体系的动态性质 (3)物质的性质与其结构之间的关系问题 S0.2物理化学的研究方法 物理化学的研究方法除一般的科学方法，如辩证唯物主义方法：认识论的方法：逻辑推
绪 论 §0.1 物理化学的目的和内容 一、物理化学的定义? 物理化学是化学中的重要学科, 是对化学的本质进行研究, 是应用数理方法、引进 实验手段研究化学规律的学科。（厦门大学） 物理化学是从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，从而探求化学变化中 具有普遍性的基本规律。在实验方法上主要采用物理学中的方法。 ---付献彩----- Physical chemistry is the branch of chemistry that establishes and develops the principles of the subjects. Its concepts are used to explain and interpret observations on the physical and chemical properties of matter. Physical chemistry is also essential for developing and interpreting the modern techniques used to determine the structure and properties of matter, such as new synthetic materials and biological macromolecules. ----Atkins----- 物理化学是研究化学学科中的原理和方法,研究化学体系行为最一般规律和理论的 学科,是化学的理论基础。 ---自然科学学科发展战略调研报告--- 以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体 系的特殊规律的学科。 ---中国大百科全书（唐有棋）---- 二、 目的 物理化学主要是为了解决生产实际和科学实验中向化学提出的理论问题，揭示化学变化 的本质，更好地驾驭化学，使之为生产实际服务。 三、 物理化学研究的内容 物理化学研究的理论基础主要分成四大部分： (1) 化学热力学⎯研究物质变化（p、V、T 变化、相变化、化学变化)的能量效应(功与 热)和变化的方向与限度，即有关能量守恒和物质平衡的规律。 (2) 量子力学⎯研究微观体系的运动状态。对微观体系建立薛定谔方程，解出波函数 Ψ 及能量 E， Ψ 2 表示微观体系中粒子在空间位置(x,y,z)附近的微体积元 dτ 内的概率密度。 将量子力学原理应用于化学则构成了量子化学。 (3) 统计热力学⎯从组成体系的大量粒子(原子、分子和离子)的微观性质(如质量,转动惯 量,振动频率等)出发，利用统计方法，研究大量微观粒子的平均行 0 为，从而利用组成体系 的大量粒子的微观性质来求算体系的宏观性质，用以解决体系的平衡规律或变化速率规律 (4) 化学动力学⎯研究各种因素(浓度、温度、催化剂、溶剂、光、电等)对化学反应速 率的影响规律及反应机理(反应的具体步骤、元反应)。 物理化学研究的内容主要有以下三个方面 (1) 化学反应的方向、限度和能量效应 ——化学体系的平衡性质 (2) 化学反应的速率和反应机理——化学体系的动态性质 (3) 物质的性质与其结构之间的关系问题 §0.2 物理化学的研究方法 物理化学的研究方法除一般的科学方法，如辩证唯物主义方法；认识论的方法；逻辑推
理的方法外，物理化学还有自己特有的研究方法，这就是热力学方法、量子力学方法、统计 热力学方法。可把它们归纳成： (1)遵循实践一理论一实践”的认识过程，分别采用归纳法和演绎法，即从众多实验 事实概括到一般，再从一般推理到个别的思维过程。 (2)综合应用微观与宏观的研究方法，主要有：热力学方法、统计力学方法和量子力学方 法。 1宏观方法—热力学方法 热力学方法属于宏观方法。热力学是以众多质点组成的宏观体系作为研究对象，以两个 经典热力学定律为基础，用一系列热力学函数及其变量，描述体系从始态到终态的宏观变化， 而不涉及变化的细节。这一方法的特点是不涉及物质体系内部粒子的微观结构，只涉及物质 体系变化前后状态的宏观性质。经典热力学方法只适用于平衡体系。 2.微观方法—量子力学方法 量子力学方法属于微观方法。用量子力学的基本方程(E Schrodinger方程)求解组成体 系的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关系。 量子力学是以个别的电子、原子核组成的微观体系作为研究对象，考察的是个别微观粒 子的运动状态。将量子力学方法应用于化学领域，得到了物质的宏观性质与其微观结构关系 的清析图象。 