《物理化学》课程教学大纲

物理化学Physicalchemistry【课程编号】BJ27111、BJ27112【课程类别】专业基础课【学分数】7.5【先修课程】高等数学、普通物理、无机化学、有机化学【学时数】112【适用专业】化学、应用化学一、教学目的、任务物理化学是化学专业本科、应用化学专业本科学生的一门主干课程。本课程的目的是在已学过一些先行课的基础上，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；要求学生系统地掌握物理化学的基本原理和方法。在大纲中贯彻理论联系实际与少而精原则，使学生了解并掌握物理化学的基本理论与方法，以增强他们在教学与科学研究中分析问题与解决问题的能力。二、课程教学的基本要求本课程主要包括化学热力学、统计热力学、电化学、化学动力学、表面现象和胶体化学的基本知识、原理和方法。通过物理化学的学习，使学生系统地掌握物理化学基本原理和方法，初步具备分析和解决与物理化学有关问题的能力，为后续课程做好理论上的准备。三、教学内容和学时分配绪论2学时主要内容：物理化学课的目的和基本内容。物理化学发展简史。物理化学的研究方法。物理化学课程的学习方法。教学要求：明确物理化学课的目的和基本内容。了解物理化学的研究方法其它教学环节第一章热力学第一定律12学时主要内容：1、热力学的基本内容、方法及局限性。2、基本概念：体系与环境、强度性质与容量性质、状态与状态函数、过程与途径、热力学的平衡态。3、状态函数及其全微分的性质。4、功的定义、体积功与非体积功的计算。热和热容的定义、热量的计算。5、可逆过程与不可逆过程的概念。6、热力学第一定律：第一定律数学表达式、内能、焓、CP与CV的关系。7、第一定律对理想气体的应用：理想气体的内能和焓及CP与CV的关系、理想气体在等温过程、等压过程、等容过程、绝热过程、循环过程中ΔU、ΔH、Q、W的计算方法。理想气体的绝热可逆过程的过程方程式。8、第一定律对实际气体的应用：实际气体的几种状态方程式－范德华方程、刚球模型气体方程、*贝塞罗方程、*维里方程。焦耳－汤姆逊效应、实际气体在等温过程中ΔU、ΔH的计算。9、热化学：盖斯定律；化学反应热效应；等压热效应QP、等容热效应QV，与ΔH、ΔU的关系QP与QV的相互关系。反应进度、热化学反应方程式、化学反应热效应的单位。用燃烧热、生成热、离子生成焓计算反应热；用键焓估算反应热；*溶解热和稀释热。基尔霍夫定律、等压（或恒容）绝热反应。10、可逆循环过程的体积功、卡诺循环。11、*热力学第一定律的微观解释。教学要求：总的要求是通过对热力学第一定律的学习，了解热力学方法的特点，特别是要了解状态函数、准静态过程和可逆过程的概念。其次是了解热力学第一定律的一些应用，如热化学和理想气体在几种过程中功和热量的计算等。具体要求如下：1、了解热力学的一些基本概念，如系统、环境、功、热、状态函数和过程和途径等。2、明确热力学第一定律和热力学能的概念。明确热和功只在系统与环，境有能量交换时才有意义。熟知功与热正负号的取号惯例及各种过程中功与热的计算。3、明确准静态过程与可逆过程的意义。4、明确U及H都是状态函数，以及状态函数的特性。5、熟练地应用热力学第一定律计算理想气体在等温、等压、绝热等过程中的△U，△H，Q和W。6、能熟练地应用生成焓、燃烧焓来计算反应焓变。会应用Hess定律和Kirchhoff定律。7、了解Carnot循环的意义以及理想气体在诸过程中热、功的计算。