《物理化学》教学大纲

      课程编号：MA3106，MA3107

      课程名称：物理化学                           英文名称：PhysicalChemistry

 学分/学时：6/96                               课程性质：必修            

     适用专业：应用化学                            建议开设学期：3、4学期                          

先修课程：无机化学，高等数学，大学物理         开课单位：先进材料与纳米科技学院                              

一、课程的教学目标与任务

物理化学是化学学科的一个重要分支，是化学类专业本科生的一门主干基础课。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的普遍规律。通过本课程的学习，使学生树立正确的思想方法，提高学生的逻辑推理能力，培养学生自学能力和独立思考问题的能力，增强学生的创新精神和实践精神，使学生能运用物理化学的方法进行科学研究和解决实际问题。
    本课程的任务是学习化学热力学、统计热力学、化学动力学的基本知识、原理、方法及其在电化学、表面化学和胶体化学等方面的应用。通过课堂讲授、多媒体教学、自学、作习题、讨论课等教学环节达到本课程的目的。

二、课程具体内容及基本要求

（一）绪论（2学时）

物理化学课程的内容；学习物理化学的要求及方法；物理量的表示及运算。

1.基本要求

（1）了解物理化学的内容，特点及研究方法，明确学习物理化学的意义。

（2）熟悉物理化学在科学研究、化工生产等方面所起的作用。

（3）掌握物理量的表示及运算。

2.重点、难点

物理量的表示及运算

（二）气体的pVT性质（6学时）                                                                 

理想气体微观模型；理想气体混合物；道尔顿定律及阿马格定律；真实气体的液化及临界参数；真实气体状态方程；对应状态原理及普遍化压缩因子图。

1.基本要求

(1)掌握理想气体状态方程、范德华方程及压缩因子图。

(2)理解维里方程、实际气体的液化与临界性质及对应状态原理。

(3)了解理想气体模型及分子间力。

2.重点、难点

重点：实际气体状态方程、实际气体的液化与临界性质、压缩因子。

难点：实际气体临界性质。

3.作业及课外学习要求

完成气体的pVT性质这一章的作业，通过课外自学了解超临界流体的特性和超临界萃取技术。

（三）热力学第一定律（12学时）    

热力学基本概念；热力学第一定律；恒容热、恒压热及焓；摩尔热容；相变焓；化学反应焓；标准摩尔反应焓的计算；可逆过程与可逆的体积功；节流膨胀与焦耳－汤普逊实验。

1.基本要求

（1）了解平衡状态、状态函数、可逆过程的基本概念及其特点。

（2）了解热力学第一定律的文字表述及数学表达式。

（3）熟悉热力学能、焓、标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓等的定义。

（4）掌握在物质的pVT变化、相变化及化学变化过程中热、功和各种状态函数变化值的计算。将热力学一般关系式应用于特定系统时，会应用状态方程及热力学数据。

2. 重点、难点

重点：

（1）状态函数、可逆过程、标准摩尔生成焓及标准摩尔燃烧焓等概念及其应用。

（2）热力学第一定律、恒压热、恒容热及焓。

（3）掌握在物质的pVT变化、相变化及化学变化过程中热、功和各种状态函数变化值的计算。

难点：

（1）非恒温反应过程热的计算。

（2）不可逆过程的有关热力学物理量的计算。

3.作业及课外学习要求

完成热力学第一定律这一章的作业。通过课外自学，了解热力学第一定律在化学、化工领域的应用。

（四）热力学第二定律（12学时）

热力学第二定律；卡诺循环与卡诺定律；熵和克劳修斯不等式，熵增原理；单纯pVT变化熵变的计算；相变过程熵变的计算；热力学第三定律和化学变化过程熵变的计算；亥姆霍兹函数和吉布斯函数；热力学基本方程和麦克斯韦关系式；热力学第二定律在单组分系统相平衡中的应用－克拉佩龙方程，克劳修斯－克拉佩龙方程。

