无机非金属材料工程《物理化学》课程教学大纲

《物理化学》课程教学大纲一、基本信息课程编码：106113123100英文名称：PhysicalChemistry课程性质：专业必修课学分：3.5学分学时：56学时开课学期：第4学期开课院系：材料科学与工程学院适用专业：无机非金属材料工程先修课程：大学物理、高等数学、无机及分析化学二、课程简介《物理化学》是无机非金属材料工程的专业基础课程。通过本课程的学习，使学生能够系统掌握化学热力学、化学动力学、相平衡、电化学和表面与胶体化学的基础知识和基本原理，加深对自然现象的普遍规律及其本质的认识和理解，学习物理化学的科学思维方法，培养理论推导的能力，提升无机非金属材料工程专业人才的整体知识结构及能力结构，掌握理论联系实际、分析和解决问题的方法，具备初步运用物理化学的理论和实验方法解决无机非金属材料工程问题的能力。三、课程教学任务与教学目标（一）教学任务本课程的主要任务是通过课堂教学使学生能够掌握化学热力学、化学动力学、相平衡、电化学和表面与胶体化学的基本知识、原理及方法，及其在电化学储能及可再生能源转化的应用，同时还应得到一般科学方法的训练和逻辑思维能力的培养，并学会物理化学中的实验方法，能够运用其解决复杂无机非金属材料工程专业问题。（二）课程目标1．课程目标（1）使学生系统掌握物理化学的基本原理，以及用物理和数学的理论解决化学问题的方法。(支撑毕业要求1.2)。（2）培养学生理论思维的能力，使学生对无机非金属材料相关领域复杂工程问题可以进行推理和理论预见。(支撑毕业要求2.2)。（3）培养学生解决实际问题的能力，使学生能够用物理化学理论知识，设计物理化学案例，并能对案例进行分析与解释，得到合理有效的结论。(支撑毕业要求4.1)。2．教学目标对毕业要求的支撑矩阵表1教学目标对毕业要求的支撑矩阵毕业要求二级指标点课程教学目标（1）（2）（3）1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础与专业知识用于解决无机非金属材料领域复杂工程问题。1.2具有无机非金属材料专业领域需要的数据分析能力，能针对具体的对象建立数学模型并利用计算机求解。√2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析无机非金属材料领域复杂工程问题，以获得有效结论。2.2能基于相关科学原理和数学模型方法正确表达无机非金属材料领域复杂工程问题。√4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对无机非金属材料领域复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.1能够基于自然科学、无机非金属材料科学与工程的原理，通过文献研究或相关方法，调研和分析复杂工程问题的解决方案。√（三）思政元素根据本课程性质和特点，在教学环节中对科学精神、可持续发展和绿色环保用等思政元素进行落实。四、教学内容及要求表2教学内容、要求与达成章节学时教学目标教学内容教学要求重点难点教学活动达成能力达成途径支撑目标绪论（2）介绍物理化学的课程内容和学习方法，学会物理化学中物理量的表示和运算。1.物理化学学科的发展过程；2.物理化学的研究内容和研究方法；3.物理化学中物理量的表示和运算1.了解物理化学的建立与发展过程和近代物理化学的发展趋势和特点；2.了解物理化学的研究内容，解决的主要问题和所用的主要研究方法；3.掌握物理量的表示和运算。【本章重点】物理化学中物理量的表示方法【本章难点】物理化学中的数学基础知识【课程介绍】本门课程的背景、目的、任务、意义和具体要求【课堂讲授】物理化学学科的建立过程，物理化学的主要研究内容和研究方法介绍，物理量的表示和运算，物理化学的学习方法，物理化学中所涉及的数学知识【习题作业】微积分练习【教学方式】讲授\翻转课堂毕业要求1.2习题作业、期末考试教学目标1、2、3第一章气体的PVT性质（2）掌握并熟练应用气体状态方程，分压定律，分体积定律，为热力学知识的学习打好基础。