物理化学A教学大纲.doc

物理化学A教学大纲教学目的与要求课程性质：物理化学A是化学类（包括：化学、应用化学、高分子材料、化学工程和材料化学）本科学生的一门基础课程，学生在预修高等数学、普通物理学和普通化学A课程后修读本课程。基本内容：物理化学是研究物质的结构、性质及其变化的普遍规律的一门学科。内容的第一部分(物理化学AI)讨论微观结构，主要包括量子力学基本原理、原子、分子和晶体结构、对称性和分子间相互作用以及微观结构的测定原理；将微观原理放在前面讲授，有利于引导学生以原子分子的观点深入领悟物理化学的原理。第二部分(物理化学AII)讨论平衡体系的性质，从统计热力学入手，建立微观到宏观的桥梁，进一步过渡到热力学，包括热力学三大定律、溶液、化学平衡、相平衡；第三部分(物理化学AIII)讨论变化体系的性质，主要是动力学和电化学，还包括非平衡体系热力学的简单介绍以及界面现象和表面化学。整个课程从二年级（上）到三年级（上）共分三学期讲授每个学期讲授一个部分，每个部分讲授54学时。基本要求：通过本课程的学习，要求学生系统地掌握物理化学的基本原理和方法，加深对其它化学课程内容的理解，并初步具有应用物理化学的基本原理分析和解决一些实际问题的能力。教学内容及学时分配：物理化学AI学分数3周学时3总学时54绪论（2学时）内容提要：物理化学的内容、特点及本课程的学习方法。讲课要点：0-1物理化学的内容0-2物理化学的学习方法第一章量子化学基础（9学时）内容提要： 现代化学从分子和原子水平上认识物质本质和化学反应规律的基本理论基础是量子力学。因此本章中将介绍物理化学中涉及到的量子力学基本原理和基础知识，例如微观粒子的波粒二象性、测不准关系、量子力学基本假定和薛定谔(Schrdinger)方程, 以及用它们来处理微观物体运动的基本方法,并运用这些原理和方法讨论一些典型的简单体系。学习要求：由于微观物体运动遵循量子力学， 所以掌握量子力学基础对学习有关微观结构和运动的章节非常重要。通过本章学习要求(1) 弄清微观粒子运动的基本特征以及与宏观物体运动规律的区别；(2) 了解量子力学的基本假定以及与此相关的波函数,力学量算符，本征值和平均值等概念；(3) 初步学会用量子力学研究微观物体(如电子、原子和分子等) 运动的方法(即根据研究对象及边界条件建立相应的量子力学运动方程-薛定谔方程,及对简单方程求解)。讲课要点：11量子论的诞生12实物粒子运动状态波函数13波函数的求解14简单体系第二章原子结构和原子光谱（8学时）内容提要: 本章将应用量子力学基本原理和定态薛定谔方程讨论原子结构及有关的各种性质和原子光谱。其主要内容是: 以氢原子为例讨论单电子原子的薛定谔方程及其解，根据其解讨论原子中单电子空间运动波函数原子轨道的许多性质，如量子数、的物理意义，波函数图象和电子云分布等；对于多电子原子结构将通过引进单电子独立模型讨论多电子原子中原子轨道的性质和它们的能量次序，并根据电子自旋和保里原理讨论核外电子排布和元素周期律；最后通过角动量耦合的方法介绍多电子原子状态和原子光谱项，讨论了微扰法的基本原理及其应用于原子光谱所得到的一些规律和性质。目的要求:通过本章学习要达到两方面的目的: 进一步了解和熟悉用量子力学基本原理和薛定谔方程讨论微观体系运动的方法和步骤，包括对简单体系的精确解及微扰法等近似方法； 熟悉和掌握本章所得到的关于原子的电子结构以及有关性质的知识：如原子轨道概念;量子数、和对应力学量关系;波函数图象和电子云分布；电子自旋和保里原理；核外电子排布规律和元素周期性；角动量加和规则和原子光谱项；原子光谱的选择定则，光谱特征和塞曼效应。