物理化学 课程教案.doc

物 理 化 学 课程教案授课题目(教学章节或主题):绪 论授课类型专 业 必 修 课授课时间教材分析: 本章在物理化学的教学中有比较重要的作用, 通过本章的教学,可以使用学初步的了解物理化学的研究内容,研究方法,发展过程以及在物理化学的学习中应该注意的问题.教学目的与要求:使学生初步了解物理化学学科的形成、发展、主要研究内容和研究方法以及物理化学学科在化学领域所处的重要地位和作用。物理化学学习方法的介绍重点与难点:教学内容与过程（设想、方法、手段）: 内容讲授思考题、讨论题、作业1.物理化学的研究方法是什么?2物理化学的基本研究内容是什么?3.在物理化学的学习中应注意什么问题?参考资料(含参考书、文献等)1. 胡英主编，物理化学 2. 天津大学主编，物理化学 3. 大连理工大学主编，物理化学 4. 各种习题解题辅导书 绪 论（1学时）教学目的：使学生初步了解物理化学学科的形成、发展、主要研究内容和研究方法以及物理化学学科在化学领域所处的重要地位和作用。0.1物理化学的目的和内容千变万化的化学反应存在着一定的规律性, 化学科学的研究的目的就是寻找这种规律性。化学反应的发生总是伴随着相应的物理现象（热、体积、电等），同时物理因素也会对反应的过程产生一定的影响（热、温度、电、光等），而物理化学就是从物理现象和化学变化的关系入手，来研究化学反应的规律性的一门科学物理化学作为化学学科的一个分支，它所担负的主要任务是探讨和解决下面几个问题。1 化学变化的方向和限度在指定条件下，一个化学反应能否朝着预定的方向进行，如果该反应能够进行，则它将达到什么限度？外界条件如温度，压力，浓度等对反应的方向和平衡位置有什么影响，如何控制外界条件使我们所设计的反应途径按预定的方向进行；对于一个给定反应，能量的变化关系怎样，这些问题的研究都属于物理化学中的化学热力学范畴，它以热力学两个基本定律为基础，主要解决化学变化的方向以及与平衡有关的一些问题。 2 化学反应的速率和机理 我们知道化学反应千差万别，速率有快有慢，快的瞬间完成，慢的需几十年甚至上千年。一个化学反应速率为什么有这样大的差别。在一定条件下，一个化学反应的速度究竟有多大？反应是经过什么样的机理进行的，外界条件温度，压力，浓度，催化剂对反应速率有什么影响？怎样才能有效的控制化学反应，抑制副反应的发生，使之按照我们所需要的方向以适当速度进行。这些问题的研究属于物理化学中化学动力学范畴。3 物质结构和性能之间的关系 物质的性质从本质上说是由物质内部的结构所决定的，深入了解物质内部的结构，不仅可以理解化学变化的内因，而且可以预见到在适当的外因作用下，物质的结构将发生怎样的变化，这对于合成有特殊用途的新材料方面提供方向和线索。总的说来，物理化学的任务是把化学领域中各个现象联系起来，对其中的一般规律性与以更深刻、更本质的探讨。并通过揭示的客观规律来指导化工生产和科学研究的实践。02 物理化学的形成背景、发展和前景1 物理化学的产生是社会生产发展的必然产物物理化学形成于十九世纪中叶，当时随着生产的发展，化学已经积累了不少事事急需归纳、总结和提高，要求他由经验科学上升为具有理论体系的科学。那时，由于蒸汽机的广泛使用，促使人们对热工转换问题进行了深刻的研究，建立了经典热力学第一定律和第二定律，并开始把物理学的规律用于化学，如1840年盖斯的热化学定律、1869年的门捷列夫元素周期律以及十九世纪前期建立得到尔顿原子论和阿夫加德罗德分子论等，这些理论的建立都为物理化学的形成和发展奠定了基础。此后，在此基础上，1876年吉布斯提出了用于多相平衡体系的相律关系，奠定了多项体系的热力学理论基础，丰富了热力学理论在冶金、地质和化工方面的应用。1984年范特霍夫创立了稀溶液理论并在研究化学平衡方面做出了贡献。1886年阿累尼乌斯提出了电力学说，揭示了电解质水溶液的本质，并在化学动力学方面也做出了重要贡献。1906年能斯特发现了热定理，进而建立了热力学第三定律，同时还奠定了电化学理论基础。所有这些理论都促使物理化学学科不断地发展和完善。2 二十世纪物理化学的快速发展进入二十世纪以来，在工业生产和化学的科学研究中，物理化学的基本原理得到了广泛的应用，发挥了他的指导作用，特别是新兴的石油炼制和石油化工工业，更是从份地利用了化学热力学、化学动力学、催化和表面化学等的成果。而工业技术的发展和其他学科的发展、特别是物理学的进展和各种测试手段大量的涌现，极大的影响着物理化学的发展。这期间在物理化学所属的分支学科中的热化学、化学热力学、电化学、溶液理论、胶体理论、化学动力学、催化作用及其理论等都得到了迅速的发展。体现物理化学原理对生产实践的指导作用可以举几个例子。例如：（1）C（石墨） C（金刚石）反应条件探索。（2）寻找氨合成反应 N2 + 3H2 2NH3 在常温下的催化剂可能性（3）人造羊毛原料丙烯氰合成工艺的改进就工艺 CH2=CH-CH3 + HCN（剧毒）CH2=CH-CN（产品）+ CH4新工艺 CH2=CH-CH3 + NH3 CH2=CH-CN + 3H2 G 0 H2 + O2 H2O G 0总反应 G 0 据此促使人们寻找催化剂，60年代找到的催化剂使这一反应成为工业化。3。