1.基本要求

（1）了解自发过程的共同特征、熵增原理、亥姆亥兹函数和吉布斯函数的引出、热力学第三定律的建立及标准熵的含义。

（2）熟悉热力学第二定律、第三定律、规定熵、标准反应熵、熵增原理、卡诺循环、在特定条件下△A及△G的物理意义。

（3）掌握熵判据、亥姆霍兹判据及吉布斯判据及其应用条件、各种过程的△S、△A及△G的计算方法、热力学基本方程及热力学公式的推导演绎方法、克拉佩龙方程及克拉佩龙－克劳修斯方程。熟记热力学函数U、H、S、A、G的意义。

2.重点、难点

重点：

（1）热力学第二定律、熵、熵变的计算。

（2）热力学第三定律、亥姆霍兹函数及吉布斯函数。

（3）△A及△G的计算方法。

（4）热力学基本方程和麦克斯韦关系式。

（5）克拉佩龙－克劳修斯方程及应用。

难点：熵的引出，熵变的计算；△G的计算；热力学公式的推导及证明。

3.作业及课外学习要求

完成热力学第二定律这一章的作业。通过课外自学了解热力学第二定律在化学、化工领域的应用。

（五）多组分系统热力学（8学时）

偏摩尔量；化学势；气体组分的化学势；拉乌尔定律和亨利定律；理想液态混合物；理想稀溶液，稀溶液的依数性；逸度与逸度因子；活度与活度因子。

1.基本要求

（1）了解偏摩尔量和化学势的定义以及逸度、活度的概念。

（2）熟悉各种状态物质化学势的表示方法、化学势判据及应用、理想液态混合物的概念及混合性质。

（3）掌握拉乌尔定律、亨利定律及其应用、稀溶液的依数性及其计算。

2.重点、难点

重点：

（1）偏摩尔数的定义。

（2）化学势的定义、性质，在特定体系某组份化学势的表达式。

（3）拉乌尔定律和亨利定律的表述与数学表达式。

（4）稀溶液的依数性及其计算。

（5）逸度、活度的概念。

难点：偏摩尔数的定义；化学势的表达式；逸度与活度。

3.作业及课外学习要求

完成多组分系统热力学这一章的作业，通过课外自学了解拉乌尔定律和亨利定律在化工领域的应用。

（六）化学平衡（6学时）

化学反应的方向及平衡条件；理想气体化学反应的等温方程及标准平衡常数；平衡常数及平衡组成的计算；温度对标准平衡常数的影响；其它因素对理想气体反应化学平衡移动的影响；真实气体反应的化学平衡；混合物及溶液中的化学平衡。

1.基本要求

（1）了解标准平衡常数的定义、以逸度、分压、浓度、活度、摩尔分数表示的平衡常数的定义和特性，以及它们与标准平衡常数的关系。

（2）了解真实气体反应的化学平衡、混合物及溶液中的化学平衡。

（3）熟悉化学反应等温方程的推导、范特霍夫方程的推导。

（4）掌握用等温方程判断化学反应方向与限度的方法；会用范特霍夫方程计算不同温度下的平衡常数；会用热力学数据计算标准平衡常数。掌握平衡常数与温度、压力的关系和惰性气体对平衡组成的影响及计算方法。

2.重点、难点

重点：

（1）会用等温方程判断化学反应方向与限度。

（2）掌握不同温度下标准平衡常数的计算。

（3）真实气体反应的化学平衡。

难点：不为常数时，不同温度下标准平衡常数的计算； 真实气体反应的化学平衡。

3.作业及课外学习要求

完成化学平衡这一章的作业，通过课外自学，了解实际生产过程如何利用惰性气体对化学平衡产生影响。

（七）相平衡（10学时）

相律；单组分系统相图；杠杆定律；二组分理想液态混合物和真实液态混合物的气－液平衡相图；精馏原理；二组分液态部分互溶系统及完全不互溶系统的气－液平衡相图；二组分固态不互溶凝聚系统相图；二组分固态互溶系统的液－固平衡相图；生成化合物的二组分凝聚系统相图。         