1.理想气体和理想气体混合物及状态方程2.真实气体的液化和临界参数3.真实气体范德华方程1.掌握理想气体的微观模型，能熟练使用理想气体状态方程；2.掌握道尔顿分压定律和阿玛格分体积定律；3.了解范德华方程的推出【本章重点】分压定律和分体积定律【本章难点】范德华方程的导出【课前预习与回顾】波义耳定律，盖吕萨克定律，阿伏伽德罗定律并导出理想气体状态方程【课堂讲授】理想气体模型，理想气体混合物的表示方法，分压定律，分体积定律，真实气体的液化，临界状态和临界参数，范德华方程【案例分析】气体液化；理想气体状态方程在实际中的应用举例【习题作业】P28-291，8，15，24【教学方式】讲授\案例分析\研讨式\翻转课堂毕业要求1.2习题作业、期末考试教学目标1、2、3第二章热力学第一定律（8）重点掌握热力学基本概念，能够应用热力学第一定律计算各过程的能量转换关系1.热力学研究目的和研究内容2.热力学基本概念，状态和状态函数，过程和途径，功和热3.体积功的求算4.热力学第一定律及其在等容热、等压热求算中的应用，焓的定义5．PVT变化、相变化和化学变化过程中U，H的变化和过程的Q，W1.掌握热力学的一些基本概念；2.能熟练运用热力学第一定律求算过程的Q和W；3.掌握等压热和等容热的计算及其关系，不同功的计算；4掌握热力学能和焓的定义，并会应用焦耳实验的结论求算热力学能变和焓变【本章重点】热力学第一定律的导出以及应用【本章难点】焦耳实验及其结论【课前预习与回顾】能量转换和守恒定律，热力学第一定律的导出【思政元素】热力学第一定律建立-科学精神；【课堂讲授】热力学基本概念及术语；状态和状态函数，过程和途径，功和热热力学第一定律；恒容热、恒压热、焓；体积功的计算；绝热可逆过程；热容的定义；热力学第一定律对理想气体的应用；相变焓及化学反应焓；热力学第一定律对实际气体的应用。【案例分析】生活垃圾的热值和垃圾的处理方式的关系；【习题作业】P70-7312，15，16，17，20，24，28【教学方式】讲授\案例分析\研讨式毕业要求1.2和2.1习题作业、期末考试教学目标1、2、3第三章热力学第二定律和第三定律（8）重点掌握熵的概念和应用热力学第二定律研究各种变化的方向性和限度的问题1.热力学第二定律的提出和表述2.卡诺循环和卡诺定理及其推论3.熵的定义和熵变的计算4.热力学第三定律和化学反应过程熵变的计算5.亥姆霍兹函数与吉布斯函数的定义及相应的判据6.热力学函数间的基本关系1.理解热力学第二、第三定律的叙述及数学表达式；2.掌握熵S、亥姆兹自由能A、吉布斯自由能G，热力学基本关系，体系自发过程的判断，热力学第三定律，克拉贝龙方程，化学反应过程热力学函数的计算。3.掌握在物质的p、V、T变化，相变化及化学变化过程中计算S、A、G变化值的原理和方法；4.掌握热力学公式的适用条件，掌握熵增原理及平衡判据的一般准则。【本章重点】热力学第二定律的叙述及数学表达式；熵、吉布斯函数、亥姆霍兹函数、标准熵的定义并会应用；在物质的PVT变化，相变化及化学变化过程中计算S、A、G变化值的原理和方法【本章难点】计算各种状态函数变化值的原理和方法；熵增原理及平衡判据的一般准则【课前预习与回顾】结合实例学习自发过程及其特征【思政元素】新型能源介绍：不受卡诺循环限制的燃料电池-环保和可持续发展的理念。热力学第二定律的建立和发展过程-科学精神【课堂讲授】热力学第二定律；卡诺循环及卡诺定理，PVT变化过程熵变的计算；可逆相变和不可逆相变过程的熵变计算；热力学第三定律，规定熵、标准熵；化学反应熵变的计算；亥姆霍兹函数与吉布斯函数的定义，恒温恒容过程与恒温恒压过程方向的判据，亥姆霍兹函数与吉布斯函数变化的计算；热力学基本方程；克拉佩龙方程和克劳修斯-克拉佩龙方程。