讲课要点：21单电子原子的薛定谔方程及其解22多电子原子的薛定谔方程及其解23电子自旋和核外电子排布规则24原子状态和原子光谱项第三章共价键理论和双原子分子结构（8学时）内容提要：本章主要介绍现代化学键理论，分别从价键理论和分子轨道理论了解共价键的本质，并解释简单的双原子分子的结构。并对分子轨道理论和价键理论作适当的比较，以了解它们的异同。同时还介绍价键理论的一个重要补充杂化轨道理论及其应用。目的要求：化学键理论和分子结构是物理化学微观部分中的核心内容。通过本章的学习，（1）掌握分子轨道理论和价键理论的要点以及两个理论的区别和联系；（2）熟悉两个理论所给出的电子结构和分子性质的关系；（3）学会根据双原子分子的电子组态写出相应的光谱项。讲课要点：31价键理论32分子轨道理论33双原子分子结构第四章分子对称性和群论（8学时）内容题要：分子对称性和群论知识在应用量子化学原理计算或讨论分子性质时都非常重要。本章从分子立体结构着手介绍分子所具有的五类对称操作及其组合规律，从而引入群的概念，并着重讨论分子点群，在此基础上简要地介绍有关群论的初步知识，如群的表示、群表示的性质、特征标表以及在量子化学中的应用等。目的要求：通过本章学习（1）熟悉分子所具有的五类对称操作及其组合规律,并掌握判断给定分子所具有的对称操作及所属点群的方法；（2）初步了解和掌握点群的特征标表及表示理论的简单应用，如利用特征标表约化可约表示，用投影算符构造对称性匹配函数等。讲课要点：41对称元素和对称操作42分子点群43群表示理论44群论在化学中的应用第五章多原子分子结构（8学时）内容提要：本章以分子轨道理论为主要依据讨论各种多原子分子的结构；并引入定域轨道概念作为分子轨道理论讨论定域化学键的补充。在讨论各类具体分子结构时，还将介绍由分子轨道理论发展而得的具体近似模型，如用休克尔(Hckel)分子轨道法(HMO)处理共轭分子结构,以配位场理论讨论配位化合物结构，以及原子簇化合物和结构规则等。最后一节将非常扼要地介绍一些常用的计算分子结构和性质的理论方法。目的要求：通过本章学习（1）掌握用分子轨道理论处理各种类型分子结构的基本方法和处理各类特殊结构的具体理论方法(如HMO法，配位场理论) 以及由这些理论方法得到的重要结论；（2）进一步了解定域轨道的概念及与离域分子轨道关系；（3）熟悉各类化合物的分子结构与性质的关系；（4）了解常用的计算分子结构和性质的理论和具体计算方法。讲课要点：51饱和多原子分子结构52共轭分子结构53缺电子分子和原子簇结构54 配位化合物结构55量子化学计算方法和分子性质的计算第六章分子间相互作用（2学时）内容提要: 本章主要介绍分子间的相互作用，首先介绍组成分子间这种弱相互作用的各种力的来源和相对大小，以及分子间相互作用能的构成和由此形成的分子半径。在此基础上介绍这种分子间相互作用在气相和液相中的表现以及由这种弱相互作用产生的超分子体系。学习目的：（1）熟悉分子间相互作用力的产生原因和具体构成；（2）了解气体中的分子间相互作用和范德华方程以及实际气体和理想气体的差别与超临界现象；（3）液体中的分子相互作用和径向分布函数J(r)意义及计算方法；（4）了解分子组装和超分子结构以及它们的基本特征和相关性质。 讲课要点：61分子间作用力62气体中的分子相互作用63液体中的分子相互作用64超分子结构化学及分子组装第七章固体（10学时）内容提要: 本章主要介绍几何晶体学和结晶化学的基础知识，其中包括介绍描写结构周期性的点阵和平移群的基本概念，晶体对称性以及分类方法，以及讨论各类化学键及相应的晶体结构与性能的关系。