3.微观方法与宏观方法间的桥梁一统计热力学方法 统计热力学方法属于从微观到宏观的方法。用概率规律计算出体系内部大量质点微观运 动的平均结果，从而解释宏观现象并能计算一些热力学的宏观性质。 统计热力学方法是在量子力学方法与热力学方法即微观方法与宏观方法之间架起的一 座金桥，把二者有效地联系在一起。 $0.3物理化学的建立与发展 十八世纪开始萌芽：从燃素说到能量守恒与转化定律。俄国科学家罗蒙诺索夫 (1711-1765)最早使用“物理化学”这一术语。 十九世纪中叶形成：1887年俄国科学家W Ostwald(1853~1932,后加入德国籍)和 荷兰科学家JHvan't Hoff(1852~1911)合办了第一本“物理化学杂志”（德文）。 20世纪迅速发展：新测试手段和新数据处理方法不断涌现，形成了许多新的分支学科， 如： 体 不洲 学 热化学 物理化学 化学热力学 电化学 表面化学 华 第一阶段：1887-1920s化学平衡和化学反应速率的唯象规律的建立。 19世纪中叶：热力学第一定律和热力学第二定律的提出： 1850:Wilhelmy第一次定量测定反应速率：
理的方法外，物理化学还有自己特有的研究方法，这就是热力学方法、量子力学方法、统计 热力学方法。可把它们归纳成： （1）遵循“实践——理论——实践”的认识过程，分别采用归纳法和演绎法，即从众多实验 事实概括到一般， 再从一般推理到个别的思维过程。 （2）综合应用微观与宏观的研究方法，主要有：热力学方法、统计力学方法和量子力学方 法。 1.宏观方法——热力学方法 热力学方法属于宏观方法。热力学是以众多质点组成的宏观体系作为研究对象，以两个 经典热力学定律为基础，用一系列热力学函数及其变量，描述体系从始态到终态的宏观变化， 而不涉及变化的细节。这一方法的特点是不涉及物质体系内部粒子的微观结构，只涉及物质 体系变化前后状态的宏观性质。经典热力学方法只适用于平衡体系。 2.微观方法——量子力学方法 量子力学方法属于微观方法。用量子力学的基本方程（E Schrödinger 方程）求解组成体 系的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关系。 量子力学是以个别的电子、原子核组成的微观体系作为研究对象，考察的是个别微观粒 子的运动状态。将量子力学方法应用于化学领域，得到了物质的宏观性质与其微观结构关系 的清析图象。 3. 微观方法与宏观方法间的桥梁——统计热力学方法 统计热力学方法属于从微观到宏观的方法。用概率规律计算出体系内部大量质点微观运 动的平均结果，从而解释宏观现象并能计算一些热力学的宏观性质。 统计热力学方法是在量子力学方法与热力学方法即微观方法与宏观方法之间架起的一 座金桥，把二者有效地联系在一起。 §0.3 物理化学的建立与发展 十八世纪开始萌芽：从燃素说到能量守恒与转化定律。俄国科学家罗蒙诺索夫 (1711-1765)最早使用“物理化学”这一术语。 十九世纪中叶形成： 1887 年俄国科学家 W Ostwald（1853～1932，后加入德国籍）和 荷兰科学家 J H van’t Hoff (1852～1911)合办了第一本“物理化学杂志” (德文）。 20 世纪迅速发展：新测试手段和新数据处理方法不断涌现，形成了许多新的分支学科， 如： 表面化学 热化学 电化学 物理化学 化学热力学 溶 液 化 学 胶 体 化 学 化 学 动 力 学 催 化 作 用 量 子 化 学 结 构 化 学 第一阶段：1887 - 1920 s 化学平衡和化学反应速率的唯象规律的建立。 19 世纪中叶：热力学第一定律和热力学第二定律的提出； 1850： Wilhelmy 第一次定量测定反应速率；
1879: 质量作用定律建立： 1889: Arrhenius公式的建立和活化能概念的提出： 1887:德文“物理化学”杂志创刊： 1906-1912:Nernst热定理和热力学第三定律的建立。 第二阶段：1920s·1960s:结构化学和量子化学的蓬勃发展和化学变化规律的微观探索。 1926量子力学建立：。 1927 求解氢分子的薛定谔方： 1931 价键理论建立： 1932 分子轨道理论建立： 1935 共振理论建立： 1918提出双分子反应的碰撞理论： 1935 建立过渡态理论： 1930提出链反应的动力学理论。 第三阶段：1960s-:由于激光技术和计算机技术的发展，物理化学各领域向更深度和广度 发展。 宏观→微观：静态→动态：体相→表相：平衡态→非平衡态。 $0.4近代化学的发展趋势和特点 (1)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，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。 