物理化学教学大纲.docx

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物理化学教学大纲

物理化学

（PhysicalChemistry）

课程编号：

07079000707910

开课学期：

第4-5学期

本课程课内总学时数：

90

本课程课外总学时数：

0

学分：

5

一、教学对象

本大纲适用于化学专业本科。

二、教学目的

物理化学是化学专业的一门基础理论课。

本课程的目的是在已学习过的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化学运动的普遍规律。

通过物理化学的教学，使学生了解和掌握化学学科的基本原理，培养学生的理论思维能力，为将来进行教学和科学研究打下扎实的理论基础。

三、教学要求

本课程主要包括化学热力学、统计热力学、化学动力学、电化学、表面化学等五大内容。

通过教学的各个环节必须使学生达到各章所提出的基本要求。

为了培养学生的独立工作能力，讲授内容要分清主次，在注重系统性的原则下，着重讲解教材的重点和难点。

在教授方法上，要注重逻辑思路、理论联系实际。

表面现象一章的大部分内容可由学生自学而达到教学的目的要求；统计热力学初步一章主要给学生讲清统计热力学的最基本方法，怎样把宏观性质与微观性质联系起来，内容上不做统一要求；第一章气体为选学内容，与先行课程重复，可根据具体情况适当安排一些练习以巩固或加深过去所学过的知识。

习题课是重要的教学环节，教师必须予以重视。

讲授时要注意国家颁布的法定计量单位和符号系统。

四、教学内容

绪论（1学时）

着重阐明物理化学的意义，介绍物理化学的学习方法。

基本内容：

1.物理化学的基本内容简介

2.物理化学发展史

3.学习物理化学的意义

4.学习物理化学的一般科学方法

第一章气体（自学）

第二章热力学第一定律（13学时）

通过本章的教学使学生初步了解热力学方法的特点，掌握状态、状态函数、可逆过程等基本概念，理解状态函数的性质，理解热力学第一定律并能应用于物理化学过程，能熟练地对热化学和理想气体几种过程中的功和热进行计算。