【课堂讨论】燃油车的实际效率有多大？各种能量利用形式比较。【习题作业】P114-116，17、18、23、25、33、37【教学方式】讲授\研讨式\翻转课堂毕业要求1.2和2.1课堂讨论、习题作业、期末考试教学目标1、2、3第四章多组分系统热力（6）重点掌握多组分系统的热力学的基本概念，热力学方程和各体系的化学势的表达式1.多组分系统的组成表示法和偏摩尔量、化学势2.稀溶液的两个经验定律3.气体及其混合物中各组分的化学势4.液态混合物及稀溶液的化学势5.稀溶液的依数性1.理解偏摩尔量及化学势的概念，理解拉乌尔定律及亨利定律并会应用于计算；2.了解理想系统（理想溶液及理想稀溶液）中各组分化学势的表达式；3.掌握稀溶液的依数性；4.了解活度和活度系数的概念及活度（或逸度）的简单计算。【本章重点】拉乌尔定律及亨利定律并会应用【本章难点】偏摩尔量、化学势以及活度和逸度的概念理解【课前预习与回顾】回顾单组份的热力学基本方程学习多组分的热力学基本方程的导出以及偏摩尔量和化学势的定义【课堂讲授】拉乌尔定律与享利定律；偏摩尔体积及其它偏摩尔量；吉布斯-杜亥姆方程。化学势，理想气体化学势，真实气体的化学势；理想液态混合物中任一组分的化学势，理想液态混合物的混合性质；稀溶液的依数性(蒸气压下降，凝固点降低，沸点升高，渗透压)；逸度及活度的概念。【课堂讨论】结合生活实例说明稀溶液的依数性【习题作业】P16619，22【教学方式】讲授\研讨式\翻转课堂毕业要求1.2和2.1课堂讨论、习题作业、期末考试教学目标1、2、3第五章相平衡（10）重点掌握相律及其应用，学习不同体系的相图并会分析相图1.相平衡的基本概念和相律的提出2单组分系统的相图分析3.二组分系统相图分析1.理解相律的意义并会应用；2.了解相律的推导；3.掌握单组分系统及二组分系统典型相图的特点和运用，能用杠杆规则进行分析与计算；4.了解由实验数据绘制相图的方法。【本章重点】各体系平衡相图的分析【本章难点】通过二组分系统相图理解精馏的原理【课前预习与回顾】相律的导出【思政元素】中国物理化学家-黄子卿介绍-科学精神和爱国情怀；【课堂讲授】相律的推导及表达式，杠杆规则；单组分系统相平衡；两组分液态完全互溶系统的气-液平衡；部分互溶系统的温度-溶解度图；两组分液态完全不互溶系统的气-液平衡相图；两组分固态不互溶凝聚系统相图；生成化合物(稳定、不稳定)的凝聚系统相图；两组分固态互溶(完全互溶、部分互溶)系统的相图；热分析法及步冷曲线、溶解度法绘制相图。【课堂讨论】水蒸气蒸馏的原理；CO2超临界萃取作用原理及应用；实际工厂中的精馏过程【习题作业】P213-21414-17，18，21【教学方式】讲授\研讨式\翻转课堂毕业要求1.2和2.1课堂讨论、习题作业、期末考试教学目标1、2、3第六章化学平衡（2）掌握化学变化中的热力学基本知识，化学平衡的的特点及其应用1.化学反应的等温式的不同形式2.标准平衡常数的定义、测定与计算3.各种因素对化学平衡的影响1.掌握标准常数的定义；2.了解化学反应等温方程和等压方程的推导并会应用3.能利用热力学数据计算平衡常数及平衡组成；4.能判断一定条件下化学反应可能进行的方向。会分析温度、压力、组成等因素对平衡的影响。【本章重点】化学反应等温方程；利用热力学数据计算平衡常数及平衡组成；【本章难点】温度、压力、组成等因素对平衡的影响【课前预习与回顾】化学反应等温方程式的导出【课堂讲授】标准平衡常数的导出，化学反应等温方程式；标准平衡常数的性质，平衡常数及平衡组成的计算；不同温度下平衡常数的求算；其它因素(浓度、压力、惰性组分)对平衡的影响；真实气体的化学平衡，混合物及溶液中的化学平衡。