温州大学化学与材料工程学院

1、2022-2-16温州大学化学与材料工程学院1物物 理理 化化 学学Physical Chemistry主讲教师：主讲教师： 胡新根胡新根Tel:664485 Email:物理化学研究所物理化学研究所物理和化学物理和化学之间最早相互之间最早相互渗透的学科渗透的学科极富生命极富生命力的化学基力的化学基础学科础学科 新的交叉新的交叉学 科 形 成学 科 形 成和 发 展 的和 发 展 的重要基础重要基础 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院2本课程教学网站本课程教学网站v浙江省物理化学精品课程网址浙江省物理化学精品课程网址:phttp:/ 论论0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发

2、展0.2 物理化学的目的与内容物理化学的目的与内容0.3 物理化学的研究方法物理化学的研究方法0.4 物理化学课程的学习方法物理化学课程的学习方法2022-2-16温州大学化学与材料工程学院40.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展18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(17111765)最早使用“物理化学”这一术语。 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院50.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展 1887年德国科学家W. Ostwald和荷兰科学家J. H. vant Hoff 合办的物理化学杂志(德文）创刊。 W. Ostwald

3、(18531932) J. H. vant Hoff (18521911)2022-2-16温州大学化学与材料工程学院60.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展界面化学化学热力学热化学胶体化学电化学物理化学物理化学溶液化学化学动力学催化化学量子化学结构化学20世纪前期迅速发展： 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领域，如：2022-2-16温州大学化学与材料工程学院70.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展20世纪中叶后发展趋势和特点：(1) 从宏观到微观(2) 从体相到表相(4) 从定性到定量(5) 从单一学科到边缘学科(6) 从平衡态的研究到非平衡态的

4、研究(3) 从静态到动态2022-2-16温州大学化学与材料工程学院80.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展 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，及结构与物性的关系。(1) 从宏观到微观粒子 膜 丝 管纳米(看得见的物体)宏观介观(纳米材料)微观(原子、分子)2022-2-16温州大学化学与材料工程学院90.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展(2) 从体相到表相 在多相系统中，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。 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院100.1 物理化学

5、的建立与发展物理化学的建立与发展(3) 从静态到动态 热力学方法是从静态利用热力学函数研究变化的方向和限度，但无法给出变化的细节。 激光技术和分子束技术的出现，可以真正地研究化学反应的动态问题。 分子反应动态学已成为非常活跃和最富成果的学科之一。pD.R.Herschbach和美籍华裔科学家李远哲在该领域做出了杰出的贡献，因而和美籍华裔科学家李远哲在该领域做出了杰出的贡献，因而分享了分享了1986年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院110.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展(4) 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

6、间，并可进行自动记录和人工拟合。IR FT-IRNMRESRESCA 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： 利用计算机还可以进行模拟放大和分子设计。电子自旋共振 化学分析光电子能谱 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院120.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展(5) 从单一学科到边缘学科 化学学科内部及与其他学科相互渗透、相互结合，形成了许多极具生命力的边缘学科，如：生物药学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2022-2-16温州大学化学与材料工程学院130.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展 (6)

7、从平衡态的研究到非平衡态的研究 平衡态热力学只研究平衡态和可逆过程的系统，主要研究封闭系统或孤立系统。 对处于非平衡态的敞开系统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。 Prigogine对非平衡态热力学有突出贡献，这个学科分支成为当前理论化学的研究前沿之一。2022-2-16温州大学化学与材料工程学院140.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容p正确认识化学和物理化学正确认识化学和物理化学化学化学埋没在自己成功之下的埋没在自己成功之下的“中心科学中心科学”物理化学起源于欧洲，成长于美国物理化学起源于欧洲，成长于美国物理化学是强国和大国的基础学科物

8、理化学是强国和大国的基础学科p参考文献：王鸿飞，杨俊林，参考文献：王鸿飞，杨俊林，物理化学进展物理化学进展2022-2-16温州大学化学与材料工程学院150.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容什么是物理化学?p研究所有物质系统的化学行为的研究所有物质系统的化学行为的原理、规律和原理、规律和方法的学科方法的学科。p涵盖从宏观到微观与性质的关系、规律、化学涵盖从宏观到微观与性质的关系、规律、化学过程机理及其控制的研究。过程机理及其控制的研究。p物理化学是化学以及在分子层次上研究物质变物理化学是化学以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的化的其他学科领域的理论基础理论基础。2022-2