基本要求：

1.必须使学生准确掌握热力学的基本概念。

2.应使学生知道热、功和热力学能这三者的区别和联系。

3.必须使学生充分理解状态函数的意义及其数学特性。

4.明确焓的定义及意义。

5.明确可逆过程及意义。

6.较熟练地应用热力学第一定律计算理想气体在等温、等容、等压和绝热过程中ΔU、ΔH、Q和W的计算。

（1）能熟练应用生成焓，燃烧热来计算反应热。

会应用Hess定律和Kirchhoff定律。

（2）了解Carnot循环的应用意义以及理想气体在诸过程的热和功的计算。

基本内容：

（一）热力学的概念和热力学的基本概念

1.热力学的目的、内容、方法与局限性

2.系统与环境

3.系统的状态的性质（状态、广度性质、强度性质）

4.过程和途径（等温过程、等压过程、等容过程、相变过程、绝热过程、循环过程、化学过程）

5.状态函数的全微分性质

6.热平衡和热力学第零定律—温度的概念

（二）热和功

1.热

2.功（体积功和非体积功，功的一般计算公式，体积功的计算）

（三）热力学第一定律

1.热力学能

2.热力学第一定律文字表述和数字表达式

（四）焓（等压热，等容热，焓的定义）

（五）热容（Cp、Cv及其相应关系，Cp与温度的关系），热量的计算。

（六）准静态过程与可逆过程（概念，功的计算）

（七）热力学第一定律对理想气体的应用

1.理想气体的热力学能和焓，Gay-Lussac-Joule实验

2.理想气体ΔU和ΔH的计算

3.理想气体Cp与Cv的关系

4.理想气体的等温可逆过程

5.绝热过程的功和过程方程式（与等温过程功的比较）

6.理想气体的Carnot循环

（八）热力学第一定律对相变的应用（相变焓—补充内容）

（九）热力学第一定律对实际气体的应用（Joule-Thomson效应）

1.Joule-Thomson实验

2.焦—汤系数及倒转温度

3.气体的液化

4.实际气体的热力学能和焓

（十）热力学第一定律对化学反应过程的应用

1.化学反应的热效应（等压热效应，等容热效应，反应进度和热化学方程式，化学反应热效应的表示）

2.Hess定律

3.化学反应热效应的计算（生成焓、标准生成焓、燃烧焓、离子生成焓、键焓）

4.反应热效应与温度的关系（Kirchhoff定律，非等温反应和绝热反应热效应的计算）

重点与难点：

热力学的基本概念；热力学第一定律及应用；Hess定律及化学反应热效应的计算；反应热效应与温度的关系。

第三章热力学第二定律（12学时）

本章主要讨论系统的过程方向与限度。

熵与熵增加原理是本章的难点。

熵的统计意义能使学生初步理解熵与第二定律的微观含义。

热力学第三定律为以后计算物质的熵值与其他热力学函数提供根据。

由于化学反应一般可控制在恒温恒压下进行，所以Gibbs自由能的使用也是本章的重要内容之一。

基本要求：

1.了解一切自发过程的共同特征，明确热力学第二定理的意义。

2.明确从Carnot定理得出Clausius不等式和熵函数的逻辑性，从而理解Clausius不等式的重要性与熵函数的概念。

3.熟记并理解热力学函数S、A、G的定义与各热力学函数间的关系。

4.明确每一热力学函数只是在各自的特定条件下才能作为过程进行方向与限度的判据，熟练ΔS与ΔG的计算与应用。

5.熵的统计意义与热力学第三定律只作一般性了解。

6.初步了解不可逆过程热力学的一些基本概念。

基本内容：

（一）一切自发过程的共同特征—不可逆性

（二）热力学第二定律的表达方法

（三）Carnot定理

（四）过程的热温商与熵函数

1.Clausius不等式

2.不可逆过程热温商与熵的概念

3.可逆过程热温商与熵变

（五）热力学第二定律的数学表达式与熵判据

1.热力学第二定律的数学表达式

2.熵增加原理

（六）熵的统计意义

1.热力学第二定律的本质

2.微观状态函数与最可几分布

3.熵与热力学概率的关系（Boltzmann公式）

（七）熵变的计算与熵判据的应用

1.各种简单变化过程

2.相变过程

3.等温下的化学反应过程

（八）热力学第三定律、规定熵

1.热力学第三定律

2.规定熵、标准熵

3.热力学第二定律的数学表达式与熵判据

（九）自由能

1.自由能（Helmholtz自由能和Gibbs自由能）

2.自由能判据

3.自由能变化的焓效应与熵效应

4.其它条件下所进行过程的判据

（十）等温过程的计算与应用

1.无化学变化与无相变的等温过程。

2.纯物质的相变过程。

3.化学反应的ΔG。

（十一）热力学函数间的关系式与Gibbs—Helmholtz方程

1.热力学函数之间的关系

2.热力学基本关系式

3.热力学基本关系式衍生公式（麦克斯韦关系式及其应用）

4.公式推导

5.Gibbs—Helmholtz方程

（十二）不可逆过程热力学简介

重点与难点：

过程的热温商与熵函数；热力学第二定律的数学表达式与熵判据；熵变的计算与熵判据的应用；自由能及各种过程ΔG的计算；热力学函数间的关系式与Gibbs—Helmholtz方程；各种系统组分化学势表达式。