8、从微观角度了解能量均分原理和热力学第一定律的本质。其它教学环节：习题课1次第二章热力学第二定律13学时主要内容：1、自发过程的共同特征。2、热力学第二定律的克劳修斯说法与开尔文说法。3、卡诺原理。4、熵：克劳修斯原理；熵函数引出，可逆过程热温商和熵变；第二定律的数学表达式，熵增原理，熵变的计算及熵判据的应用，熵的统计意义。5、热力学第三定律：热力学第三定律、规定熵、标准熵。6、亥姆霍兹自由能与吉布斯自由能：定义，等温等容和等温等压下过程方向与限度的判据，ΔG的计算示例。7、热力学第二定律对各种过程的分析与应用。8、热力学基本关系式及其简单应用：热力学基本方程、对应系数关系式、麦克斯韦关系式以及它们的简单应用。9、吉布斯－亥姆霍兹方程及应用。10、偏摩尔数量：定义，偏摩尔数量的集合公式、吉布斯－杜亥姆公式、*偏摩尔数量的求法。11、化学势：定义，化学势判据，化学势在相平衡体系中的应用、化学势与温度、压力关系。教学要求：1、了解自发变化的共同特征，明确热力学第二定律的意义。2、了解热力学第二定律与C9rnot定理的联系。理解Clausius不等式的重要性。注意在导出熵函数的过程中，公式推导的逻辑推理。3、熟记热力学函数S的含意及A，G的定义，了解其物理意义。4、能熟练地计算一些简单过程中的△S，△H，△A和厶G，学会如何设计可逆过程。5、会运用Gibbs—Helmh01tz公式。6、了解熵的统计意义。7、了解热力学第三定律的内容，知道规定熵值的意义、计算及其应用。8、初步了解不可逆过程热力学关于熵流和熵产生等基本内容。其它教学环节：习题课1次第三章统计热力学基础8学时主要内容：1、概论:：统计热力学的研究方向和目的、统计体系的分类、统计热力学的基本假定2、近独立粒子体系的统计分布:经典统计法，最可几分布、玻兹曼公式的推导和玻兹曼公式的讨论，摘取最大项原理、体系量子统计简介。3、配分函数：定义、配分函数与热力学函数的关系、配分函数的分离4、配分函数的计算及其对热力学函数的贡献：原子核、电子、平动、转动、振动配分函数及其分子的全配分函数、及计算，*晶体的热容问题。5、最低能级的选择对热力学函数的影响。6、从配分函数求平衡常数。7、理想气体反应平衡常数的计算：吉布斯自由能函数、焓函数、平衡常数的配分函数表达式，用吉布斯自由能函数求平衡常数。教学要求：l、了解统计系统的分类和统计热力学的基本假定。2、了解最概然分布和撷取最大项原理。3、了解配分函数的定义及其物理意义，知道配分函数与热力学函数的关系4、了解各种配分函数的计算方法，学会用配分函数计算简单分子的热力学函数，掌握理想气体简单分子平动嫡的计算5、了解分子配分函数的分离和全配分函数的组成。6、了解什么是自由能函数和热函函数，学会用自由能函数和配分函数计算平衡常数。第四章多组分体系热力学8学时主要内容：1、溶液组成表示法2、拉乌尔定律与亨利定律。3、气体的化学势与逸度：理想气体的化学势、非理想气体的化学势、逸度及逸度系数的定义。4、气体的标准态和标准态选择。对应状态原理、压缩因子Z的意义。5、偏摩尔体积及计算。6、积分溶解热、微分溶解热、稀释热。7、液态混合物和溶液中组分的化学势：溶液浓度的各种表示方法及相互关系，理想液态混合物中各组分的化学势、理想液态混合物的通性、拉乌尔定律与亨利定律。稀溶液中各组分的化学势。8、实际溶液中各组分的化学势及活度的概念：溶液中各组分的标准态和标准态的选择，活度的测定。