9、-16温州大学化学与材料工程学院160.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容概括地说概括地说:物理化学物理化学是从研究化学现象和物理现象之间的相互是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。联系入手，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。在实验方法上主要采用物理学中的方法。 （-付献彩-）2022-2-16温州大学化学与材料工程学院170.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容化学反应原子、分子间的分离与组合热电光磁温度变化压力变化体积变化化学物理学密密不不可可分分相态变化2022-2-16温州大学化学与材料

10、工程学院180.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容物理化学用物理的理论和实验方法研究化学变化的本质与规律物理现象化学现象2022-2-16温州大学化学与材料工程学院190.2 0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容veg. Lavoisier实验2022-2-16温州大学化学与材料工程学院200.2 0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容eg. 乙苯乙苯 苯乙烯苯乙烯 + Q (高温、高压高温、高压) 在实际反应前，液体乙苯需气化成气体，并与水在实际反应前，液体乙苯需气化成气体，并与水蒸汽以蒸汽以1:9混合，再将温度升高到指定温度。混合，再将温度升高到指定温度。

11、反应进行后，由反应器出囗将得到的高温混合气反应进行后，由反应器出囗将得到的高温混合气体体(不参加反应的水蒸汽、未反应完的乙苯、产物苯乙不参加反应的水蒸汽、未反应完的乙苯、产物苯乙烯及氢气烯及氢气)。该混合气体又通过冷却，分离出液体水、。该混合气体又通过冷却，分离出液体水、乙苯与苯乙烯的混合物乙苯与苯乙烯的混合物(与水不容与水不容)及不凝结的氢气。最及不凝结的氢气。最后还需通过精馏提纯将乙苯与苯乙烯的混合物分离出后还需通过精馏提纯将乙苯与苯乙烯的混合物分离出合乎要求的苯乙烯产品。合乎要求的苯乙烯产品。2022-2-16温州大学化学与材料工程学院210.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容

12、研究内容（1）化学变化的）化学变化的方向和限度方向和限度问题问题 各种因素如温度、压力和浓度等对化学变化的影响等。这类问题属于的范畴。（2）化学反应的）化学反应的速率和机理速率和机理问题问题 外界条件如温度、压力、浓度和催化剂等对反应速率的影响。这属于的范畴。（3）物质）物质结构与性能结构与性能之间的关系之间的关系 研究这类问题有和两个分支。 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院22印永嘉教授说：印永嘉教授说：v“无机化学是化学的四肢，有机化学是化学无机化学是化学的四肢，有机化学是化学的驱体，分析化学是化学的眼睛，而物理化的驱体，分析化学是化学的眼睛，而物理化学是化学的灵魂学是化学的灵

13、魂” ” 。v“没有物理化学知识的人，不能说懂得化没有物理化学知识的人，不能说懂得化学学”。0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容例如：例如： 学习无机化学时，元素周期律起很大作用，但只有在学学习无机化学时，元素周期律起很大作用，但只有在学习了物质结构之后，才能对周期律的本质和内在规律给出更习了物质结构之后，才能对周期律的本质和内在规律给出更深刻的揭示。深刻的揭示。 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院230.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容Ca(NO3)2 .4H2O+Na2SO4.10H2O=CaSO4+2NaNO3+14H2O 2022-2-16温州大学化学

14、与材料工程学院240.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容一次性怀炉的原理一次性怀炉的原理催化剂的应用催化剂的应用铁粉铁粉空气空气吸水聚吸水聚合物合物铁锈铁锈NaCl活性碳活性碳催化剂催化剂2022-2-16温州大学化学与材料工程学院250.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容C（石墨）（石墨） C（金刚石）反应条件的探索（金刚石）反应条件的探索 寻找氨合成反应寻找氨合成反应 N2 + 3H2 2NH3 在常温下的催化剂可在常温下的催化剂可能性能性人造羊毛原料丙烯氰合成工艺的改进人造羊毛原料丙烯氰合成工艺的改进 CH2=CH-CH3 + HCN CH2=CH-CN（产品）（产品

15、）+ CH4 CH2=CH-CH3 + NH3 CH2 =CH-CN + 3H2 G 0 H2 + O2 H2O G 0总反应总反应 G 0 反应耦合反应耦合2022-2-16温州大学化学与材料工程学院26催化剂的作用机理催化剂的作用机理吸附吸附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附反应物化反应物化学键松动学键松动键合键合反应物和催反应物和催化剂成键化剂成键2022-2-16温州大学化学与材料工程学院27催化剂的催化机理催化剂的催化机理演示演示H2Au/Pd-AgAu/Pd-Ag膜膜不发生反应不发生反应H22022-2-16温州大学化学与材料工程学院28H2不发生反应不发生反应H2HH发生反应发生反