1.基本要求

（1）了解相律的推导和意义、杠杆规则在相图中的应用、蒸馏和精馏的基本原理、实验绘制相图的热分析法和溶解度法。

（2）能用相律分析相图，指出各区、线、点的稳定相态、存在的平衡及自由度数。

（3）掌握单组分系统、二组分系统各种类型相图的特点和应用、相律的计算。

（3）掌握从相图绘制步冷曲线或根据步冷曲线绘制简单相图的方法。

2. 重点、难点

重点：相律及其应用；单组分系统、二组分气液平衡相图和二组分凝聚系统相图。

难点：生成化合物的凝聚系统相图。

3.作业及课外学习要求

完成相平衡这一章的作业，通过课外自学，了解相平衡在化工领域对混合物分离、提纯等中的应用。

（八） 电化学（10学时）

电解质溶液的导电机理及法拉第定律；离子的迁移数；电导、电导率和摩尔电导率；电解质的平均离子活度因子及德拜-休克尔极限公式；可逆电池及其电动势的测定；原电池热力学；电极电势和液体接界电势；电极的种类；原电池设计举例；分解电压；极化作用。

1. 基本要求

（1）了解电解质溶液的导电机理、法拉第电解定律、离子迁移数的有关概念；掌握德拜-休克尔极限公式及离子互吸理论、离子平均活度、平均活度因子及平均质量摩尔浓度的概念以及离子独立运动定律。

（2）了解可逆电池的条件，电极的种类，能根据简单的化学反应来设计电池，了解分解电压、极化的概念以及极化的结果。

（3）掌握电解质溶液的电导、电导率、摩尔电导率的定义、物理意义及它们之间的换算关系；离子独立移动定律，电导测定的一些应用；了解电解质的离子平均活度系数的计算方法。

（4）掌握可逆电池电动势与电池反应热力学函数之间的关系、电池反应和电极反应的能斯特方程；会计算电池电动势和电极电势；掌握产生极化作用的原因；了解电解时的电极反应，能计算一些简单的电解分离问题。

2. 重点、难点

重点：

（1）电导、电导率、摩尔电导率的定义及它们之间的换算关系。

（2）可逆电池电动势与电池反应热力学函数之间的关系式及其计算。

（3）能斯特方程及其应用。

（4）根据电池图式写出电极和电池反应，根据所给反应方程式设计可逆电池。

（5）可逆电池电动势的计算及其应用。

（6）极化作用和超电势；判断电解时电极反应发生的优先原则。

难点：设计可逆电池；电极电势和电池电动势的计算；极化产生的原因和超电势；超电势对电解时电极反应的影响。

3.作业及课外学习要求

完成电化学这一章的作业，通过课外自学了解电化学的新领域－量子电化学和光电化学。

（九）统计热力学初步（自学4学时）

粒子各运动形式的能级及能级的简并度；能级分布的微态数及系统的总微态数，最慨然分布与平衡分布；波尔兹曼分布及配分函数；各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献，系统的熵的统计意义及熵的计算的关系；理想气体反应的化学平衡常数。   

1.基本要求

（1）理解统计力学的三个基本假定；麦克斯韦-玻耳兹曼分布公式及其适用条件；配分函数的物理意义；能量均分原理及玻耳兹曼关系式。

（2）了解统计热力学研究的内容和目的；气体标准摩尔热容的统计力学计算方法；标准摩尔熵和气相化学反应标准平衡常数的统计力学计算方法。

2.重点、难点

（1）平衡分布和玻耳兹曼分布公式。

（2）粒子配分函数的定义、物理意义。

（3）热力学能与配分函数的关系式。

（4）熵与配分函数的关系式；玻耳兹曼熵定理。

3.作业及课外学习要求

自学并完成统计热力学初步这一章的作业。

(十)界面现象（8学时）

界面张力；弯曲液面的附加压力及其后果，开尔文公式、拉普拉斯方程及应用；固体表面吸附特性，朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式，多分子层吸附理论－BET公式；吸附热力学；液－固界面；溶液表面，表面活性简介及应用。