第四章多组分系统热力学及其在溶液中的应用（8学时）

本章讨论溶液的热力学性质。

使学生了解偏摩尔量的概念与意义；理想溶液、Raoult定律及Henry定律的意义；实际溶液与理想溶液的区别；活度的概念与意义，以及标准态的选用。

基本要求：

1.必须使学生理解多组分系统中引入偏摩尔量的原由，掌握偏摩尔量的定义及其化学势的关系，对加和公式只要求了解其物理意义及用途。

2.掌握稀溶液与理想溶液混合物，非理想溶液混合物三者的区别、关系及各自性质。

加深对Raoult定律、Henry定律的理解并熟悉其应用。

3.活度的概念与标准态的选用是本章的一个难点，必须使学生理解这两个概念及其意义。

基本内容：

（一）概述与组成表示法

（二）多组分热力学基础

1.偏摩尔量和偏摩尔量的加和公式

2.化学势的定义

3.化学势与温度、压力的关系

4.化学势在相平衡系统中的应用

5.气体的化学势与逸度（包括实际气体的状态方程）

6.纯液体和纯固体的化学势

（三）溶液的基本性质和两个经验定律

1.了解偏摩尔体积及其求法

2.Raoult定律及Henry定律

（四）稀溶液

1.各组分的化学势与标准态

2.活度与活度系数

3.依数性

（五）理想液体混合物

1.理想液体混合物的特性

2.理想溶液的特性

3.组成理想溶液过程中，系统诸热力学函数的改变

（六）非理想液态混合物、非理想稀溶液

1.与理想液态混合物偏差

2.活度与活度因子

重点与难点：

Raoult定律及Henry定律；活度与活度因子；理想稀溶液的特性。

第五章相平衡（11学时）

本章应用热力学方法讨论相平衡系统的一般规律。

学习一些典型相图的作法制法、分析与应用。

Clapeyron方程、Clausius—Clapeyron方程、相律与相图的分析及应用是本章的主要内容。

相图分析着重于二组分系统。

对三组分系统不作要求。

基本要求：

1.理解Clausius—Clapeyron方程的推导过程及其应用。

2.明确相、组分数和自由度的概念，了解相律的推导、物理意义与用途。

3.了解绘制相图的常用方法，能根据热分析法绘制步冷曲线而得出相图。

4.能应用相律说明相图中点、线、区的意义，并能根据相图来说明系统在不同过程中所发生相变的情况（包括杠杆规则的使用）。

基本内容：

（一）单组分系统

1.Clapeyron方程

2.Clausius—Clapeyron方程

3.水的相图

（二）相律

1.相、组分数与自由度的概念

2.相律的推导

3.相律的应用

（三）二组分系统的相图及其应用

1.理想的二组分液态混合物--完全互溶双液系

2.杠杆规则

3.蒸馏（或精馏）的基本原理

4.非理想的二组分液态混合物

5.部分互溶的双液系

6.不互溶的双液系—蒸气蒸馏

7.简单的低共熔二元相图

8.形成化合物的系统

（1）能形成稳定固态化合物系统

（2）形成不稳定固态化合物系统

9.二组分在液态与固态时均能完全互溶的系统

10.二组分固态时部分互溶的系统

（1）具有转熔温度的固态部分互溶系统

（2）具有低共熔温度的固态部分互溶系统

重点与难点：

Clausius—Clapeyron方程；相律及其应用；杠杆规则及其应用；水的相图；具有简单低共熔点的凝聚系统相图；能形成稳定固态化合物系统相图；双液系的气液平衡相图。

