物理化学绪论

1、物物 理理 化化 学学陈桂芳陈桂芳音头采用音头采用高性能钕铁硼磁体高性能钕铁硼磁体和双膜球顶音膜，和双膜球顶音膜，灵敏度高灵敏度高利用物理化学中的利用物理化学中的凝固点降低原凝固点降低原理理、二组分体系相图二组分体系相图并巧妙的设并巧妙的设计了一个计了一个电解槽装置电解槽装置才攻克了制才攻克了制备的难关备的难关 血液：血液细胞血液：血液细胞+血浆。细胞内的溶液与细胞外的血血浆。细胞内的溶液与细胞外的血浆必须各自维持一定浓度。浆必须各自维持一定浓度。 人在输液时人在输液时, 进入血浆的溶液与血浆具有相等的进入血浆的溶液与血浆具有相等的渗透渗透压压, 称为等渗溶液称为等渗溶液, 就生理盐水而言就生

2、理盐水而言, 其其质量分数为质量分数为0. 9% 。等渗溶液浓度的计算依据等渗溶液浓度的计算依据稀溶液稀溶液的范特霍夫的范特霍夫渗透压公式渗透压公式:= cRTv谚语云谚语云：卤水点豆腐卤水点豆腐，一物降一物。一物降一物。胶体聚沉的机制胶体聚沉的机制 为什么豆浆遇到一点卤水为什么豆浆遇到一点卤水(主要含有主要含有MgCl2 )就会变成豆就会变成豆腐呢腐呢? 豆浆：大量蛋白质豆浆：大量蛋白质, 表面带有表面带有负电荷负电荷并在表面有并在表面有水膜水膜生生成成; 这种蛋白质溶液这种蛋白质溶液具有胶体的性质具有胶体的性质。在豆浆中加进卤水后。在豆浆中加进卤水后, 由于离子与水的结合作用由于离子与水的

3、结合作用, 蛋白质颗粒的水膜首先遭到破坏蛋白质颗粒的水膜首先遭到破坏, 然后然后Mg2+ 中和蛋白质的电性中和蛋白质的电性, 进而发生蛋白质分子大团聚的进而发生蛋白质分子大团聚的过程过程, 这就形成了豆腐。这就形成了豆腐。v 热与功的转化热与功的转化: :空调制冷致热空调制冷致热 v 稀溶液依数性稀溶液依数性: :“冰灾的时候为什么向公路上撒盐？冰灾的时候为什么向公路上撒盐？” 利用凝固点下降原理，将NaCl和冰（或雪）混合，可以使温度降低到251 K。CaCl2与冰（或雪）混合，可以使温度降低到218 K。 冬季建筑施工时，为保证施工质量，常在浇注混凝土时加入盐类，且加CaCl2效果较好。（

4、降低混凝土的固化温度，相同浓度下CaCl2 所含质点较多。）v润湿问题润湿问题: :超疏水性材料如荷叶超疏水性材料如荷叶, , 海豚皮肤海豚皮肤, ,自清自清洁涂料等等洁涂料等等; ;超亲水性材料如玻璃超亲水性材料如玻璃, ,超吸水性树脂超吸水性树脂和超吸油性树脂和超吸油性树脂 接触角与润湿作用接触角与润湿作用Hgs-ll-gs-g完全不润湿完全不润湿 不润湿不润湿 能润湿能润湿 完全润湿完全润湿 表面的防水与自洁作用表面的防水与自洁作用莲花效应莲花效应 表面的防水与自洁作用表面的防水与自洁作用 表面的防水与自洁作用表面的防水与自洁作用超疏水状态超疏水状态不沾油不沾油抹布抹布不沾锅不沾锅水在超

5、疏水表面水在超疏水表面石材表面的疏水作石材表面的疏水作用和保护用和保护 表面的防水与自洁作用表面的防水与自洁作用 表面的防水与自洁作用表面的防水与自洁作用建筑自洁玻璃建筑自洁玻璃纳米自洁釉纳米自洁釉 v 超临界流体萃取超临界流体萃取是分离科学中有划时代意义的科技进步，然是分离科学中有划时代意义的科技进步，然而这一高新技术是物理化学中而这一高新技术是物理化学中临界状态、溶解度定律临界状态、溶解度定律、二相、二相平衡的平衡的分配定律分配定律及及焦尔一汤姆生效应焦尔一汤姆生效应这些基本内容相结合而这些基本内容相结合而成。成。v 纳米反应器纳米反应器: :化学家利用物理化学中胶体章节具有纳米尺化学家利