在此基础上，介绍实际固体的一些基本特征以及固体的若干性质。关于固体结构的实验方法将在下一章和其它微观结构的实验方法一起介绍。学习目的：（1）掌握描述晶体结构周期性的基本理论和有关概念点阵、平移群和晶胞；（2）熟悉各类晶体中可能存在的对称元素和以及按照对称性对晶体进行分类的方法个晶系、14种空间点阵型式、32点阵(对230空间群只要求一般了解)；（3）在此基础上了解各类晶体结构的化学键成因和晶体结构与其性能关系，以及实际固体的基本特征和性质。讲课要点：71晶体结构的周期性72晶体结构的对称性73金属晶体74离子晶体75共价晶体和其它键型晶体76实际固体 第八章微观结构测定的基本原理(1)分子光谱第九章微观结构测定的基本原理(2)磁共振和其它（以上二章在谱学导论讲授）物理化学AII学分数3周学时3总学时54第十章统计热力学基础（10学时）内容提要: 本章先介绍统计热力学的一些基本概念，然后讨论麦克斯韦-玻耳兹曼分布，并由此引出配分函数概念。随后介绍了系综理论，把分子配分函数推广到正则配分函数。讨论了各种配分函数的计算。介绍了爱因斯坦的固体热容理论和量子统计方法。学习目的：（1）熟悉等概率原理、宏观态、微观态和热力学概率等基本概念；（2）了解麦克斯韦玻耳兹曼分布的物理含义；（3）掌握配分函数的概念和各种运动形式的配分函数的计算；（4）掌握系综和正则配分函数的概念；（5）了解量子统计方法及其应用。讲课要点：101基本概念102麦克斯韦玻耳兹曼统计103分子配分函数104正则系综及配分函数105配分函数的计算106量子统计第十一章热力学第一定律和热化学（10学时）内容提要：本章介绍热力学常用的一些基本概念以及热力学第一定律和热化学定理，并利用这些基本原理讨论物理和化学过程的能量变化及其计算。学习要求：(1)熟悉体系和环境、状态和性质、过程和途径、热力学平衡等热力学常用的基本概念;(2)熟悉内能、功、热、焓和热容等热力学函数或概念的含义，了解热力学第一定律的统计解释，并会运用这些概念解决实际问题；(3)掌握体积功的计算和可逆过程的概念；(4)掌握理想气体的等温、等压、等容和绝热过程的计算方法，了解焦耳实验、卡诺循环和焦耳-汤姆逊实验及其推论；(5)掌握反应焓变的计算方法及其与反应温度的关系。讲课要点：111热力学第一定律112 焓和热容113理想气体的热力学过程114焦尔汤姆逊效应115化学反应的热效应116几种重要的焓变计算第十二章热力学第二定律和第三定律（10学时）内容提要：本章讨论热力学第二和第三定律的各种表述方法，从分析自然过程所具有的共同特点出发，提出了用于判断过程方向和限度的最基本状态函数熵函数，根据熵函数又引进了用于判断恒温恒压下进行的化学变化和相变化的方向和限度的吉布斯自由能状态函数。介绍这两个热力学函数的统计力学的表达方式，并列举了它们的一些应用。对物质的标准熵和标准摩尔生成焓值的由来作了介绍。最后，引进化学势和气体逸度概念，为尔后研究组成改变的封闭体系和敞开体系的平衡性质作准备。学习要求：(1)掌握物质的标准熵及各类过程的熵变的计算方法；(2)了解热力学第二和第三定律的统计解释和残余熵的概念以及掌握用配分函数计算热力学函数的方法；(3)熟悉如何从熵函数引出吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能；(4)掌握物理过程和化学过程的吉布斯自由能变化的计算方法；(5)掌握标准生成吉布斯自由能的概念及其应用；(6)熟悉热力学第一和第二定律的联合公式和麦克斯韦关系式的推导过程及其应用；(7)掌握克拉贝龙方程和克劳修斯克拉贝龙方程的物理意义及其应用；(8)了解化学势的概念及其在化学变化和相变化中的应用；(9)熟悉气体的逸度、标准态和参考态的概念；(10)了解物质的标准熵和标准摩尔生成焓值的由来。