16、应Au/Pd-AgAu/Pd-Ag膜膜催化剂的催化机理催化剂的催化机理演示演示HH2022-2-16温州大学化学与材料工程学院290.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容p探寻光化学烟雾污染的形成机理p光化学烟雾污染是20世纪40年代美国洛杉机发生的严重污染事件，现在光化学烟雾已成为城市大气污染的严重问题之一：诱发各种呼吸道炎症；降低大气的能见度，影响植物的光合作用；使植物的叶、花及果实生长迟缓，产量减少。正是依靠物理化学对反应机理和速率的测定，才探明了光化学烟雾形成的原因。有机化合物碳氢化合物）汽车尾气（232,CONOOOCONOxhvx2022-2-16温州大学化学与材料工程学院

17、300.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容p研究臭氧层破坏的机理p依靠化学动力学、光化学知识和现代实验手段，现已探明，由于CFCI3、CF2Cl2等卤化碳污染物进入大气的平流层，因降解产生Cl与O3而发生链反应。232232222OOOOClOClOOClOOClClCClFFCClhv2022-2-16温州大学化学与材料工程学院310.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容p探索化学新工艺，减少环境污染（绿色化学）探索化学新工艺，减少环境污染（绿色化学）v利用催化材料和技术寻找合适的催化剂，利用新工艺代利用催化材料和技术寻找合适的催化剂，利用新工艺代替传统老工艺。例如：替传统

18、老工艺。例如：利用利用固体超强酸固体超强酸替代液态硫酸进行工业生产替代液态硫酸进行工业生产利用利用光催化技术光催化技术处理有机废水、废气（处理有机废水、废气（TiO2光催化剂）光催化剂）“原子经济性原子经济性”：最大限度地利用原料分子的每一个原子最大限度地利用原料分子的每一个原子 五个五个“R” ：Reduction，Reuse，Recycling，Regeneration，Rejection绿色化学绿色化学的核心的核心 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院32p工业生产苯胺的过程工业生产苯胺的过程v化学计量式：化学计量式：66+ (H2SO4)铁粉还原法：铁粉还原法：4+9Fe4 +

19、3Fe3O4 (FeCl2,1000)气相催化加氢：气相催化加氢：+3 + 2 (Pt)0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容2022-2-16温州大学化学与材料工程学院33p用绿色化学观点分析过程的不足：用绿色化学观点分析过程的不足：v v 66反应反应的原子经济性的原子经济性=(4*93)/(56*9+16*12+93*4)*100%=25.83%反应反应的原子经济性的原子经济性=(93/147)*100%=63.3%v这两个反应原子经济性都教低，造成反应原料的浪费，其中这两个反应原子经济性都教低，造成反应原料的浪费，其中反应反应产物中氧化铁泥造成污染需回收处理。产物中氧化铁泥造

20、成污染需回收处理。0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容2022-2-16温州大学化学与材料工程学院340.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容p66+22 (催化剂催化剂)rH=-285.84*2+35.3-49.036-(-80.83)-(-187.61)=-316.976rS=69.94*2+191.6-92-110-173.264113.724rG=rH-TrS 1 时 lnN! = N lnN - N(7) Euler（ 欧勒）齐函数定理 如f (x, y, z) = n f (x, y, z) 则称f (x, y, z)为n次齐函数例u = ax2+bxy+cy2

21、 将换成x,y,z则有 u = 2u(6) Stirling（斯特林）近似公式2022-2-16温州大学化学与材料工程学院74齐次函数性质：)y, x(fny)yf(x)xf(xya. 若f (x, y, z)是m次齐函数，(x, y, z)为n次齐函数， 则为f (x, y, z)/ (x, y, z)为(m n)次齐函数。b. 设f (x, y)是n次齐函数，则有2022-2-16温州大学化学与材料工程学院75c. 若f (x, y)是n次齐函数，则该函数对任一变数微商所得的函数为(n-1)次。 V)nV(n)nV(n12n ,P,T22n ,P,T11如对两组分理想混合气体：V = (n1 + n2)RT / P 2022-2-16温州大学化学与材料工程学院76(8) 常用微积分公式（p466-468）RNPRNP(9) 排列组合定理A不同物体排列 N个不同物体，取R个进行排列，排列方式有：=N(N-1)(N-2).(N