6、用物理化学中胶体章节具有纳米尺度的度的反胶束油包水反胶束油包水作为纳米反应器，在这种软模板中合作为纳米反应器，在这种软模板中合成了各种无机、有机、高分子纳米粒子。成了各种无机、有机、高分子纳米粒子。高催化活性的空心纳米反应器高催化活性的空心纳米反应器相图相图是一个具有丰富内容的信息库。有人称是一个具有丰富内容的信息库。有人称“相相图是材料研究的拐棍图是材料研究的拐棍”, 至今在发现新材料至今在发现新材料 如如导电导电陶瓷、微波材料、磁性材料陶瓷、微波材料、磁性材料等方面是不可缺少的手等方面是不可缺少的手段。段。绪论绪论0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展0.2 物理化学的目的与内容

7、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0.5关于关于物理量的表示与运算物理量的表示与运算 “燃素说燃素说”“能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律”可燃的要素是一种气态的物质，存可燃的要素是一种气态的物质，存在于一切可燃物质中，这种要素就在于一切可燃物质中，这种要素就是燃素（是燃素（phlogiston）；）；燃素在燃烧过程中从可燃物中飞散燃素在燃烧过程中从可燃物中飞散出来，与空气结合，从而发光发热，出来，与空气结合，从而发光发热，这就是火这就是火0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展LOGO化学反应过程中化

8、学反应过程中的能量关系的能量关系化学反应的规律化学反应的规律化学亲和力化学亲和力化学平衡化学平衡化学化学现象现象电现象电现象物理化学十八世纪开始萌芽物理化学十八世纪开始萌芽：0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展LOGO电离学说电离学说原子分子理论原子分子理论热力学第一、热力学第一、第二定律第二定律量子力学量子力学化学元素周期律化学元素周期律质量作用定律质量作用定律物理化学物理化学0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展LOGO十八世纪中叶十八世纪中叶俄国科学俄国科学家家罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫(1711-(1711-1765)1765)最早使用最早使用“物理化物理化学学”这一术

9、语。这一术语。罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展 1887年德国科学家年德国科学家W.Ostwald(奥斯特瓦尔德奥斯特瓦尔德) 和荷兰科学和荷兰科学家家J.H. vant Hoff(范霍夫范霍夫) 合办的合办的“物理化学杂志物理化学杂志” (德文）创德文）创刊。刊。 W. Ostwald (18531932) J. H. vant Hoff (18521911)0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展2020世纪前期迅速发展世纪前期迅速发展界面化学界面化学热化学热化学电化学电化学化学热力学化学热力学物理

10、化学物理化学溶液化学溶液化学胶体化学胶体化学化学动力学化学动力学催化化学催化化学量子化学量子化学结构化学结构化学 新测试手段和新测试手段和新数据处理方法不新数据处理方法不断涌现断涌现 形成了许多形成了许多新的分支领域，新的分支领域，如：如： 0.1 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：世纪中叶后发展趋势和特点：(1) 从宏观到微观从宏观到微观(2) 从体相到表相从体相到表相(4) 从定性到定量从定性到定量(5) 从单一学科到边缘学科从单一学科到边缘学科(6) 从平衡态的研究到非平衡态的研究从平衡态的研究到非平衡态的研究(3) 从静态到动态从静态到动态0.1 物

11、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。掌握化学变化的本质和结构与物性的关系。(1) 从宏观到微观从宏观到微观宏观宏观( (看得见的物体看得见的物体) )介观介观( (纳米材料纳米材料) )微观微观( (原子、分子原子、分子) )粒子粒子 膜膜 丝丝 管管纳米纳米0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展(2) 从体相到表相从体相到表相 在多相系统中，化学反应总是在在多相系统中，化学反应总是在表相表相上进行。上进行。随着测试手段的进步，了解表相反应的实

12、际过程，随着测试手段的进步，了解表相反应的实际过程，推动推动表面化学和多相催化表面化学和多相催化的发展。的发展。 0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展(3) 从静态到动态从静态到动态 热力学研究方法是从静态利用热力学研究方法是从静态利用热力学函数热力学函数判断判断变化的变化的方向和限度方向和限度，但无法给出变化的细节。，但无法给出变化的细节。 激光技术激光技术和和分子束技术分子束技术的出现，可以真正地研的出现，可以真正地研究化学反应的动态问题。究化学反应的动态问题。 分子反应动力学分子反应动力学已成为非常活跃的学科。已成为非常活跃的学科。0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与