讲课要点：121热力学第二定律的引出122过程方向性的判据熵函数123热力学第三定律124熵变的计算125吉氏自由能和亥氏自由能126热力学函数间的关系及其应用127化学势第十三章溶液体系热力学（8学时）内容提要：本章用化学势概念讨论理想溶液、稀溶液和实际溶液的热力学性质。阐明了在研究实际溶液时引进偏摩尔量和活度概念的重要性。通过实例说明拉乌尔定律、亨利定律、偏摩尔量的集合公式和吉布斯杜亥姆公式的物理意义及其应用。学习要求：(1)了解溶液的定义及其分类；(2)了解引进偏摩尔量概念的重要性，掌握集合公式和吉布斯杜亥姆公式的意义及其应用；(3)掌握理想溶液和稀溶液的定义，熟悉拉乌尔定律和亨利定律的各种应用；(4)掌握稀溶液的依数性概念，了解如何通过依数性来测定溶质分子量；(5)掌握活度的概念及其测定方法。讲课要点：131偏摩尔量132理想溶液及其性质133稀溶液及其性质134实际溶液和活度第十四章化学平衡体系热力学（8学时）内容提要：应用热力学第一、第二和第三定律的原理研究化学平衡体系的性质，阐明温度、压力和原料配比等因素对各类化学平衡的影响。对三类反应(常压气相反应、高压气相反应、液相反应)的反应条件的选择进行了理论分析。学习要求：(1)掌握用吉布斯自由能状态函数判断化学反应进行的方向；(2)熟悉反应进度的概念；(3)掌握用反应物和产物的标准吉布斯生成自由能计算平衡常数的方法；(4)掌握各种平衡常数之间关系的数学表式；(5)熟悉平衡常数与温度之间的关系式的推导过程并掌握该方程的具体应用；(6)掌握压力、惰性物质对各类反应的平衡的影响；(7)掌握从平衡常数计算平衡转化率和平衡组成的方法；(8)熟悉三类反应的反应条件的理论分析。讲课要点：141化学反应的自由能降低原理142化学反应等温式和平衡常数143反应平衡常数的计算和测定方法144 理想气体反应平衡常数的统计热力学计算145平衡常数与温度和压力的关系146气相反应条件分析147液相反应和复杂反应条件分析第十五章相平衡热力学（8学时）内容提要：本章介绍相、组分数、自由度的概念，并推导相律公式，描述单组分体系的相图及其在升华提纯中的应用。介绍二级相变具有的特点，阐述如何用实验和理论方法绘制两组分的液-固和气-液相图，并讨论这些相图在冷冻结晶和蒸馏提纯等方面的应用。通过实例说明三组分体系相图的绘制及其在萃取、盐类提纯方面的实际应用。学习要求：（1）熟悉单组分体系相图及其在升华提纯中的应用;（2）熟悉两组分体系的液-固相图及其在结晶分离中的应用;（3）掌握杠杆规则及其应用;（4）熟悉两组分体系的气-液相图的实验测定、理论计算及其在精馏操作中的应用;（5）熟悉部分互溶的三液体体系和固-固-液盐水体系相图及其应用。讲课要点：151相律152单组份体系的相图153二组分液固体系154二组分气液体系155二组分液液体系156三组分体系物理化学AIII学分数3周学时3总学时54第十六章界面现象和胶体分散体系（6学时）内容提要：本章讨论了界面现象中的一些基本概念，如表面自由能、表面张力、润湿等，介绍了表面活性剂的作用原理及其应用，对胶体体系的稳定性作了分析。学习要点：(1)了解杨拉普拉斯方程式、开尔文方程式、杨方程式和吉布斯吸附方程式的推导过程及适用条件; (2)了解表面活性剂的作用原理; (3)了解胶团的结构和溶胶稳定的原因。