物理化学-生物工程.doc

物理化学教学大纲课程名称：物理化学 英文名称：Physical Chemistry课程编号：课程类别：专业必修课学时/学分：80/3；理论学时：68; 实验学时：12开设学期：3开设单位：农业与生物技术学院适用专业：生物工程说明一、课程性质与说明1课程性质通识课、专业基础课2课程说明物理化学是生物工程专业的一门专业基础课程，是学生在具备了必需的数学、物理、无机化学、有机化学和分析化学等基础知识之后必修的课程。它是从物质的物理现象和化学现象的联系入手来探求化学变化基本规律的一门科学。学习本门课程，能为以后学习生物化学、化工原理等专业课程以及将来从事工程研究工作奠定良好的化学理论基础。 物理化学的内容非常广泛。根据本专业对本课程的要求及我校具体情况，本着系统和重点相结合的原则，选定化学热力学、相平衡、电化学、化学动力学、化学平衡等作为讲课和实验的基本内容。 在教学过程中，要注意贯彻理论联系实际的原则，用启发式、直观教学等方法，以培养提高学生分析问题、解决问题的能力。要求适当结合工科方面的实际事例进行讲授，并能针对性的反映本门学科的现代发展和最新成果。二、教学目标本课程的目的是运用物理和数学的有关理论和方法进一步研究物质化学运动形式的普遍规律。主要目的有两个：（1）在大纲中贯彻理论联系实际与少而精的原则，使学生能系统地掌握物理化学的基本知识和基本原理，加深对自然现象本质的认识，为后续专业课程的学习奠定必要的基础；（2）使学生学会物理化学的科学思维方法，培养学生提出问题、研究问题、分析问题的能力，培养他们获取知识并用来解决实际问题的能力。三、学时分配表章章题讲授学时实验学时辅导学时自学学时小计绪论100011热力学第一定律11421182热力学第二定律11021143溶液与相平衡8400124化学平衡500055电化学800086化学动力学10400147表面化学600068胶体分散系统40004合计64124282四、教学教法建议1. 在课堂学习之余，学生可以通过Internet 访问“物理化学”网络多媒体课件，进一步学习，扩充自己的知识和视野。2. 可安排热力学、动力学、电化学、表面物理化学方面的学科前沿讲座2-3次。五、课程考核及要求1考核方式：考试（）；考查（ ）2成绩评定：计分制：百分制（）成绩构成：总成绩=平时考核（10）+中期考核（20）+期末考核（70）六、参考书目1. 傅献彩,沈文霞,姚天扬. 物理化学(第五版). 北京: 高等教育出版社,2005. 2. 朱文涛. 物理化学. 北京: 清华大学出版社,1995.3. 印永嘉，奚正楷，李大珍.物理化学简明教程（第三版）.北京：高等教育出版社,1992.4. 万洪文等编. 物理化学. 北京: 高等教育出版社,2002.5. 孙德坤 沈文霞 姚天扬. 物理化学学习指导. 北京: 高等教育出版社,2005.6. 胡英主编，吕瑞东，刘国杰，叶汝强等编. 物理化学（上、中、下，第四版）. 北京：高等教育出版社，1999.7. P. W. Atkins. Physical Chemistry. 7th ed., Oxford University Press, 2002.8. IRA. N. Levine. Physical Chemistry. 5th ed., McGraw-Hill, 2001.9. 邓景发，范康年编著. 物理化学. 北京：高等教育出版社，1993.10. 姚允斌等编. 物理化学教程（修订本）.长沙：湖南教育出版社，1991.11. G. M. Barrow. Physical Chemistry. 6th ed., McGraw-Hill, 1996.12. 高月英,戴乐蓉,程虎民. 物理化学(第2版). 