身边的物理化学世界

1、身边的物理化学世界第一讲 化学的智慧结晶：物理化学第二讲 永动机的乌托邦：化学热力学第三讲 爱斯基摩人如何获得淡水：相平衡的奥秘第四讲 损有余而补不足：化学平衡移动原理第五讲 化学动力学的魔杖：催化剂第六讲 为化学正名的勇士：电化学第七讲 损不足而补有余：神奇的表面张力第八讲 似稳非稳得系统：胶体（每讲35至40分钟）内容提要第一讲 化学的智慧结晶：物理化学人类自从远古时期对火的发现和利用就已经开始了化学知识的积累，遗憾的是，直到18世纪以前，尽管人类已经发现了大量的无机化学和有机化学反应，但是化学家当时对于化学新反应体系的探索大多依赖于已有的经验，甚至还处于一种盲目的状态，缺乏明确的理论指导

2、。1887年，奥斯特瓦尔德和范特霍夫创办了第一本物理化学杂志，标志着一门新兴学科：物理化学的诞生。从此以后，物理化学进入了一个快速发展的时期。物理化学是以武力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中特殊规律的学科。物理化学从化学变化与物理变化的联系入手，研究化学反应的方向和限度，化学反应的速率和机理，物质的微观结构和宏观结构之间的关系等问题，它是化学学科的理论核心。物理化学在化学学科中的核心地位由当时的诺贝尔化学奖的颁奖情况就可见一斑。从1901至1909期间，总共有6位物理化学家获得了诺贝尔化学奖，这其中就包括两位物理化学的创始人：奥斯特瓦尔德和范特霍夫。20世

3、纪诺贝尔化学奖获得者中，约60%是从事物理化学领域研究的科学家。物理化学在系统总结已有的无机分析化学和有机化学的经验事实，提出一整套关于化学反应体系的特殊规律，反过来又指导化学反应新体系的开发和化工生产实践，并获得巨大成功，所以物理化学是化学智慧的结晶。物理化学的研究内容：以简单的合成氨反应为例，为了顺利实现工业生产，至少要搞清楚两个问题。首先要了解该反应的能量变化情况，如热量变化，反应的平衡转化率有多高，这样才便于反应器选型，研究化学反应的方向和限度的学科是化学热力学。其次要了解化学反应的速度有多快，是否需要催化剂，研究相关内容的学科是化学动力学。化学热力学和化学动力学构成物理化学的主要分支

4、学科。除此以外物理化学还有另外两个分支学科：统计热力学和结构与量子化学。前者是为了建立反应体系的宏观性质和粒子微观结构之间的联系；后者则是研究微观粒子的结构和运动规律。物理化学还有其他分支学科：电化学、表面与胶体化学等等。物理化学现象在我们身边无处不在，事实上，我们生活在一个物理化学的世界。物理化学的研究方法：物理化学的研究思想蕴含着丰富的哲学文化内涵，物理化学理论具有明显的简介、对称和和谐的科学美特征。仅举两例1、 气体性质的研究，以压力为轴，压力趋向于0和压力到气液分界的临界点处，状态方程具有相似的数学特征。中国古代文化中关于人性的描述：人之初。性本善；人之将死，其言也善。研究思想异曲同工

5、。不同学科的研究思想也有共通之处。2、 化学平衡移动原理和老子朴素的自然平衡观：天之道：损有余而补不足。第二讲 永动机的乌托邦：化学热力学热和功是自然界能量交换的两种方式。热力学的首要任务就是解开自然界热功能量交换的奥秘。为了研究方便，提出系统和环境的概念。近代工业革命的兴起是的热功能量家换奥秘的研究日趋活跃，瓦特的蒸汽机为热机模型的建立奠定基础。推动化学热力学的飞速发展。同一时期历史上出现过两类不同的永动机研究热潮，最终都以乌托邦式的梦想破灭。（举两个永动机的例子）热力学研究表明：自然界能量交换的奥秘有两个：奥秘1：封闭系统的能量转化与守恒：热力学第一定律；奥秘2：热工交换的不可逆性：热力学