13、发展(4) 从定性到定量从定性到定量 随着计算机技术的飞速发展，大大缩短了数随着计算机技术的飞速发展，大大缩短了数据处理的时间，并可进行自动记录和人工拟合。据处理的时间，并可进行自动记录和人工拟合。 使许多以前只能做定性研究的课题现在可进使许多以前只能做定性研究的课题现在可进行定量监测，做行定量监测，做原位反应原位反应，如：，如： 利用计算机还可以进行模拟放大和分子设计。利用计算机还可以进行模拟放大和分子设计。化学分析电子光谱学化学分析电子光谱学核磁共振核磁共振 傅立叶转换红外线光谱傅立叶转换红外线光谱FT-IRNMRESCA0.1 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

14、边缘学科从单一学科到边缘学科 化学学科内化学学科内部及与其他学部及与其他学科相互渗透、科相互渗透、相互结合，相互结合，生物生物药学药学天文天文医学医学化学化学计算计算材料材料计算计算化学化学生物生物化学化学药物药物化学化学材料材料化学化学天体天体化学化学医用医用化学化学形成了许多极形成了许多极具生命力的边具生命力的边缘学科，如：缘学科，如：0.1 物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展 平衡态热力学只研究平衡态和可逆过程的平衡态热力学只研究平衡态和可逆过程的系统，主要研究系统，主要研究封闭系统或孤立系统封闭系统或孤立系统。(6) 从平衡态的研究到非平衡态的研究从平衡态的研究到非平衡态的研究

15、对处于非平衡态的对处于非平衡态的敞开系统敞开系统的研究更具有的研究更具有实际意义。自实际意义。自1960年以来，逐渐形成了非平衡年以来，逐渐形成了非平衡态热力学这个学科分支。这个学科分支成为当态热力学这个学科分支。这个学科分支成为当前理论化学的研究前沿之一。前理论化学的研究前沿之一。0.2 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什么是物理化学? ?化学反应化学反应原子、分子间的分离与组合原子、分子间的分离与组合热热电电光光磁磁温度变化温度变化压力变化压力变化体积变化体积变化化学化学物理学物理学密密不不可可分分相态变化相态变化0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容物理化

16、学物理化学用物理的理论和实验方法用物理的理论和实验方法研究化学变化的本质与规律研究化学变化的本质与规律物理现象物理现象化学现象化学现象什么是物理化学什么是物理化学? ?物理化学物理化学 从研究从研究化学现象化学现象和和物理现象物理现象之间的相互联之间的相互联系入手，借助系入手，借助数学数学和和物理学物理学的理论从而探求化学变化中的理论从而探求化学变化中具有普遍性的包含具有普遍性的包含宏观到微观宏观到微观的基本规律。的基本规律。 在实验方法上主要采用在实验方法上主要采用物理学物理学中的方法。中的方法。 作为化学的理论基础，物理化学主要由作为化学的理论基础，物理化学主要由化学热力学化学热力学、化学

17、动力学化学动力学、结构化学结构化学三大支柱组成。三大支柱组成。0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容33化学从一开始就与工业生产、国民经济紧密相联。化学从一开始就与工业生产、国民经济紧密相联。 例如：钢铁的冶炼；例如：钢铁的冶炼； 煤炭燃烧产生能量带动蒸汽机的运转。煤炭燃烧产生能量带动蒸汽机的运转。 这些推动人类历史发展的重要动力都是通过化学反这些推动人类历史发展的重要动力都是通过化学反应来实现的。应来实现的。人们最关心的化学问题：人们最关心的化学问题： 怎样通过化学反应来怎样通过化学反应来生产产品生产产品和和获取能量？获取能量？ 这正是物理化学所研究的基本问题。这正是物理化学所研究

18、的基本问题。0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容目的目的 物理化学主要是为了解决生产实际和科学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质，更好地驾驭化学，使之为生产实际服务。 0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容LOGO化学热力学化学热力学研究研究化学变化过程（包括相化学变化过程（包括相变过程）的能量转换及化学变过程）的能量转换及化学变化的方向和限度问题；变化的方向和限度问题；化学动力学化学动力学研究化学反应的速率和机研究化学反应的速率和机理问题及影