北京大学出版社,2007.本文绪 言教学目标：物理化学的研究对象、方法及其在生命科学中的应用。教学时数：1教学内容：0.1 物理化学研究的对象及其方法0.2 物理化学在生命科学中的应用考核要点：只作为了解内容，不做考核要点。第1章 热力学第一定律教学目标：1掌握 热力学的一些基本概念，如体系、环境、状态与性质、热和功及过程与途径等；热力学第一定律及内能的概念，热和功只有在体系和环境进行能量交换时才有意义；状态函数的概念和特性，内能和焓是状态函数；热力学第一定律的各种计算，及理想气体在恒温、恒压、绝热过程的Q、W、DU、DH的计算；应用赫斯定律、生成焓、燃烧焓来计算反应热的方法；2熟悉 准静态过程和可逆过程的意义和特点；溶解热及稀释热的定义和概念；反应热和温度的关系，并能应用基尔霍夫定律求算各种温度下的反应热。 3了解 节流膨胀的概念和意义教学时数：11教学内容：1.1 热力学研究的对象、限度及其发展 1.2 热力学的一些基本概念1.2.1 热力学体系和环境1.2.2 热力学状态和状态函数1.2.3 热力学过程和途径1.3 热力学第一定律1.3.1 热力学能、热与功1.3.2 热力学第一定律及其数学表达式1.4 功与过程1.4.1 体积功1.4.2 可逆过程1.4.3 相变过程中的体积功1.5 热与焓1.5.1 简单变温过程1.5.2 相变过程1.5.3焓1.6热力学第一定律对理想气体的应用1.6.1理想气体的热力学能和焓-GayLussac- Joule实验1.6.2 理想气体的Cp与Cv之差1.6.3 绝热过程1.7热化学1.7.1 化学反应的热效应1.7.2反应进度1.7.3 热化学方程式1.8 Hess定律1.9几种热效应1.9.1 生成焓1.9.2 燃烧焓1.9.3溶解焓和稀释焓1.9.4 离子生成焓1.10 反应热与温度的关系-Kirchhoff定律1.11 新陈代谢与热力学教学重点、难点：热力学基本概念及热力学能的概念；热力学（可逆、不可逆）过程热、功、焓的计算；化学反应热的定义和计算方法。考核要点：了解热力学第一定律中的基本概念与基本理论；掌握盖斯定律和理想气体的热力学特征；能够利用热力学第一定律对简单状态变化过程、相变过程、化学变化过程分析并进行相关计算。第2章 热力学第二定律教学目标：1掌握 在克劳修斯不等式基础上得出的对某变化可逆性判断或不可逆性程度的度量；熵、亥姆霍兹能、吉布斯能等热力学函数的定义及物理意义；在等温、等压条件下DG的物理意义，及如何用来判断自发变化的方向和限度；理想气体在变化中状态函数及过程函数的计算；单组分、多组分体系中四个热力学基本公式的物理意义；掌握化学势的意义和应用。2熟悉 热力学第二定律的建立过程及熵函数的引入；自发变化的共同性质；热力学第三定律及规定熵的意义；如何从不可逆判据衍变为特定条件下的平衡判据，并用以确定过程的方向和限度；多组分偏摩尔量的意义。3了解 非平衡态热力学。教学时数：11教学内容：2.1 自发变化的共同特征不可逆性2.2 热力学第二定律2.3熵2.3.1 Carnot循环和熵函数的发现2.3.2 过程方向的判断2.3.3 熵增加原理2.4 熵变的计算2.4.1 等温过程中熵变2.4.2 非等温过程中熵变2.4.3 环境的熵变2.5热力学第二定律的本质熵的统计意义2.6 热力学第三定律和规定熵2.6.1热力学第三定律2.6.2标准熵2.6.3 化学反应标准熵变的计算2.7 Helmholtz自由能和Gibbs自由能2.7.1 Helmholtz自由能2.7.2 Gibbs自由能2.8热力学函数之间的一些重要关系式2.8.1封闭体系的热力学基本公式2.8.2 对应系数关系式2.8.3 Maxwell关系式2.9 DG的计算2.9.1 