6、第二定律。永动机不可能造成就是因为分别违反了热力学第一定律和第二定律。事实上这两个热力学基本定律是公理性的命题，虽然它自身无法用数学证明，但是永动机梦想的破灭恰恰证实了这两个定律的正确性。法国天才的物理化学家卡诺首次建立了可逆热机的模型，提出了注明的卡诺定律，并且证明热机效率小于1。自此，关于永动机的研究才逐渐退出历史舞台，不过遗憾的是：卡诺采用了错误的热质说来证明卡诺定律。（简介卡诺可逆热机模型，画图）（日常生活中，发动机相当于热机正着开；空调机相当于热机倒着开）有趣的是，在个热机模型中，有两个特殊的做功过程耐人寻味。1、气体在汽缸中等温压缩，何种方式环境做功最少？系统内外压差无穷小，环境对

7、系统做功最少。2、气体在汽缸中等温膨胀，何种方式系统做功最多？系统内外压差无穷小，系统对环境做功最多。这是可逆过程的基本特征。作为非专业的化学工作者，我们不要纠缠于上述结论如何进行严格的数学证明，而更应该主动思考这个规律给我呢吧入场生活带来的启示。比如，教育孩子时，如果能做到换位思考（此时相当于大人和孩子的思维方式差别无穷小），比起棍棒式强制教育，往往事半功倍，少做无用功。第三讲 爱斯基摩人如何获得淡水：相平衡的奥秘我们生活在一个气-液-固多相共存的世界。试想一下，把一杯食盐水冷却降温道一定程度，将会有固体出现，那么固体里面到底是冰，还是实验警惕，还是两者都有？事实上，上述情况都有可能出现，取

8、决于实验的温度，压力和食盐水的浓度。研究这种相变化规律的理论基础是吉布斯相律。（简介吉布斯相律）举例说明甲醇和乙醇二组分溶液，吉布斯相律预测，温度一定，蒸气总压是浓度的单值函数。实验可以完全证实（拉乌尔定律）。吉布斯相律对于相变化研究的指导作用于毛主席的论持久战对于抗日战争的军事理论指导作用有异曲同工之妙。都附有较高的哲学意味。因此，物理化学也可以说是化学的哲学。为了直观起见，我们可以把相变化规律绘制成图形，这就是想图。（画食盐水的的相图）解释爱斯基摩人如何获取淡水，奥秘在于选取合适的温度区间。第四讲 损有余而补不足：化学平衡移动原理 化学反应的平衡转化率大小直接决定其是否适合工业生产 那些因

9、素能改变转化率，或者说能使化学平衡发生移动呢？这是化学热力学研究的一个重要内容。 研究表明：改变温度、压力、浓度等因素都有可能使平衡发生移动，具体的研究结果可用化学平衡移动原理描述。 简介化学平衡移动原理 对比分析老子的损有余而补不足的自然平衡观。 如果把化学平衡看做是自然平衡的一个特例，恰好体现和鞋自恰的科学美特征。 事实上，化学平衡移动原理仅仅只是解决了已知化学反应能按照预定方向进行的前提下化学反应的限度问题。他并不能告诉我们如何判定一个化学反应能否自动进行，即化学反应的方向性问题。 关于方向性问题的解答正式化学热力学中数学证明最为复杂而却又是最为精彩的一部分内容。时间关系，我们只能省去数