【课堂讨论】实际生产的平衡转化率和理论值的差异。【习题作业】P244-24522，25，26，28【教学方式】讲授\研讨式毕业要求1.2和2.1课堂讨论、习题作业、期末考试教学目标1、2、3第七章化学动力学（6）掌握化学动力学的基本知识，速率方程的建立以及化学速率的影响因素1.化学反应速率合速率方程2.简单级数反应的速率方程3.反应速率方程的建立4.温度的反应速率的影响5.速率理论1.明确化学反应速率、反应速率常数及反应级数的概念；2.掌握通过实验建立速率方程的方法，掌握一级和二级反应的速率方程及其应用，理解典型复杂反应的特征；3.了解处理对行反应、平行反应和连串反应的动力学方法；4.了解基元反应及反应分子数的概念；【本章重点】简单级数反应的速率方程及其特点规律【本章难点】速率理论【课前预习与回顾】速率的表示方法和实验测定【思政元素】神奇的催化作用-清洁能源意识和可持续发展【课堂讲授】反应速率的表示方法及实验测定；化学反应的速率方程；质量作用定律；简单级数反应的速率方程；温度对反应速率的影响；简单碰撞理论；过渡状态理论。【课堂讨论】催化剂对化学反应的影响？用速率理论解释催化剂的作用原理。【习题作业】P300-30116-18，24，28，31，38【教学方式】讲授\研讨式毕业要求1.2和2.1课堂讨论、习题作业、期末考试教学目标1、2、3第8章电化学（8）掌握电化学的基本知识和理论，能够运用电化学的理论理解电化学腐蚀合防腐1.电解质溶液的导电机理及法拉第定律2.电导、电导率、摩尔电导率及其应用3.电解质溶液的平均离子活度及德拜-休克尔极限公式4.可逆电池热力学1．理解电化学中的一些基本概念，离子导体的特点和Faraday定律；2．掌握电导率、摩尔电导率的定义及其主要应用；3．了解可逆电极的类型和正确书写电池的书面表达式，会熟练地写出电极反应、电池反应，会计算电极电势和电池的电动势；4．掌握电动势测定的一些重要应用【本章重点】电导的应用，可逆电池热力学基本理论及其主要应用【本章难点】离子迁移数和电解质溶液理论【课前预习与回顾】Cu-Zn电池，电极，电解池和电池的概念及其简单应用【思政元素】新型能源氢能的介绍；电化学处理废水。【课堂讲授】电化学基本概念和法拉第定律，离子迁移率和迁移数；电导及其应用；强电解质理论，离子的平均活度，离子强度，德拜休克尔极限公式；可逆电池和可逆电极的书写，设计可逆电池；可逆电池的热力学，电极电势和电池的电动势，电动势的测定方法。【课堂讨论】电化学在金属腐蚀与防腐中的应用；电导法在实际中的应用举例【习题作业】P351-3532，5，6-7，22-23【教学方式】讲授\研讨式\翻转课堂毕业要求1.2和2.1课堂讨论、习题作业、期末考试教学目标1、2、3第9章表面现象（2）了解表面现象产生的原因，进一步理解亚稳态形成的主要原因，了解表面活性剂及其主要应用，了解固体吸附。1.界面张力和表面吉布斯函数2.弯曲液面的附加压力及其后果3.润湿和接触角4.表面活性剂及其应用5.固体表面的吸附动力学1．了解发生各种表面现象的根本原因，掌握表面Gibbs自由能和表面张力的概念。2．了解弯曲表面下附加压力产生的原因，了解弯曲表面下的蒸气压与平面相比有何不同4．了解产生表面吸附的原因，会使用Gibbs吸附等温式解释表面活性剂和非表面活性剂的表面超额情况。5．了解表面活性剂及主要作用；6．了解固体表面吸附的基本原理吸附等温式。【本章重点】固体吸附和吸附方程【本章难点】表面张力，附加压力和亚稳态的解释【课前预习与回顾】常见的表面现象，亚稳态产生的原因？