第六章化学平衡（5学时）

本章根据热力学的平衡条件得出反应的等温方程式，并根据物质的热力学函数计算反应的平衡常数，再进一步讨论它的浓度、温度、压力与惰性气体对平衡的定量影响。

最后列举一些实例说明应用热力学平衡条件来分析反应的重要性与实际意义。

基本要求：

1.从热力学平衡条件导出化学反应等温方程式以及该方程的意义是本章的重点。

2.熟练平衡常数与平衡组成的计算。

3.熟练理想气体反应Kp、Ka、Kx与Kc换算。

4.理解物质生成自由能与反应过程ΔG的物理意义，掌握ΔGO

=-RTlnKO的有关计算，熟悉一些因素对反应平衡的定量影响。

5.了解从Gibbs—Helmholtz方程推导反应等压方程式的思路及有关该方程的计算，熟悉一些因素对反应平衡的定量影响。

7.同时化学平衡和近似计算要求能在课外看懂。

基本内容：

（一）平衡常数与反应等温方程式

（二）标准生成自由能

1.标准生成自由能

2.标准生成自由能的求法及用途

（三）有关平衡常数的计算及应用

1.平衡常数的实验测定法

2.理想气体反应Kp、Ka、Kx与Kc之间的关系

3.实际气体反应的平衡常数（逸度的求算）

4.液相反应的平衡常数

5.复相反应的平衡常数（固体的分解压）

（四）一些因素对化学平衡的影响

1.浓度对化学平衡的影响

2.温度对化学平衡的影响

3.压力对化学平衡的影响

4.惰性气体对化学平衡的影响

（五）同时化学平衡

重点与难点：

平衡常数与反应等温方程式；标准生成自由能的求法及用途；理想气体反应Kp、Ka、Kx与Kc之间的关系；复相反应的平衡常数；温度对化学平衡的影响-等压方程式。

第七章统计热力学初步（4学时）

本章介绍统计热力学的初步知识，从微观和宏观的联系上深化热力学知识。

重点介绍玻尔兹曼统计及配分函数的意义和计算，公式的推导从简。

得出配分函数与热力学函数的关系。

使学生了解系统的热力学宏观性质可以通过微观性质计算出来。

教师可根据具体的情况决定取舍。

基本内容：

（一）概论

1.统计热力学的研究方法和目的

2.统计系统的分类

3.统计热力学的基本假定

（二）Botzmann统计

1.定位系统的最概然分布

2.Botzmann公式的讨论及其他形式

（三）配分函数

1.配分函数的定义

2.配分函数与热力学函数的关系

3.配分函数的分离

（四）各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献

1.各种配分函数

2.各种配分函数的计算

（四）热力学函数的计算

1.单原子气体

2.双原子分子

3.晶体的热容

重点与难点：

配分函数与热力学函数的关系；配分函数的计算；配分函数与热力学函数的关系。

第八章电解质溶液（8学时）

本章讨论电解质溶液的性质与理论。

电解质溶液的导电性质和热力学性质，电解质溶液理论，以前者为重点，后者偏重概念和极限公式介绍，电导理论简介给出结果。

基本要求：

1.理解离子的水化作用及其在外电场下溶液中的迁移情况。

2.明确电导、电导率、摩尔电导率、迁移数、离子的电迁移率与离子独立运动定律等概念、意义及它们之间的关系。

3.了解强电解质溶液的德拜—休格尔互吸理论的基本观点与公式推导。

4.掌握电解质的平均活度和平均活度因子的概念和计算。

基本内容：

（一）电化学中的基本概念和电解定律

（二）离子电迁移率和迁移数

1.离子的电迁移现象

2.离子的电迁移率和迁移数

（三）电解质溶液的电导

1.电导、电导率、摩尔电导率

2.离子独立运动定律

3.电导、摩尔电导率与浓度的关系

（四）电导测定的应用

1.电离度与电离常数

2.pH值

3.难溶盐的溶解度和溶度积

4.电导滴定

（五）电解质的平均活度和平均活度因子

1.电解质溶液的活度与平均活度系数的概念和计算

2.离子强度概念

（六）强电解质溶液理论简介

1.了解德拜—休格尔离子互吸理论

2.了解德拜—休格尔极限公式的推导

第九章可逆电池的电动势及其应用第十章电解和极化作用（8学时）

第九章是热力学在电化学中的应用，是电化学的重点一章。

要求讲好学好，讲解时注意突出电池及其电动势这个主题。

第十章介绍不可逆电极过程的基本知识、使学生对电池放电和电解的实际情况有初步了解，教师可根据具体的情况决定取舍。