9、稀溶液的依数性，稀溶液依数性公式推导及计算。10、*液态混合物通性的微观解释教学要求：1、熟悉多组分系统的组成表示法及其相互之间的关系。2、掌握偏摩尔量和化学势的定义，了解它们之间的区别和在多组分系统中引入偏摩尔量和化学势的意义。3、掌握理想气体化学势的表示式及其标准态的含义，了解理想的和非理想气体化学势的表示式，知道它们的共同之处，了解逸度的概念。4、掌握Roult定律和Henry定律的用处，了解它们的适用条件和不同之处。5、了解理想液态混合物的通性及化学势的表示方法。6、了解理想稀溶液中各组分化学势的表示法。7、熟悉稀溶液的依数性，会利用依数性计算未知物的摩尔质量。8、了解相对活度的概念，知道如何描述溶剂的非理想程度。其它教学环节：习题课1次第五章相平衡10学时主要内容：1、热力学对单组分体系的应用：了解克拉贝龙方程和克拉贝龙－克劳修斯方程式的意义与应用；楚顿（特鲁顿）规则。2、相律：相、组分数、自由度的概念，相律的推导。3、单组分体系的相图：水的相图、*硫的相图。4、二组分液－液体系相图：完全互溶双液系（P－X图、T－X图、杠杆规则、蒸馏与精馏原理）;部分互溶双液系、不互溶双液系及水蒸气蒸馏原理。5、二组分固－液体系相图：形成简单低共熔混合物的固－液体系（热分析法、溶解度法绘制相图）；形成稳定化合物和形成不稳定化合物的固－液体系；固态完全互溶、部分互溶的固－液体系，区域熔炼原理。6、三组分体系的相图：三组分体系的组成表示法，部分互溶的三液系、三组分盐水体系、形成水合物、复盐体系的分离提纯，*三元低共熔混合物体系。7、分配定律与萃取效率及相图说明。教学要求：1、了解相、组分数和自由度等相平衡中的基本概念。2、了解相律的推导过程，熟练掌握相律在相图中的应用。3、能看懂各种类型的相图，并进行简单分析,理解相图中各相区、线和特殊点所代表的意义，了解其自由度的变化情况。4、在双液系相图中，了解完全互溶、部分互溶和完全不互溶相图的特点，掌握如何利用相图进行有机物的分离提纯。5、学会用步冷曲线绘制二组分低共熔相图，会对相图进行分析，并了解二组分低共熔相图和水盐相图在冶金、分离、提纯等方面的应用。6、了解三组分系统相图中点、线、面的含义，学会将三组分系统相图用于盐类的分离提纯和有机物的萃取等方面。其它教学环节：习题课1次第六章化学平衡8学时主要内容：1、化学反应的方向和限度：化学反应亲合势A=-()T，P=ΔrGm，化学平衡条件、化学反应等温式；标准平衡常数KØ。2、平衡常数及其应用：理想气体反应、实际气体反应、液相反应、复相反应的平衡常数及其各种表达式、平衡常数的测定、平衡组成及平衡转化率的计算。3、标准生成吉布斯自由能和液相反应的标准吉布斯自由能：标准态下反应的吉布斯自由能的变化值ΔrGm、标准生成吉布斯自由能ΔfGm。液相反应的ΔrGm与标准平衡常数K关系。复相反应平衡常数，固体分解压力。4、平衡常数与温度的关系的等压方程式。5、浓度、压力、惰性气体等因素对平衡的影响。6、同时平衡。*反应的耦合。7、*应用热力学分析的几个实例。教学要求：在本章中根据热力学的平衡条件导出化学反应等温式和平衡常数的表示式。前者用以判别化学反应的方向，后者则反应达平衡时反应系统中各物质。的活度(农度)之间的关系。根据平衡常数就能求出在给定条件下应应所能达到的程度。然后又讨论了各种因素对化学平衡的影响。具体要求是：1、了解如何从平衡条件导出化学反应等温式。掌握如何使用这个公式?2、了解如何从化学势导出标准平衡常数。