讲课要点：161表面自由能和表面张力162弯曲液体表面的现象163润湿和铺展164表面相热力学165表面活性剂166胶体分散体系第十七章气体的吸附和表面化学（4学时）内容提要：随着现代表面测试及研究手段的不断发展和创新，使得人们有可能从分子或原子层次探索和认识多种体系的表面和界面现象。本章讨论了现代表面化学这一多学科交叉科学中的一些基本概念，如气体的吸附、扩散、反应以及固体表面的组成及结构等，介绍了现代表面化学的研究手段及内容，对一些典型的表面吸附反应过程作了分析。学习要求：(1)了解气体在固体表面的吸附形式、吸附势能曲线的形式和物理意义，以及学习几种吸附等温式的物理表达和比表面测定的原理; (2)从表面的组成、结构和反应等角度了解现代表面化学的研究内容; (3) 了解表面组成、价态及其结构对表面反应性能的影响; (4)了解用于表面吸附态及表面反应机理研究的现代物理化学方法。本章第4节的部分内容将涉及一些反应动力学的知识，在学习和教学时可与十九和二十章一起进行。讲课要点：171气体在固体表面的吸附172现代表面化学的研究内容173表面性质对表面反应性能的影响174表面吸附态和表面反应机理第十八章传递过程和非平衡态热力学（4学时）内容提要: 本章从传热、流动和扩散等现象出发介绍传递过程的基本原理和特征，并引入非平衡现象和非平衡态的基本概念，然后介绍非平衡态热力学的一些基本原理和基础知识，例如熵产生原理、昂萨格倒易关系和最小熵产生原理。学习目的：(1) 了解传热、流动和扩散等传递过程的基本原理和特征以及非平衡现象和非平衡态的基本概念；(2) 了解非平衡态热力学的一些基本原理和基础知识，例如熵产生原理、昂萨格倒易关系和最小熵产生原理。讲课要点：181 传递过程基本规律182 非平衡态热力学第十九章化学动力学基本规律（10学时）内容提要：本章主要介绍化学动力学的基本规律，通过基元反应和典型复杂反应引入速率方程和反应活化能、指前因子的概念及其测定方法，讨论了稳态近似和平衡态近似二种简化处理动力学问题的方法，指出了仔细平衡原理在选择正确反应机理方面的作用。讨论了速率常数与平衡常数间的关系。学习要求：(1)掌握反应速率的定义；(2) 了解反应物浓度、温度对反应速率的影响；(3) 熟悉质量作用定律和反应级数、反应分子数的概念；(4) 掌握典型复杂反应的速率常数的计算方法；(5) 熟悉稳态近似和平衡态近似的原理及其相互关系；(6) 了解微观可逆性原理和仔细平衡原理；(7) 掌握基元反应及复杂反应的速率常数和平衡常数间的关系。讲课要点：191化学反应的速率方程192具有简单级数的反应193温度对反应速率的影响194典型的复杂反应195反应机理和近似处理方法196化学反应中的动态与平衡第二十章各种反应体系的动力学（8学时）内容提要：本章在前一章介绍化学动力学的基本规律基础上，介绍各种特殊反应体系，例如链反应体系、液相反应体系、催化反应体系、流动体系和光化学反应体系的动力学特点和速率方程的建立以及其速率常数的测定；对液相中的快速反应和化学振荡反应也作了简要介绍。学习要求：(1) 掌握链反应和催化反应特点和速率方程的建立以及其速率常数的测定的方法；(2) 了解液相反应基本特征及反应速率常数测定的方法；(3) 了解弛豫技术和化学振荡反应；(3) 掌握理想活塞流和理想回混流二种典型流动体系的反应特征；(4) 了解光化学反应的基本原理和特点。讲课要点：201链反应202液相反应203催化反应204流动体系反应205光化学反应第二十一章基元反应的速率理论（6学时）内容提要：本章介绍碰撞理论、过渡态理论和单分子反应理论，并举例说明如何从分子性质计算基元反应的速率常数。