1.基本要求

（1）掌握拉普拉斯方程、开尔文方程和吉布斯等温方程，并能应用它们来解释弯曲界面两边的压差、弯曲界面的饱和蒸汽压、亚稳平衡、正吸附和负吸附等重要界面现象；了解杨氏方程及其应用、兰格缪尔吸附等温式。

（2）理解界面张力和界面过剩量的意义、有界面的系统的热力学基本方程和平衡条件、固体表面的物理吸附和化学吸附概念。

（3）了解BET多层吸附模型。

（4）了解几种重要的界面现象及表面活性剂的作用。

2. 重点、难点

重点：界面张力概念，拉普拉斯公式、开尔文公式、杨氏方程、朗格缪尔吸附等温式和吉布斯吸附等温式及其应用。

难点：拉普拉斯公式、开尔文公式和吉布斯吸附等温式的应用。

3.作业及课外学习要求

完成表面现象这一章的作业，通过课外自学，了解界面现象在实际中的应用。

（十一）化学动力学基础（12学时）

化学反应的速率及速率方程；速率方程的积分形式；速率方程的确定；温度对反应的速率影响、活化能；典型复合反应；复合反应速率的近似处理法；链反应；气体反应的碰撞理论；势能面与过渡状态理论；溶液中的反应；多相反应；光化学；催化作用的通性；单相催化反应、多相催化反应。

1.基本要求

（1）了解基元反应速率的碰撞理论、过渡状态理论、溶液中的反应和多相反应、催化作用的通性及单相、多相催化反应、溶液中反应及链反应的特点。

（2）熟悉基元反应、非基元反应及它们之间的关系、反应速率方程中一些特征参数如反应分子数、反应级数、速率常数、半衰期的含义、反应活化能的概念、支链反应机理与燃烧和爆炸的关系。

（3）掌握具有简单反应级数的速率方程的特点及它们的积分形式、阿仑尼乌斯方程的三种形式及其应用、能从实验数据求反应级数、速率常数和活化能。

(4)掌握复合反应的近似处理法、链反应机理及速率方程的推导、光化学定律及光化反应的机理和速率方程。

2.重点、难点

重点：

（1）基元反应的质量作用定律；非基元反应速率方程的一般形式。

（2）简单级数反应的速率方程式及其动力学特征；反应级数的确定；速率方程式中各物理量如转化率、速率常数、反应时间、半衰期等的计算。

（3）阿仑乌斯方程各种形式及其相关计算。

（4）典型复合反应的动力学特征；复合反应速率的近似处理法。

（5）气体反应碰撞理论的要点；过渡状态理论的要点。

（6）光化学定律；催化剂的基本特征；多相催化反应的步骤。

 难点：通过实验建立速率方程的方法；典型复合反应速率方程的推导。

3.作业及课外学习要求

完成动力学这一章的作业。通过课外自学，了解动力学在实际中的应用。

（十二）胶体化学 （8学时）

胶体系统的制备；胶体系统的光学性质及应用；溶胶的动力学性质；溶胶的电学性质，双电层理论和电势，溶胶的胶团结构；溶胶的稳定与聚沉，溶胶的经典稳定理论；乳状液及性质；泡沫；气溶胶；高分子化合物的渗透压和黏度。

 1.基本要求

（1）了解胶体分散体系的基本特征、斯特恩扩散双电层理论模型、溶胶的经典稳定理论。

（2）了解唐南平衡、大分子溶液的特征。

（3）熟悉胶体分散体系在动力学、光学、电学等方面的性质及特点。能熟练写出胶团结构式，熟悉溶胶在稳定性方面的特点及电解质对溶胶稳定性的影响，会判断电解质聚沉能力大小。

（4）了解粗分散系统的性质。

2.重点、难点

重点：

（1）分散系统的分类；胶体系统的定义和基本特征。

（2）胶体系统的动力学性质、光学性质和电学性质。

（3）溶胶的稳定与聚沉；溶胶的胶团结构。

难点：溶胶系统的双电层理论；溶胶的胶团结构；溶胶的经典稳定理论。

3.作业及课外学习要求

完成胶体化学这一章的作业。通过课外自学了解溶胶、凝胶技术的新应用。

三、教学安排及方式

总学时 96学时，其中：讲授、研讨 94学时，习题课2学时。

四、本课程对培养学生能力和素质的贡献点

物理化学是化学及相关学科的理论基础，是研究化学系统中物质的结构及其变化规律的科学。物理化学所蕴含的世界观和方法论，是化学学科思维的最重要组成部分。通过这门课程的学习，培养学生以下几方面的能力和素质：