近代物理化学的发展趋势和特点近几十年来，各类自然科学发展十分迅速而深入。化学与相邻学科间的关系起了根本性变化。物理学为人们提供了一些基本原理、方法和强有力的测试手段，大大扩展了化学的实验领域。化学理论在计算机科学发展的帮助下迅速发展。分子生物学的进展向化学提出了许多挑战性的问题，要求化学从分子水平上加以解释。诸如此类的新问题使得近代物理化学表现为下列发展趋势和特点： 从宏观到微观量子力学发展使化学反应能够真正深入到了分子、原子的微观层次。合成化学、结构化学和量子化学结合得更加密切。人们借此希望得到结构和性能之间关系的解释。 从体相到表象测试手段的进步使人们有可能了解5-10个分子或原子层的表面层的状态，促进表面化学和催化化学的发展 从静态到动态激光技术和分子束技术的出现可以定量地研究具有指定量子态的反应粒子到指定量子态的产物粒子所发生的能量传递和跃迁等基元过程速率的动态信息。目前的分子反应动态学是非常活跃的学科。 从定性到定量计算机的出现使人们能用更精确的定量关系来描述物质的运动规律。 从单一学科到边缘学科学科的相互渗透和交叉使物理化学学科的研究领域不断扩大。 从平衡态的研究到非平衡态的研究由于在生物学、气象学、天体物理学等中事物的发生和发展都是不可逆过程，将热力学方法推广到不可逆过程将有广阔的发展前景。目前非平衡热力学已成为当前理论化学发展的前沿之一。03 物理化学的研究方法1科学研究方法 物理化学是探求化学内在的，普遍规律性的一门学科，使自然学科中的一个分支，他的研究方法和一般的科学研究方法有着共同之处。物理化学理论的发展完全符合辩证唯物论的认识论。注重实践，按照实践-认识-再实践的这一形式。往复循环，以至无穷。每一循环的内容，都比较地进入到高一级的程度。使物理化学学科不断深入发展。科学的研究方法，首先是观察客观现象，在已有知识基础上，进行有计划地重现试验，这种重现实验可以人为的控制一些因素和条件，忽略次要因素抓住主要矛盾，从复杂的现象中找出规律性的东西。这是初步实践，然后根据实验数据，分析，归纳出若干经验定律。当然这种定律还只是客观事物规律性的描述，还不能了解这种规律性的本质和内在原因，这是初步认识或者叫感性认识，为了揭示这种定律的内在原因，就必须根据已知试验事实，通过归纳，演绎，提出假说或模型，根据假说作出逻辑性的推理，还可以预测客观事物新的现象和规律，如果这种预测能为多方面的实验所证实，则假说就成为理论，这可以看成是理性认识。但随着人们时间范围的扩大从及人们认识客观世界工具的改造（新的科学仪器）又会不断提出新的问题和观察到新的现象。这就是再实践。如果新的事实，与旧的理论发生矛盾，不能为旧理论所解释时，则必须对旧理论加以修正，甚至抛弃旧理论，建立新的理论，这就是再认识。这样人们对客观世界的认识又深入一步。任何一门科学都是由感性认识，积累经验，总结归纳提高到理性认识，理性认识又反过来指导实践成了推求未知事物的根据。物理化学的定律，理论较多，可以充分体会到辩证唯物主义的认识论，体会科学的研究方法。2具体的研究方法 物理化学的研究方法除必须遵循一般的科学方法，由于研究对象的特殊性，还有其特殊的研究方法，一般分为热力学方法，统计力学方法，量子力学方法，化学动力学方法。 （1）热力学方法从很多质点构成的客观体系为研究对象，以热力学第一定律和第二定律为基础，经过严密的逻辑推理，建立了一些热力学函数，用来解决化学反应的方向和平衡，以及能量交换问题。在处理问题时采取宏观的办法，不需要知道体系的微观运动，不需要知道变化细节，只需知道起始和终了状态，通过宏观热力学量的改变就可以得到许多普遍性结论。采取热力学方法研究化学平衡，相平衡，反应热效应，电化学等都非常成功。结论可靠，是研究化学的最基本方法。 （2）统计力学方法从单个或少数粒子的运动规律来推断大量粒子所组成的体系规律，把构成宏观体系的各个微粒的运动做出一定的模型进行统计处理，从而解释宏观现象，从而认识其微观性质。例如：气体压力是一个宏观可测量，从微观角度看，它是大量分子与器壁碰撞后动量改变的统计平均结果。统计力学的方法把大量粒子构成的体系的微观运动和宏观表现联系起来，根据分子的性质计算宏观热力学性质，使我们加深对热力学定律的认识。 （3）量子力学方法量子力学与经典力学完全不同。构成分子的电子和原子核不遵从经典力学而服从量子力学规律。能量有一个很小单位。量子化物质具有波粒二象性，遵守薛定谔方程，用来研究分子内电子的运动规律。 （4）化学动力学方法主要研究反应速率和机理。 任何反应总是通过分子间的瞬时接触交换能量或传递电子而完成的，过去由于实验手段的限制，人们很难追踪分子反应的细节，只能从总体上了解反应速率，得到动力学方程式来解释一些反应的规律，这属于客观反应动力学。 近十几年来，实验手段的提高，激光器和大型计算机的应用，能够检测到百万分之一秒，甚至10-12秒的反应速度。许多快速反应，化学异构，光分解都可以进行测量。还可以设计成单个分子的碰撞，来检测产物，使研究水平达到了分子级，形成了分子反应动力学。04物理化学的学习方法物理化学内容较多，理论性较强，概念比较抽象，公式多。1抓住重点，在理解上下功夫要明确每一章的主要内容，主要解决什么问题，采用什么方法，引出什么定律，