简单状态等温变化过程中的DG2.9.2等温等压下相变过程中DG2.9.3化学反应过程中DG2.10 温度和压力对的DG影响2.10.1 温度对DG的影响Gibbs-Helmholtz公式2.10.2 压力对DG 的影响2.11 不可逆过程热力学与耗散结构简介2.11.1 开放体系的熵变2.11.2 最小熵产生原理2.11.3 自然科学中的自组织现象2.11.4耗散结构形成的条件2.11.5 应用教学重点、难点：系统变化过程的设计，熵S、亥姆兹自由能F、吉布斯函数G的计算，热力学基本关系。考核要点：了解热力学第二定律的基本概念与基本理论；掌握热力学第二定律对简单状态变化和相变、化学变化过程的分析；能够熟练应用热力学基本关系式、Maxwell关系式进行相关计算。第3章 溶液与相平衡教学目标：1掌握 多组分系统热力学性质和应用热力学方法讨论相平衡体系的一般规律；相律的推导过程及其在相图中的应用；克劳修斯克拉珀龙方程及其在单组分两相平衡中的应用及各种计算；杠杆规则及其在相图中的应用。2熟悉 理想溶液、Roult定律及Henry定律的意义；相、组分数和自由度的意义；蒸馏和精馏的原理；部分互溶三液体系相图及其在萃取过程中的应用；双液体系的p-x和T-x图。3了解 克劳修斯克拉珀龙方程式的推导；恒沸体系的特点。教学时数：8教学内容：3.1 偏摩尔量3.1.1 偏摩尔量的定义3.1.2 偏摩尔量的集合公式3.2 化学势3.2.1 化学势的定义3.2.2 化学势在相平衡中的应用3.2.3 化学势与温度、压力的关系3.3 理想气体的化学势3.4 实际气体的化学势3.5 理想溶液各组分的化学势3.5.1 Roult（拉乌尔）定律及理想溶液的定义3.5.2理想溶液各组分的化学势3.6 稀溶液及其各组分的化学势3.6.1 Henry（亨利）定律与稀溶液3.6.2 稀溶液中溶剂的化学势3.6.3 稀溶液中溶质的化学势3.7稀溶液的依数性3.7.1 蒸气压降低3.7.2 凝固点降低3.7.3 沸点升高3.7.4 渗透压3.7.5 生物体内的渗透功3.8非理想溶液及其各组分的化学势3.8.1 非理想溶液中溶剂的化学势3.8.2 非理想溶液中溶质的化学势3.8.3活度和活度系数的测定3.9 电解质溶液3.9.1 电解质溶液中各组分的化学势、活度与活度系数3.9.2 离子平均活度系数的理论计算3.10 大分子溶液及其渗透压3.10.1 大分子溶液的非理想性3.10.2 大分子溶液的渗透压3.10.3 Donnan(唐楠)平衡3.11 相律3.11.1 相平衡中的几个重要概念3.11.2 相律的推导3.12 单组分体系的相平衡3.12.1 Clapeyron（克拉伯龙）方程3.12.2 单组分体系的相图水和CO2的相图3.13 二组分体系的相图及其应用3.13.1二组分理想体系的p-x图和T-x 图3.13.2 二组分非理想溶液的p-x图和T-x 图3.13.3不互溶的双液系水蒸气蒸馏3.14三组分体系的相图及其应用3.14.1 等边三角形坐标表示法3.14.2 三组分液-液体系相图3.14.3 分配定律与萃取原理教学重点、难点：1. 理想溶液，拉乌尔定律和亨利定律偏摩尔量，化学势，标准态，各组分的化学势的计算。2. 相、组分数和自由度，相律，相图，杠杆规则，互溶的双液系的PX相图及TX相图。考核要点：了解溶液多组分体系的基本概念与基本理论；掌握化学势随P, T的变化、气体化学势表示式、拉乌尔定律与亨利定律、体系中各物质的化学势表达式，能够进行有关理想溶液平衡气液相组成、气体溶解度、混合过程中体系热力学系数改变量、溶液依数性的计算。掌握单组分体系的p-T图、双液系的T-x图及p-x图、Clapeyron方程及Clapeyron-Clausius方程、能够进行有关相数、组分数、自由度数对单组分两相平衡体系的计算。