3、均相和多相反应的平衡常数表示式有什么不同?4、理解的意义以及与标准平衡常数的关系，掌握的求算和应用。5、理解的意义并掌握其用途。6、熟悉温度、压力和惰性气体对平衡的影响。其它教学环节：习题课1次第七章化学动力学基础（一）10学时主要内容：1、化学动力学的任务和目的2、化学反应速率表示法3、反应速率与浓度的关系：速率常数、零级、一级、二级反应速率方程式及其特点，反应级数和4、反应速率常数的测定－尝试法、图解法、微分法、改变物质的数量比例法、半衰期法。5、基元反应、反应分子数6、几种典型的复杂反应和链反应：对峙反应、平行反应、连续反应、链反应和爆炸反应。7、稳态近似法和平衡浓度近似法导出反应速率方程。8、温度对反应速率的影响：阿累尼乌斯经验式、活化能的概念、测定与估算活化能，表观活化能与基元反应活化能关系，温度对活化能大小不同反应影响。阿累尼乌斯经验公式并能从实验数据计算表观活化能，活化能的估算方法。9、拟定反应历程的一般方法教学要求：1、掌握宏观动力学中的一些基本概念，如：反应速率的表示法，什么是基元反应和非基元反应?什么是反应级数、反应分子数和速率常数等。2、掌握具有简单级数反应(如一级、二级和零级)的特点，不但会从实验数据利用各种方法判断反应级数，还要能熟练地利用速率方程计算速率常数、半衰期等。3、对三种典型的复杂反应(对峙反应、平行反应和连续反应)要掌握它们的特点，学会使用合理的近似方法，作一些简单的计算。4、掌握温度对反应速率的影响，特别是在平行反应中如何进行温度调控，以提高所需产物的产量。5、掌握Arrhenius经验式的各种表示形式，知道活化能的含义，它对反应速率的影响和掌握活化能的求算方法。6、掌握链反应的特点，会用稳态近似、平衡假设和速控步等近似方法从复杂反应的机理推导出速率方程。其它教学环节：习题课1次第八章化学动力学基础（二）8学时主要内容：1、碰撞理论：碰撞理论基本要点，气体分子的碰撞频率、碰撞截面、碰撞参数、角度分布，同种分子与异种分子捧撞频率计算，碰撞理论速率公式，微观反应与宏观反应、阈能与活化能、单分子反应碰撞理论。2、过渡态理论：过渡态理论基本假说，过渡状态、活化络合物、势能面、马鞍点、能垒的概念，过渡态理论速率方程与活化熵、活化焓、活化吉布斯自由能公式（*介绍统计热力学求K的方法）。3、*溶液中的反应：笼效应、偶迂对、液相反应机理，溶剂性质、离子强度对反应速率常数影响。4、*快速反应的测试：改进经典法、流动法、弛豫法、*闪光分解法5、光化学反应：光化学基本定律、量子产率、光化学反应动力学、光分解反应与光化合反应，光化平衡和温度对光化学反应的影响，激光化学反应，*大气中光化学反应、*感光反应、*化学发光。6、催化作用：催化剂与催化作用，催化反应的特点，均相酸碱催化、络合催化、酶催化反应。7、多相催化：物理吸附与化学吸附，化学吸附与物理吸附的区别，兰格缪尔吸附理论和BET吸附理论的要点及兰格缪尔吸附等温式与BET公式的应用8、化学吸附与催化反应的关系，以及气－固相催化反应的一般机理9、*自催化与化学振荡。10、*分子反应动态学简介：研究分子反应的实验方法、分子碰撞与态－态反应、直接反应碰撞与形成络合物碰撞教学要求：1、了解目前较常用的反应速率理论。特别是对碰撞理论和过渡态理论要知道它们分别采用的模型、推导过程中引进的假定、计算速率常数的公式及理论的优缺点。会利用这两个理论来计算一些简单反应的速率常数，掌握活化能、阈能和活化焓等能量之间的关系。