19、响速率的因素理问题及影响速率的因素结构化学结构化学物质的性质与其结构之间物质的性质与其结构之间的关系问题的关系问题0.2 物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容上册上册n第一章第一章 气体气体n第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律n第三章第三章 热力学热力学第第二定律二定律n第四章第四章 多组分多组分系统系统热力学热力学及其及其 在溶液中的应用在溶液中的应用n第第五五章章 相平衡相平衡n第第六六章章 化学平衡化学平衡n第七章第七章 统计热力学基础统计热力学基础下册下册n第八章第八章 电解质溶液电解质溶液n第九章第九章 可逆电池的电动势及其可逆电池的电动势及其 应用应用n第十章第十章 电

20、解与极化作用电解与极化作用n第十一章第十一章 化学动力学基础（一）化学动力学基础（一）n第十二章第十二章 化学动力学基础（二）化学动力学基础（二）n第十三章第十三章 表面物理化学表面物理化学 n第十四章第十四章 胶体分散系统和大分胶体分散系统和大分 子溶液子溶液章节目录章节目录（1）遵循）遵循“实践实践理论理论实践实践”的认识过程，的认识过程，用归纳法和演绎法，即从众多实验事实概括到用归纳法和演绎法，即从众多实验事实概括到一般，一般， 再从一般推理到个别的思维过程。如从再从一般推理到个别的思维过程。如从理想气体状态方程理想气体状态方程的提出到的提出到范德华方程范德华方程的建立的建立就是遵循上述

21、方法的。就是遵循上述方法的。 0.3 物理化学的研究方法物理化学的研究方法（2）综合应用微观与宏观的研究方法，）综合应用微观与宏观的研究方法，主要有：主要有：热力学方法、统计力学方法和量子力学热力学方法、统计力学方法和量子力学方法。方法。 0.3 物理化学的研究方法物理化学的研究方法热力学方法：热力学方法： 是宏观的方法，其研究对象是由是宏观的方法，其研究对象是由 众多质点组成的众多质点组成的宏观体系宏观体系，它以热力学三大定律为基础，用一系列体，它以热力学三大定律为基础，用一系列体系的宏观性质（热力学函数）及其变量描述体系从始系的宏观性质（热力学函数）及其变量描述体系从始态到终态的宏观变化，

22、而态到终态的宏观变化，而不涉及变化的细节和速率不涉及变化的细节和速率。 经典热力学方法只适用于平衡体系。经典热力学方法只适用于平衡体系。 0.3 物理化学的研究方法物理化学的研究方法统计力学方法：统计力学方法： 它主要是运用微观研究手段，把统计描述与量子它主要是运用微观研究手段，把统计描述与量子力学原理结合起来，力学原理结合起来， 用用概率规律概率规律计算出体系内部大量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性质。算一些热力学性质。 0.3 物理化学的研究方法物理化学的研究方法量子力学方法量子力学方法： 用用量子

23、力学的基本方程量子力学的基本方程（E.Schrodinger方方程）求解组成体系的微观粒子之间的相互作用程）求解组成体系的微观粒子之间的相互作用及其规律，从而揭示物性与结构之间的关系。及其规律，从而揭示物性与结构之间的关系。 0.3 物理化学的研究方法物理化学的研究方法 如何将宏观与微观世界联系起来？如何将宏观与微观世界联系起来？ 量子力学量子力学 （微观的方法）（微观的方法） 化学热力学化学热力学 （宏观的方法）（宏观的方法）统计热力学统计热力学 统计热力学从微观层次阐明了热力学、动力学的基本定律和统计热力学从微观层次阐明了热力学、动力学的基本定律和热力学函数的本质以及化学系统的性质和行为，

24、不仅使人们对物热力学函数的本质以及化学系统的性质和行为，不仅使人们对物质本质及化学过程的认识大大深化，并使计算化学有了飞跃的发质本质及化学过程的认识大大深化，并使计算化学有了飞跃的发展，为人们实现通过计算代替实验来研究化学的梦想打下了基础、展，为人们实现通过计算代替实验来研究化学的梦想打下了基础、打开了大门。打开了大门。 0.3 物理化学的研究方法物理化学的研究方法 注意各章节间及各物理量间的联系，要理解各物理量的物注意各章节间及各物理量间的联系，要理解各物理量的物理意义及特征，灵活掌握一些主要公式的使用条件。理意义及特征，灵活掌握一些主要公式的使用条件。列点对比法列点对比法：针对该课程中：针