第4章 化学平衡教学目标：1掌握 化学反应的平衡条件和化学反应等温方程式；标准平衡常数的应用；各种平衡常数的表示方法和利用平衡常数计算；各种因素对化学平衡的影响；化学反应的标准吉布斯能与平衡常数的关系；温度对化学反应平衡常数的影响及其相关计算。2熟悉 平衡转化率的计算。3了解 平衡常数的测定；反应耦合原理、生物体内的化学平衡。教学时数：5教学内容：4.1 化学反应的方向和限度4.1.1 化学势在化学变化中的应用4.1.2 化学平衡的存在4.1.3 化学反应等温式4.2 化学反应平衡常数表示式4.2.1 气相反应4.2.2 溶液反应4.2.3复相反应4.2.4 平衡常数的测定4.2.5 平衡常数的应用4.3 标准生成Gibbs自由能4.3.1 标准状态下反应的Gibbs自由能变化值4.3.2 标准生成Gibbs自由能4.3.3 溶液中物质的标准生成Gibbs自由能4.4化学平衡的移动4.4.1浓度（或分压）对化学平衡的影响4.4.2温度对化学平衡的影响4.5 多重平衡4.6 反应的耦联4.7 多结合位平衡教学重点、难点： 反应等温式，标准摩尔反应吉布斯自由能与平衡常数的关系，平衡常数与温度的关系。考核要点：了解化学平衡的基本概念与基本理论，化学反应等温方程式、范特霍夫公式，以及影响反应方向及平衡产率的因素，掌握计算平衡常数与平衡混合物组成的方法。第5章 电化学教学目标：1掌握 电解质溶液的导电机理及导电性能的表示方法和测定法；电导与离子浓度的关系、离子独立运动定律以及有关计算和应用；德拜休克尔极限公式；计算所给电池的电极电势和电池电动势。2熟悉 电导测定的应用；电解质溶液的平均活度、平均活度系数、平均浓度和离子强度的定义及计算；强电解质溶液理论的大意、离子氛的概念；可逆电池（原电池）的表示方法，会根据化学反应设计原电池，并能根据电池符号写出电极反应和电池反应；可逆电池电动势和电极电势的测定原理；电极溶液界面电势差及用盐桥消除液体接界电势的原理；电解过程的有关基本概念和基本原理；电极产生极化的原因。 3了解 离子迁移数的概念和意义；标准电极电位的意义、测定方法及其重要的应用；化学电源的一般知识和应用；电化学在生物学中的应用。教学时数：8教学内容：5.1 离子的迁移5.1.1电解质溶液导电机理与Faraday定律5.1.2离子迁移数和离子迁移速率5.2电解质溶液的电导5.2.1电导、电导率和摩尔电导率5.2.2电导率、摩尔电导率与浓度的关系5.2.3离子独立移动定律和离子的摩尔电导率5.3 电导测定的应用5.3.1 弱电解质的电离度和电离常数的测定5.3.2 难溶盐溶解度的测定5.3.3 电导滴定5.4 可逆电池及其热力学5.4.1 可逆电池5.4.2 Nernst方程5.4.3 标准电动势与电池反应的平衡常数5.4.4 电动势E及其温度系数与电池反应其他有关热力学量得关系5.5 可逆电极与可逆电池的书写方式5.5.1 可逆电极的种类5.5.2电池的书写方式及其与电池反应的对应关系5.5.3 电池电动势的实验测定5.6 电极电势5.6.1电极与溶液界面上电势差的产生5.6.2 电极电势5.6.3电极电势的能斯特方程式，标准电极电势5.6.4 参比电极5.6.5 生化标准电极电势5.7 由电极电势计算电池电动势5.7.1液体接界电势与盐桥5.7.2各种类型的电池及其电动势的计算5.8 电动势测定的应用5.8.1求难溶盐类的溶度积5.8.2 电解质活度系数的测定5.8.3 离子选择性电极与化学修饰电极5.9 生物电化学5.9.1 生物氧化5.9.2 细胞膜电势5.9.3 生物传感器5.10 不可逆电极过程简介5.10.1 电极的极化与超电势5.10.2 电解池的分解电压与电池的端电压教学重点、难点： 独立移动定律，可逆电池，电动势与标准摩尔反应吉布斯自由能的关系，能斯特方程，电池的设计和电动势的计算；温度对电动势电池反应热力学函数的计算。