1.能够利用物理化学原理和方法，对化学反应及其相关过程的方向、限度和速率等进行研究、分析和判断；

 2. 理解和掌握化学研究的一般思路和方法；理解、掌握并运用常用科学方法对化学反应及相关过程和现象进行观察、分析、推理和判断；

3. 能够在科学研究和生产生活中发现和提出科学问题，利用物理化学原理和方法进行分析；能够综合运用物理化学及其他相关学科的知识和原理，设计解决问题的方案，评价方案的可行性和局限性；

4. 能够对现有概念、原理和方法等进行批判性思考，明确其成功与不足，了解其应用的条件及局限性，提出自己的观点或见解；

5. 养成自主学习和终身学习的习惯，能够利用信息技术查阅、综述和评价相关文献，不断接受新知识并纳入自己的知识系统，以适应未来科学技术和经济社会发展的需要。       

五、考核及成绩评定方式

（一）物理化学(Ⅰ)考核方式

最终成绩由平时作业成绩、阶段考核成绩、课堂研讨及课程大作业成绩、期末考试成绩等组合而成。各部分所占比例如下：

平时作业成绩：20%。主要考核对每堂课知识点的复习、理解和掌握程度。

阶段考核成绩：10%。阶段考核1次，考核前半学期学习情况，督促学生发现学习中存在的问题并及时改正。

课堂研讨及课程大作业成绩：20%。主要考核学生参与课堂研讨的情况以及综合运用能力、获取整理信息的能力以及理论联系实际的能力，学生可根据自己的研究兴趣自拟题目或根据任课教师提出的题目，撰写主题论文。

期末考试成绩：50%。主要考核大纲所列物理化学主要知识的掌握程度。书面考试形式。题型为：选择题、填空题、简答题和计算题等。

（二）物理化学(Ⅱ)考核方式

最终成绩由平时作业成绩、平时考核成绩及期末考试成绩等组合而成。各部分所占比例如下：

平时作业成绩：20%。主要考核对每堂课知识点的复习、理解和掌握程度。

平时考核成绩：20%。平时考核1次，主要形式是课程论文及研讨报告，学生可自拟题目或根据任课教师提出的题目撰写课程学习小论文。主要的内容涉及物理化学的理论指导作用，同时以2-3人为一组进行研讨报告，主要考核学生分析和解决问题的能力，以及语言文字表达能力。

期末考试成绩：60%。主要考核大纲所列物理化学主要知识的掌握程度。书面考试形式。题型为：填空题、简答题和计算题等。

六、教材及参考书目

教材：《物理化学》（第六版），天津大学物理化学教研室编，高等教育出版社

参考书目：

1.《物理化学》（第五版），傅献彩、沈文霞、姚天扬等编，高等教育出版社

2.《物理化学（重点 难点 考点 辅导与解析）》，梁燕萍、马红竹编，西北工业大学出版社

3.《基础物理化学》（第二版），蔡炳新编，科学出版社

4.Atkins PhysicalChemistry (Seventh Edition) ,Peter Atkins,Juliode Paula, 高等教育出版社

5.《物理化学》（第2版），韩德刚、高执棣、高盘良编著，高等教育出版社

七、说明

（一）与相关课程的分工衔接

按教学计划安排，本课程是在二年级第一学期开设的一门基础课，即在无机化学、数学、物理之后开设。无机化学中已初步学习热力学、动力学、电化学等内容。本课程从定量方面继续加以提高，同时，使所学理论能具体应用。

（二）其他说明

1.物理化学(Ⅰ)授课学时为56学时，物理化学(Ⅱ)授课学时为40学时。

2.本大纲所提出的学时分配，也可根据实际情况作小幅度的调整。