25、对该课程中基本概念基本概念繁杂而提出的，先将繁杂而提出的，先将 概念横向分解成各个小的知识点，以表格或者点状的形式，概念横向分解成各个小的知识点，以表格或者点状的形式， 分成定义、公式、意义、应用条件等一一列举出来，然后分成定义、公式、意义、应用条件等一一列举出来，然后 将相似的概念放在一起，纵向加以对比，这样可以使知识将相似的概念放在一起，纵向加以对比，这样可以使知识 明了、思路清晰。明了、思路清晰。 例如：例如：熵判据、亥姆赫兹函数判据熵判据、亥姆赫兹函数判据和和吉布斯函数判据吉布斯函数判据 0.4 物理化学课程的学习方法物理化学课程的学习方法 数学证明法数学证明法：针对该课程中的一些定律

26、与公式具有相关性而：针对该课程中的一些定律与公式具有相关性而提出的从纯数学的角度，结合物理化学的一些基本公式，推提出的从纯数学的角度，结合物理化学的一些基本公式，推导各个定律与公式的相关性，如三大定律、三大常用判据等导各个定律与公式的相关性，如三大定律、三大常用判据等，甚至一些概念也可以通过这个方法得到相互关系与推导。，甚至一些概念也可以通过这个方法得到相互关系与推导。由表及里记忆法由表及里记忆法：很多记忆的知识先抛开物理化学中概念的：很多记忆的知识先抛开物理化学中概念的 物理意义，纯粹从物理意义，纯粹从数学数学与与字母字母的角度找规律进行记忆，然后的角度找规律进行记忆，然后 赋予其物理意义，

27、这样能达到意想不到的效果赋予其物理意义，这样能达到意想不到的效果 0.4 物理化学课程的学习方法物理化学课程的学习方法课前预习，课后复习，勤于思考，敢于提问，不怕争论课前预习，课后复习，勤于思考，敢于提问，不怕争论, ,培养自学和独立学习的能力。培养自学和独立学习的能力。多做习题，学会解题方法。很多东西只有通过解题才多做习题，学会解题方法。很多东西只有通过解题才能学到，不会解题，就不可能掌握物理化学。能学到，不会解题，就不可能掌握物理化学。 0.4 物理化学课程的学习方法物理化学课程的学习方法参考书：参考书：1.物理化学学习指导孙德坤主编 高等教育出版社 20072.物理化学天津大学教研室编（

28、第五版）高等教育出版社 20093.物理化学 胡英主编 （第五版） 高等教育出版社 20074.物理化学导学 陈亚芍 科学出版社 20065.物理化学解题指南 冯霞 高等教育出版社 20096.物理化学 陈六平主编 科学出版社 20117.近代物理化学 朱志昂主编（第四版） 科学出版社 2008参考书参考书 物理化学中将涉及到许多物理量。如压力、温度、物理化学中将涉及到许多物理量。如压力、温度、体积、热力学能、焓和熵等。因此物理量的正确表示体积、热力学能、焓和熵等。因此物理量的正确表示及运算就构成本课程的重要组成部分。及运算就构成本课程的重要组成部分。1. 1. 物理量的表示物理量的表示2.

29、2. 对数中的物理量对数中的物理量3. 3. 量值计算量值计算 0.5 物理量的表示与运算物理量的表示与运算物理量物理量= =数值数值单位单位 若物理量用若物理量用A表示，数值用表示，数值用A表示，单位用表示，单位用A表示，则表示，则 物理量物理量A可表为可表为 A = AA 注意把注意把量的单位量的单位与与量纲量纲两个概念区分开。量的单位是人为两个概念区分开。量的单位是人为选定用来确定量的大小的名称。而量纲则表示一个量是由哪些选定用来确定量的大小的名称。而量纲则表示一个量是由哪些基本量导出的和如何导出的式子基本量导出的和如何导出的式子（这里没考虑数字因数），（这里没考虑数字因数），它它表示了量的属性。如压力的单位为表示了量的属性。如压力的单位为Pa（帕斯卡），（帕斯卡），其量纲则为其量纲则为L-1MT-2，其中，其中L是长度，是长度，M是质量，是质量，T是时间，它们是构成压是时间，它们是构成压力的基本量力的基本量。 1.物理量的表示物理量的表示 0.5 物理量的表示与运算物理量的表示与运算量的数值在图表中的表示方法量的数值在图表中的表示方法 在科学技术文献的各类图表中，图坐标的标注或表头的标在科学技术文献的各类图表中，图坐标的标注或表头的标注都以注都以纯数纯数表示，即量除以它的单位：表示，即量除以它的单位：A=A/A例如，乙醇的蒸气压例如，乙醇的蒸气压p p与温度与温度T