同时还介绍判断基元反应进行条件和方式的分子轨道对称守恒原理。学习要求：(1) 掌握上述三种速率理论的基本要点；(2) 熟悉实验活化能、反应阈能和反应物与活化络合物的零点能之差三个概念之间的差别及其相互联系；(3) 掌握从分子性质计算基元反应速率常数的方法及其运算；(4) 学会用前线轨道理论和能量相关理论判断基元反应进行的条件和方式。讲课要点：211双分子反应的简单碰撞理论212反应速率的过渡态理论213单分子反应理论214分子轨道对称守恒原理第二十二章分子反应动力学（0学时，在现代化学专题讲授）第二十三章电解质溶液（4学时）内容提要：本章讨论电解质溶液的导电行为，包括电解质溶液的导电机理，强电解质的离子相互作用理论、电解质溶液的电导率、离子的迁移数、离子的浓度和活度。学习要求：(1) 了解电解质溶液的导电机理和掌握摩尔电导率的概念、测定方法及其应用。(2) 了解强电解质的离子相互作用理论、离子的迁移数、离子的浓度和活度。讲课要点：231电解质溶液的导电现象232电解质溶液的活度和活度系数第二十四章电化学热力学（6学时）内容提要：应用化学热力学原理研究电极反应的可逆性并得到化学能与电能相互转化间的定量关系；应用电化学热力学原理探讨平衡态下若干重要的实际问题。学习要求：(1)掌握可逆电池的电动势计算、测量方法及其应用；(2)掌握标准电极电动势概念及其计算公式；(3)掌握液接电势的概念、消除方法及其计算；(4)了解离子选择性电极的一般工作原理和膜电势的推导；(5)了解电位-pH图的含义及制作方法。讲课要点：241可逆电池的电动势242电极电势和标准电极电势243浓差电池和液体接界电势244离子选择性电极和膜电势245电势-pH图及其应用第二十五章电化学动力学及其应用（6学时）内容提要：从动力学观点讨论了电极反应的不可逆性并对其重要性作了具体分析。简单介绍电化学测量中几种常规的测试方法的原理，包括循环伏安、交流阻抗、计时电位和计时电流法。并简要介绍应用电化学电解、化学电源、电镀和电化学腐蚀的基本原理，以及现代电化学中的若干研究课题。学习要求：(1) 了解电极产生极化的原因及极化现象的应用;(2) 掌握塔菲尔（Tafel）公式的物理意义和了解推导该公式的几种氢超电势理论;(3) 掌握循环伏安、交流阻抗、计时电位和计时电流法的基本原理;(4) 掌握电解、电镀、化学电源、电化学腐蚀的基本原理;(5) 了解表面电化学和光电化学以及电极过程时控分辨的主要研究内容。讲课要点：251电极极化252 电化学测量 253应用电化学254电化学中的若干现代研究课题教学方式：本课程以课堂讲授为主，辅以自学，演算习题等教学环节。教学中采用多媒体和板书相结合方式，部分章节已采用英文板书和课件。考核方式：闭卷考试。教材与参考书：教材： 物理化学（第二版），范康年主编，高等教育出版社，2005年。参考书： 1物质结构，徐光宪，王祥之，高等教育出版社，1987年。 2物质结构，江元生，高等教育出版社，1997年。 3结构化学基础，周公度，北京大学出版社，1995年。 4物理化学（第二版），傅献彩等，高等教育出版社，1990 年。 5化学动力学基础，韩德刚等，北京大学出版社，1987年。本课程历史沿革：本课程是化学系的一门重要基础理论课，从五十年代起化学系的著名教授都主讲过本课程。五十年代初本课程只包括“热力学”，“动力学”和“电化学”部分内容，由顾翼东，吴浩青，吴征铠主讲本课程。到1954年增设了“物质结构”由吴征铠主讲，“结晶化学”由周介湘主讲。课程开设之初没有完整教材和讲义，以学生记笔记为主。五十年代末六十年代初由于人员调整