【课堂讲授】液体的表面张力、表面功及表面吉布斯函数，热力学公式，界面张力及其影响；拉普拉斯方程，开尔文公式；物理吸附与化学吸附，等温吸附，弗罗因德利希公式，朗缪尔吸附理论，吸附热力学【案例分析】莲花的自洁净效应及其在新型材料制备上的应用；人工降雨的原理；重结晶控制颗粒大小等；表面活性剂的应用；活性碳吸附处理气体污染物；CO2封存及再利用【习题作业】P39327，P3952【教学方式】讲授\案例分析\研讨式毕业要求1.2和2.1习题作业、期末考试教学目标1、2、3第10章胶体分散系统（2）了解胶体分散系统的基本特性，溶胶的性质，掌握电解质对溶胶稳定性的影响1.分散系的分类和基本性质2.溶胶的制备3.胶体系统的动力学性质4.胶体系统的光学性质5.溶胶系统的电学性质6.溶胶的稳定与聚沉1．了解分散系统的分类和基本特性。2．了解憎液溶胶在动力性质、光学性质和电学性质等方面的特点。3．掌握憎液溶胶在稳定性方面的特点，会判断电解质的聚沉值和聚沉能力的大小。4．了解大分子溶液与憎液溶胶的异同点。【本章重点】溶胶的性质和溶胶的稳定性【本章难点】电解质对溶胶稳定性的影响机制【课前预习与回顾】分散体系的特点和分类【思政元素】布朗运动的发现过程和爱因斯坦的分子运动论-科学精神【课堂讲授】分散体系的分类和热力学基本性质；胶体分散系的基本特性；胶体的动力学性质，光学性质-丁铎尔效应，瑞利公式，超显微镜；胶体的电学性质；胶体的制备；胶体的稳定性：双电层理论，溶胶的电动现象，胶团结构【案例分析】气溶胶的性质及其在气体污染控制中的应用，电渗析的应用，应用瑞利公式解释自然现象，采用微乳液法制备纳米颗粒的原理和应用【习题作业】P436-4372，4，7，18【教学方式】讲授\案例分析\研讨式毕业要求1.2和2.1习题作业、期末考试教学目标1、2、3六、课程考核方式与评分标准（一）考核方式表3教学目标的考核方式序号课程目标考核内容考核方式1使学生系统掌握物理化学的基本原理，以及用物理和数学的理论解决化学问题的方法。物理化学基本概念辨析，基本理论的理解。课堂讨论+习题作业+期末考试2培养学生理论思维的能力，使学生对无机非金属材料相关领域复杂工程问题可以进行推理和理论预见。依据热力学，动力学的基本理论的理解和问题解析。课堂讨论+习题作业+期末考试3培养学生解决实际问题的能力，使学生能够用物理化学理论知识，设计物理化学案例，并能对案例进行分析与解释，得到合理有效的结论。依据物理化学的基本理论的理解进行案例设计。课堂讨论+习题作业+期末考试注：考核内容应体现对课程思政元素的理解要求。（二）总成绩构成本课程考核由形成性评价（40%）和结果性评价（60%）构成，其中形成性评价包括课堂讨论、习题作业和实验两个部分，分别占总成绩的20%和20%，结果性评价以期末考试为主。各考核方式与课程目标对应的关系如表4所示。表4总成绩构成表序号课程目标课程目标在各考核方式中的比例课程目标占总成绩比例课堂讨论习题作业期末考试1使学生系统掌握物理化学的基本原理，以及用物理和数学的理论解决化学问题的方法。60%10%60%68%2培养学生理论思维的能力，使学生对无机非金属材料相关领域复杂工程问题可以进行推理和理论预见。40%10%40%16%3培养学生解决实际问题的能力，使学生能够用物理化学理论知识，设计物理化学案例，并能对案例进行分析与解释，得到合理有效的结论。80%16%考核方式占总成绩比例20%20%60%100%（三）评分标准1．课堂讨论评分标准课堂讨论题目需提前发送给学生，为相关预习和讨论准备留有时间，课堂讨论为开放性题目，不预设标准答案，其分值评定如表5所示。表5课堂讨论评分标准考核内容100-90分89-80分79-70分69-60分小于60课堂讨论准备非常充分，积极参加课堂讨论，概念正确，有自己独到的见解准备充分，积极参加课堂讨论，概念正确，有自己独到的见解准备充分，能够主动参加课堂讨论，回答合理准备不充分，能够参加课堂讨论，回答合理准备不充分，能参加讨论，但概念不清晰2．习题作业评分标准习题作业按照百分制进行评定，作业严格杜绝相互抄袭及资料原样抄袭，要求根据自己的理