10、学细节，给大家介绍一些基本的研究成果。 以热力学第二定律为基础，克劳修斯借鉴了卡诺关于热机的热工交换的研究成果，创造性的引入一个数学符号：墒。正式这条美丽的S曲线，从根本上解决了化学反应方向性班别的准则问题。（简介孤立系统的熵判据）这个规律表明：孤立系统中熵变的正负号决定化学反应能否自动进行。并非所有的化学反应都能如人所愿，人类在神奇的大自然面前也并不似无所不能。比如在常温常压下，金刚石可以自发生成石墨（只不过是速度极慢），而石墨却不能自发变成金刚石（尽管这是我们所期望的）。第五讲 化学动力学的魔杖：催化剂通过调节浓度、温度可以改变化学反应速度，不过最有趣的还是催化剂的引入对提高反应速度有着更

11、加神奇的效果。研究这部分内容的学科称之为化学动力学。简介质量作用定律简介阿雷尼乌斯方程简介化学反应速率常数这里我们重点介绍催化剂催化剂虽然参与化学反应，但反应前后自身却不消耗。催化剂虽然能改变化学反应的速度，但不能改变化学反应的方向。催化剂的角色：月下老人，所以日语中称之为“触媒”。约有80%的化工生产（尤其是有机化工）过程都要使用催化剂。工业催化剂（如石油工业，生产汽油）大多是固体催化剂，有趣的是，他们多是一些自身有表面缺陷的并不美丽的多孔性物质，但人类正是通过他们合成出大量的新材料来美化我们的生活。你能想象到白金也能作为催化剂吗？（石油组分生产苯）人体内有大量的生物催化剂：酶酶催化剂的转移

12、性、高效性，反应条件温和，绿色化工的希望。淀粉酶只能催化淀粉降解，（而不能转化蛋白质和脂肪）。并且上述反应在人的体温附近就能有效进行，这是大多数化工生产过程可望而不可求的。第六讲 为化学正名的勇士：电化学化学反应既然能释放出能量，化学能能否转化为电能呢？或者翻过来思考，利用电能能否惊醒化学反应呢？回答是肯定的，自然辩证法告诉我们，在一定条件下，不同形式的能量之间可以相互转化。电化学：研究化学能和电能之间相互转化规律的物理化学分支学科。电化学装置在我们身边随处可见。原电池：化学能转变为电能。手机电池、干电池；电解池：电能转变为化学能。电镀，点解铝。（简介丹尼尔电池的工作原理）化学是一把双刃剑，他

13、在生产新材料造福人类的同时，也带来了污染。长久以来，化学被人们误认为只是环境的杀手，但是电化学却始终捍卫者化学的尊严。比如汽车采用汽油为燃料带来全球性的环境污染。电化学原理却能知道我们成功开发出燃料电池，是的未来有可能大规模使用氢能源汽车。电化学为人类大规模使用清洁能源带来福音。（简介燃料电池的工作原理）（简介手机锂电池的工作原理）原电池可以将化学能转化为电能；电解池却能讲电能转化为化学能，正式这种矛盾的对立统一给人类远离传统化学工业带来的严重环境污染带来希望。第七讲 损不足而补有余：神奇的表面张力荷叶上晶莹剔透的球星露珠往往是文人们吟咏的对象，可是物理化学家却把眼光聚焦在空气和水的界面上，结

14、果发现了一个神奇的的物理化学现象：表面现象。事实上，任意两个不同的相之间都会有界面，界面上的表面张力是各种表面现象产生的根源。简介表面张力的概念（图解说明）弯曲液面的附加压力图解说明解释毛细玻璃管中水柱上升，弯月面简介开尔文公式，解释人工降雨。很多表面现象发生的结果往往符合“损不足而补有余”比如：在密闭系统中，小水滴容易被大水滴吸收，而不是两水滴变得一样大。除了表面现象外，我们生活中天天都要用到一类被称之为表面活性剂的物质。简介表面活性剂。大幅降低表面张力肥皂：研制酸钠洗衣粉：十二烷基苯磺酸钠。表面活性剂进入百姓家庭答复提高了人类的生活质量。第八讲 似稳非稳得系统：胶体胶体是颗粒直径介于1100纳米的多相高分散系统。胶体溶液在短时间内稳定不分