2、了解微观反应动力学的发展概况、常用的实验方法和该研究在理论上的意义。3、了解溶液反应的特点和溶剂对反应的影响，会判断离子强度对不同反应速率的影响(即原盐效应)。了解扩散对反应的影响。4、了解较常用的测试快速反应的方法，学会用弛豫法来计算简单快速对峙反应的两个速率常数。5、了解光化学反应的基本定律、光化学平衡与热化学平衡的区别以及这类反应的发展趋势和应用前景。掌握量子产率的计算和会处理简单的光化学反应的动力学问题。6、了解化学激光的原理、发展趋势和应用前景。7、了解催化反应特别是酶催化反应的特点、催化剂之所以能改变反应速率的本质和常用催化剂的类型。8、了解自催化反应的特点和产生化学振荡的原因。第九章电解质溶液6学时主要内容：1、电化学基本概念和法拉第定律。2、电解质溶液的电导：电导、电导率与摩尔电导、浓度、温度对电导率和摩尔电导影响，离子摩尔电导，电导测量及应用，柯尔劳施公式，离子独立运动定律。3、离子的迁移、迁移数的定义及测定方法（希托夫法、界面移动法）。4、极限迁移数与离子淌度及离子电导的相互关系。5、电导测定的一些应用：电导的测定、电离度与电离常数、难溶盐的溶解度和溶度积。6、电解质离子的活度和离子的平均活度及平均活度系数。7、强电解质溶液理论：离子强度、德拜－休格尔互吸理论、昂萨格电导理论。8、*离子水合作用。教学要求：1、掌握电化学的基本概念和电解定律，了解迁移数的意义及常用的测定迁移数的方法。2、掌握电导率、摩尔电导率的意义及它们与溶液浓度的关系。3、熟悉离子独立移动定律及电导测定的一些应用。4、掌握迁移数与摩尔电导率、离子电迁移率之间的关系，能熟练地进行计算。5、理解电解质的离子平均活度、平均活度因子的意义及其计算方法。6、了解强电解质溶液理论的基本内容及适用范围，并会计算离子强度及使用Dcbye—H让ckel极限公式。第十章可逆电池10学时主要内容：1、可逆电池与不可逆电池：电极反应与电池反应，由化学反应设计可逆电池。2、可逆电池的热力学：可逆电池图式表示法、可逆电池的类型、可逆电池反应热力学量计算。3、电池电动势的测定：对消法测电动势、韦斯顿标准电池。4、电动势产生的机理：电极与电解质溶液界面间电势差的形成、接触电势、液接电势、电动势的产生。5、电极电势与电池的电动势：标准氢电极和标准电极电势，可逆电极种类，歌种电池电动势的计算。6、浓差电池和液体接界电势的计算。7、电动势测定的应用：电解质溶液平均活度系数的测定，求难溶盐的活度积，PH值的测定。8、*电势-pH图绘制及应用。教学要求：1、掌握形成可逆电池的必要条件、可逆电极的类型和电池的书面表示方法，能熟练、正确地写出电极反应和电池反应。2、了解对消法测电动势的基本原理和标准电池的作用。3、在正确写出电极和电池反应的基础上，熟练地用Nernst方程计算电极电势和电池的电动势。4、了解电动势产生的机理和氢标准电极的作用。5、掌握热力学与电化学之间的联系，会利用电化学测定的数据计算热力学函数的变化值。6、熟悉电动势测定的主要应用，会从可逆电池测定数据的计算平均活度因子、解离平衡常数和溶液的pH等。其它教学环节：习题课1次，3学时第十一章电解与极化作用6学时主要内容：1、电解现象、分解电压及测量。2、极化作用：极化现象与超电势，不同电极极化曲线形状，阴计极化曲线测量；浓差极化、化学极化。3、电化学极化，氢过电势产生原因与迟缓放电、复合放电机理；塔菲尔公式。4、*塔菲尔公式理论推导。5、电解时电极上的反应：金属的析出电势，金属离子的分离与共同析出，电解还原与氧化反应与外加电压。