宏观 介观 微观 (看得见的物体) (纳米材料) (原子、分子) 粒子 膜 纳米 丝 管 (2)从体相到表相：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 了解表相反应的实际过程，推动表面化学和多相催化的发展。 0-0 H.(g) 气相 气-固界面 (3)从定性到定量：随着计算机技术的飞速发展，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研究的课题现在可进行定量监测，做原位反 应.如：IR,FI-IR,ESR,NMR,ESCA,气相色谱，液相色谱等。 (4)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透、相 互结合，形成了许多极具生命力的交叉科学
1879： 质量作用定律建立； 1889： Arrhenius 公式的建立和活化能概念的提出； 1887： 德文“物理化学”杂志创刊； 1906 - 1912： Nernst 热定理和热力学第三定律的建立。 第二阶段：1920s - 1960s：结构化学和量子化学的蓬勃发展和化学变化规律的微观探索。 1926 量子力学建立；。 1927 求解氢分子的薛定谔方； 1931 价键理论建立； 1932 分子轨道理论建立； 1935 共振理论建立； 1918 提出双分子反应的碰撞理论； 1935 建立过渡态理论； 1930 提出链反应的动力学理论。 第三阶段：1960 s -：由于激光技术和计算机技术的发展，物理化学各领域向更深度和广度 发展。 宏观 → 微观；静态 → 动态；体相 → 表相；平衡态 → 非平衡态。 §0.4 近代化学的发展趋势和特点 (1)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，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。 介观 (纳米材料) 宏观 (看得见的物体) 微观 (原子、分子) 粒子 膜 丝 管 纳米 介观 (纳米材料) 宏观 (看得见的物体) 微观 (原子、分子) 粒子 膜 丝 管 纳米 宏观 (看得见的物体) 微观 (原子、分子) 粒子 膜 丝 管 纳米 (2)从体相到表相：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 了解 表相反应的实际过程，推动表面化学和多相催化的发展。 (3)从定性到定量：随着计算机技术的飞速发展，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研究的课题现在可进行定量监测,做原位反 应.如： IR，FI-IR,ESR,NMR,ESCA,气相色谱，液相色谱等。 (4)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透、相 互结合，形成了许多极具生命力的交叉科学
计算 材料 计算 材料 化学 化学 药学 药物 化学 生物 生物 化学 化常 天体 医用 化学 化学 天文 医学 (⑤)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， 然而对处于非平衡态的开放体系的研究更具有实际意义，自1960年以来，逐渐形成了非平 衡态热力学这个学科分支。 $0.5.物理化学课程的任务 ·传授知识：基本概念、基本理论、基本计算。 ·给予方法：一般的科学方法（辩证唯物主义方法：认识论的方法：逻辑推理的方法） 及物理化学自己特有的理论方法（热力学方法、量子力学方法、统计热力学方法）。 要求掌握热力学方法，了解量子力学方法和统计热力学方法。 ·方法的重要性：授人以鱼，不如授人以渔。 ·培养能力：应用物理化学原理解决实际问题的能力。知识十方法=创造性能力
药学 生物 天文 医学 化学 计算 材料 计算 化学 生物 化学 药物 化学 材料 化学 天体 化学 医用 化学 (5)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， 然而对处于非平衡态的开放体系的研究更具有实际意义，自 1960 年以来，逐渐形成了非平 衡态热力学这个学科分支。 §0.5. 物理化学课程的任务 • 传授知识：基本概念、基本理论、基本计算。 • 给予方法：一般的科学方法(辩证唯物主义方法；认识论的方法；逻辑推理的方法) 及物理化学自己特有的理论方法(热力学方法、量子力学方法、统计热力学方法)。 • 要求掌握热力学方法，了解量子力学方法和统计热力学方法。 • 方法的重要性：授人以鱼，不如授人以渔。 • 培养能力：应用物理化学原理解决实际问题的能力。知识＋方法＝创造性能力