基本要求

1.对于可逆电势部分，首先使学生理解电势过程的热力学函数的改变G、H、S与电动、电动势的关系，了解电池电动势产生的原因和熟悉电化学的惯用符号。

2.熟练地从所给电池、电极写出有关的化学方程式，并根据所给化学反应设计原电池。

3.能斯特方程、电极电位表与电动势测定的应用是本部分的主要内容之一，教师可列举也许一些例题使学生掌握有关内容。

4.了解双电层的结构。

5.了解分解电压的意义与用途。

6.了解产生极化作用的原因、极化的分类与电化学极化的机理。

7.了解金属腐蚀的机理与防腐机理。

基本内容

（一）可逆电池的热力学

1.可逆电池与不可逆电池

2.可逆电池表示方法与设计

3.可逆电池的热力学

4.能斯特方程

（二）电极电位

1.电极电位

2.可逆电极种类

3.标准氢电极与参比电极

（三）可逆电池电动势的计算

（四）标准电池与电动势的测定

（五）电动势测定的应用

1.溶液pH值的测定

2.玻璃电极、离子选择电极的原理及其应用

3.标准电极电位与电解质平均活度系数的测定

（六）了解电势-pH图及其应用

（七）分解电压和极化

1.极化曲线及其测定

2.氢超电势

（八）电解时电极上的竞争反应

1.金属析出与氢过电位

2.金属离子的分离

（九）金属的电化学腐蚀与防腐蚀

（十）化学电源简介

重点与难点：

电解质溶液的电导；强电解质溶液理论；可逆电池的热力学；可逆电池电动势的计算；标准电极电位的应用；电动势测定及其应用。

第十一、十二章化学动力学基础（一、二）（13学时）

介绍化学动力学的三个层次：

经典化学动力学、基元反应动力学、分子反应动态学，前者为重点，后者只简单提及。

化学动力学分为二个部分：

第一部分为化学动力学

（一），其中先阐明化学动力学的意义与其基本内容，随后分析几个复杂反应的速度方程。

在化学反应机理的内容中可适当地介绍一些近代的微观动力学的知识，关于反应速度理论，主要阐明理论的推导与公式的物理意义。

第二部分为化学动力学

（二），对反应速度理论主要阐明公式推导和意义，对两种理论加以简单比较。

对单分子反应理论作适当介绍，对光化反应主要讲清一些特点和概念。

在多相催化之前可适当介绍一些有关吸附的内容，关于催化作用的原理只作简单介绍。

基本要求：

1.明确反应分子数与反应级数的区别与联系。

2.熟悉反应速度表示法及简单反应的浓度与时间的关系式。

3.了解反应级数的实验测定法。

4.对于对峙反应、平行反应和连串反应的动力学公式应着重了解速度方程式的建立以及时间—浓度关系式。

5.明确稳态近似法与平衡浓度法处理速率方程的意义。

6.了解链反应的特征与爆炸反应的机理。

7.理解活化能的概念及其对反应速度的影响。

8.了解碰撞理论与过渡态理论的基本论点，并能对上述二理论作一些比较。

9.光化学反应的基本规律和单分子反应理论只作一般性了解。

10.了解有关催化反应的一些术语。

11.了解物理吸附与化学吸附的区别。

基本内容：

（一）反应速度及其测定

（二）反应物浓度对反应速度的影响

1.反应速度方程式

2.比速度常数的意义

3.基元反应

4.反应分子数

5.反应级数

（三）具有简单级数的反应（1、2、3、0级反应，准级数反应）

（四）反应级数的测定

1.微分法

2.改变物质数量比例法

3.半衰期法

4.尝试法

5.作图法

（五）温度对反应速度的影响（表观活化能）

（六）对峙反应、平行反应与连串反应

（七）链反应

（八）化学反应机理的确定

1.确定反应机理的步骤

2.快速反应机理方法简介

（九）化学反应速度理论

1.碰撞理论（包括单分子理论）

2.过渡状态理论

（十）分子反应动态学

（十一）溶液中化学反应动力学

（十二）光化反应

1.光化当量定律及量子效率

2.光化合反应

3.光分解反应

4.激光化学反应

（十三）热裂法制乙烯的动力学分析实例

（十四）催化作用的基本特征

（十五）均相催化作用的基本特征

1.气相催化

2.液相催化

3.酶催化

（十六）物理吸附与化学吸附

重点与难点：

反应物浓度对反应速度的影响；具有简单级数的反应；温度对反应速度的影响；稳态近似法和平衡假设法。

第十三章表面物理现象第十四章胶体分散系统和大分子溶液（7学时）