6、金属的电化学腐蚀、金属的防腐、阴极保护与阳极保护，金属的钝化与钝化曲线测量。7、*化学电源的类型及应用教学要求：1、了解分解电压的意义，要使电解池不断地进行工作必须克服哪几种阻力?2、了解什么是极化现象，什么是超电势？极化作用有哪几种?如何降低极化作用?3、什么是极化曲线?电解池与原电池的极化曲线有哪些异同点?各有什么缺点和可利用之处?4、如何计算H2（g）的超电势?为什么在电解中研究H2（g）的超电势特别多?5、在电解过程中，能用计算的方法判断在两个电极上首先发生反应的物质。了解电解的一般过程及其应用。6、了解金属腐蚀的类型，了解常用的防止金属腐蚀的方法。7、了解常见化学电源的基本原理、类型及目前的发展概况，特别是燃料电池的应用前景。第十二章表面物理化学6学时主要内容：1、表面吉布斯自由能与表面张力：2、表面吉布斯自由能、表面张力、表面张力与温度的关系。3、弯曲表面下的附加压力和蒸气压：弯曲表面下的附加压力、拉普拉斯公式、蒸气压与曲率关系与溶解度与颗粒大小关系的开尔文方程。4、液体的铺展与润湿。5、溶液界面的吸附：溶液表面张力与溶质、浓度的关系，溶液表面层的吸附现象、吉布斯等温吸附方程式、分子在两相界面的定向排列与吸附量计算。6、表面活性剂：定义、种类和结构、表面活性物质在吸附层的定向排列、表面活性剂的特性，HLB值、CMC值，表面活性剂的一些重要作用（乳化、加溶、起泡作用）。7、液－固界面现象。8、几种重要的表面现象。9、溶液中固体表面吸附。教学要求：1、明确表面张力和表面GiLbs自由能的概念，了解表面张力与温度的关系。2、明确弯曲表面的附加压力产生的原因及与曲率半径的关系，学会使用YOung—Laplace公式。3、了解弯曲表面上的蒸气压与平面相比有何不同，学会使用Kelvin公式，会用这个基本原理来解释人工降雨、毛细凝聚等常见的表面现象。4、掌握Gibbs吸附等温式的表示形式及各项的物理意义，并能应用该式作简单计算。5、理解什么叫表面活性剂，了解它在表面上作定向排列及降低表面Gibbs自由能的情况，了解表面活性剂的大致分类及它的几种重要作用。6、了解液—液、液—固界面的铺展与润湿情况，理解气一固表面的吸附本：质及吸附等温线的主要类型，能解释简单的表面反应动力学，为何在不同的压力下有不同的反应级数等等。7、了解化学吸附与物理吸引的区别，了解影响固体吸附的主要因素。8、了解化学吸附与多相催化反应的关系，了解气一固相表面催化反应速率的特点及反应机理。第十三章胶体分散系统和大分子溶液5学时主要内容：1、胶体的分类、基本特性、溶胶的制备和净化。2、胶体的动力学性质：布朗运动与扩散、沉降与沉降平衡。3、胶体的光学性质：丁铎尔效应、瑞利公式。*乳光的偏振性、*光散射测分子量4、胶体的电学性质：电泳和电渗现象、胶粒带电原因、胶团结构、双电层结构和电动电势。5、胶体的稳定性和聚沉作用：胶体的稳定性、影响聚沉作用的一些因素、电解质聚沉能力的规律、胶体稳定性的DLVO理论。6、大分子溶液：大分子溶液渗透压与唐南平衡。大分子溶液几种粘度及粘均分子量测量。盐析与胶凝。教学要求：1、了解胶体分散系统的大概分类，对增液溶胶的胶粒结构、制备和净化常用的方法等要有一定的熟悉，因为这类实验技术在制备纳米材料时也是很有用的。2、了解憎液溶胶在动力性质、光学性质、电学性质等方面的特点，以及如何利用这些特点对胶体进行粒度大小、带电情况等方面的研究。熟悉常用的电泳