考核要点：了解相关概念和定律，理解电解质活度，离子平均活度，平均活度系数等概念和离子独立运动定律，掌握电导、迁移数、离子强度的计算和电导测定的应用以及可逆电池热力学的相关内容和电动势及其测定原理、能斯特方程，能够根据电池符号写电极与电池反应，根据要求设计电池，并且要熟练计算各类电极的电极电势、各类电池电动势、各类平衡常数等，并且要掌握电动势测定的其他应用。了解与电解、极化相关的基本定律与基本理论，掌握电解池与原电池的极化曲线的异同点。第6章 化学动力学教学目标：1掌握 基元反应、非基元反应、反应级数、反应分子数等基本概念；简单级数反应的微分和积分速率方程及确定反应级数的方法；温度对反应速率的影响及预测药物贮存期的基本方法。2熟悉 催化作用的基本概念，酸碱催化和酶催化的基本原理。3了解 典型的复杂反应、链反应、光化反应和和溶液中的反应的基本特征；碰撞理论和过渡态理论的要点，快速反应研究技术的基本原理。教学时数：8教学内容：6.1 化学反应的速率方程6.1.1化学反应速率的表示法6.1.2 化学反应的速率方程6.2 具有简单级数反应的速率公式6.2.1 一级反应6.2.2 二级反应6.2.3 三级反应6.2.4 零级反应6.2.5 反应级数的测定6.3 几种典型的复杂反应6.3.1 对峙反应（可逆反应）6.3.2 平行反应6.3.3 连续反应6.3.4 稳态假定和决速步骤6.4反应速率与温度的关系6.4.1 Arrhenius（阿伦尼乌斯）公式6.4.2 活化能的及从实验求活化能6.5基元反应速率理论6.5.1碰撞理论6.5.2 过渡态理论6.6链反应6.7溶液中的反应6.7.1 扩散控制反应6.7.2 溶剂对反应速率的影响6.7.3离子强度的影响（原盐效应）6.8 催化反应6.8.1 催化剂作用及其特征6.8.2酶催化反应6.8.3 酸碱催化6.9 光化学6.9.1光化学基本定律6.9.2 光合作用6.9.3 空气的光化学6.9.4 视觉6.9.5 激光在化学中的应用6.10 分子反应动态学简介6.10.1分子反应动态学6.10.2态态反应及其主要特征教学重点、难点： 速率方程（0，1，2级）的建立方法，速率常数，半衰期，活化能，复杂反应的近似处理方法。考核要点：了解动力学相关概念和理论，在此基础上掌握反应速率的实验测定和计算方法、反应级数及活化能的实验测定方法、具有简单级数反应的动力学计算和与Arrhenius方程有关的计算、要会由反应机理书写和推导速率方程，并对复杂反应表观活化能及基元反应活化能进行估算，对典型复杂反应的动力学进行计算，对典型反应作出综合分析。另外，了解动力学相关概念和理论，掌握气相反应简单碰撞理论、过渡态理论的要点及基本公式，会对简单碰撞理论中的碰撞数、有效碰撞分数和速率常数、过渡态理论中的活化焓、活化熵、及活化能、量子产率、有关催化反应表观活化能等等进行计算。第7章 表面化学教学目标：1.掌握 表面吉布斯能与表面张力的基本概念和有关计算；液体铺展的标准；杨拉普拉斯公式和开尔文公式及其相关计算；固体表面吸附的基本理论、常用公式及应用。2熟悉 弯曲液面的性质。3了解 影响吉布斯能的主要因素；液液界面性质；固体表面润湿的几种类型；溶液表面性质；不溶性表面膜的简单结构及一般性质；表面活性剂的结构特征、主要特性及应用；几种典型的固体表面吸附等温线。教学时数：6教学内容：7.1 表面7.1.1 表面张力与表面自由能7.1.2 弯曲液面的一些现象7.2 吸附现象7.2.1 液-气界面7.2.2 固-气界面7.2.3 固-液界