第一部分为表面现象，阐明物相高度分散后的一些基本性质，第二部分概述溶胶的制备及其性质，以及大分子溶液的性质。

基本要求：

1.明确表面自由能、表面张力的概念，了解表面曲率与蒸汽压的关系。

2、理解杨氏方程、拉普拉斯公式、开尔文公式、吉布斯吸附式各项的意义及公式的适用条件。

3、了解润湿角、铺展系数的定义，一般了解亚稳状态和新相生成的关系。

4.掌握兰格缪尔单分子层吸附理论和吸附等温式。

5.掌握溶液表面吸附，表面活性剂的基本知识

6.了解溶胶的一般制备方法与净化方法。

7.了解溶胶的动力学性质、光学性质与电学性质。

8.了解胶团结构及胶体的稳定性与聚沉作用。

9.了解大分子溶液性质及其分子量的测定法。

基本内容：

（一）表面自由能与表面张力

（二）弯曲表面现象

1.弯曲液面下的附加压力

2.蒸气压与表面曲率的关系

（三）溶液的表面吸附、表面活性物质

1.溶液表面层的吸附现象

2.Gibbs等温吸附方程式

3.表面活性物质的基本性质及分类

（四）几种重要的界面现象及表面活性剂的作用

1.润湿与铺展

2.乳化与增溶

3.起泡与去污

（五）溶液中固体表面的吸附

1.兰格缪尔吸附等温式和兰格缪尔单分子层吸附理论

2.BET吸附等温式

（六）溶胶的制备与净化

（七）溶胶的光散射现象和胶粒的扩散

1.丁达尔现象与光的散射

2.布朗运动和胶粒的扩散

（八）电动现象与电动电位

（九）胶体的稳定性和聚沉DLVO理论

（十）大分子溶液及膜平衡

1.大分子溶液性质及分子测量

2.膜平衡及离子交换膜的应用—电渗透

重点与难点：

弯曲表面现象；溶液的表面吸附、表面活性物质；杨氏方程、拉普拉斯公式、开尔文公式、吉布斯吸附式各项的意义及公式的适用条件；兰格缪尔吸附等温式、兰格缪尔单分子层吸附理论。

五、教学重点及难点

1.全书重点是第二、三、十一章（热力学第一定律、第二定律及化学动力学基础），次重点是第五、八和九章（相平衡、电化学）。

2.全书难点是第三、五、七章（热力学第二定律、相平衡、统计热力学基础），次难点是第二、十一、八和九章（热力学第一定律、化学动力学及电化学）。

六、采用的教学手段与教学方法

1.加强阐述。

务必做到深入浅出，加深对物理化学概念的理解。

2.充分利用图表、模型和电化教具。

务使讲授具体、直观、生动。

3.加强习题课。

提高学生解决问题的能力。

4.进行必要的参观、学习。

了解大型仪器的使用性能，激发学生的学习兴趣。

5.选择适宜教材。

教材要内容详实、逻辑缜密，但讲授应简明、清晰，讲授和教材之间应互相补充，教材应有一定数量、难度的精选例题，使学生解决较难问题有所借鉴，并附有标准化模拟试题以做复习参考之用。

七、需要注意的问题

为避免不必要的重复，对气体、化学平衡、化学动力学等相关章节的部分内容可放在无机化学等前期课程中讲授，本课程不再重复。

根据微观粒子运动的客观规律，深入理解其本质，利用能量量子化的概念，给初学者以必要的统计热力学的基础知识。

八、测试内容与方法

1.测试内容：

大纲所要求掌握内容的95%；了解内容的80%。

2.测试方法：

闭卷笔试。

九、使用教材和推荐的主要参考书

使用教材：

傅献彩主编.《物理化学》（上、下）（第五版）（“十五”规划教材）.高等教育出版社.2005年.

2.主要参考书：

（1）于文静等主编.《物理化学全程导学及习题全解》.中国时代经济出版社.2006年.

（2）傅玉普主编.《物理化学解题指导》.大连理工大学出版社.1995年.

（3）王文清、高宏成主编.《物理化学习题精解》（上、下册）.科学出版社.1999年.

（4）天津大学物理化学教研室编.《物理化学》（第四版）（面向

21世纪教材）.高等教育出版社.

（5）肖衍繁、李文斌编.《物理化学解题指南》.高等教育出版社.

（6）傅玉普主编.《多媒体CAI物理化学》（第四版）（面向21世纪教材）.大连理工大学出版社.2004年.

（7）A.G.Whittaker,A.R.Mount&M.R.heal编.物理化学（影印版）.科学出版社.

（8）万洪文、詹正坤编.《物理化学》（面向21世纪教材）.高等教育出版社.

大纲制定者：

肖芙蓉

大纲审定者：

大纲批准者：

2008年9月