理工科專業(yè)《物理化學(xué)》教學(xué)大綱

理工科專業(yè)《物理化學(xué)》教學(xué)大綱課程編號(hào)：D1013156英文譯名：PhysicalChemistry課程性質(zhì)：核心課程適用專業(yè)、年級(jí)：化工、材料、生工、環(huán)境等專業(yè)，2年級(jí)下學(xué)期、3年級(jí)上學(xué)期開(kāi)課學(xué)院及教研室：化學(xué)與分子工程學(xué)院物理化學(xué)教研室學(xué)分?jǐn)?shù)：6學(xué)分總學(xué)時(shí)數(shù)：96學(xué)時(shí)理論課學(xué)時(shí)：96學(xué)時(shí)要求先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)教材：《物理化學(xué)》（第四版和第五版），胡英主編，高等教育出版社，1999年和2007年參考書(shū)：1.教材中所列參考書(shū)2.《物理化學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)指南》，黑恩成史濟(jì)斌等編，北京：高等教育出版社，20103.《物理化學(xué)參考》，胡英主編，北京：高等教育出版社，20034.《物理化學(xué)導(dǎo)讀》，劉國(guó)杰黑恩成，北京：科學(xué)出版社，20085.《物理化學(xué)釋疑》，劉國(guó)杰黑恩成，北京：科學(xué)出版社，2010一、本課程的地位、作用和任務(wù)物理化學(xué)是化學(xué)科學(xué)中的一個(gè)學(xué)科，是整個(gè)化學(xué)科學(xué)和化學(xué)工藝學(xué)的理論基礎(chǔ)。它運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)方法，研究化學(xué)變化包括相變化和pVT變化中的平衡規(guī)律和速率規(guī)律，以及這些規(guī)律與物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。為后繼專業(yè)課程如化工原理、分離工程、反應(yīng)工程、化學(xué)工藝學(xué)等提供更直接的理論基礎(chǔ)，起著承上啟下的樞紐作用。學(xué)習(xí)物理化學(xué)的目的有兩個(gè)：一是掌握物理化學(xué)的基本知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)自然現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，并為與化學(xué)有關(guān)的技術(shù)科學(xué)的發(fā)展提供基礎(chǔ)；二是學(xué)習(xí)物理化學(xué)的科學(xué)思維方法，培養(yǎng)獲得知識(shí)及用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。二、教學(xué)基本要求說(shuō)明:胡英院士按照“教材是教學(xué)的主要參考書(shū)”的理念和以上教材內(nèi)容框架，主編了《物理化學(xué)》第四版和第五版教材，將教材內(nèi)容分為五篇18章。本團(tuán)隊(duì)根據(jù)當(dāng)今我國(guó)高等教育的要求，參照原教育部化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)確定的化學(xué)課程教學(xué)基本內(nèi)容，從中選取了10章作為教學(xué)基本內(nèi)容，教學(xué)總學(xué)時(shí)數(shù)為96學(xué)時(shí)/學(xué)年。這些內(nèi)容與國(guó)內(nèi)兄弟院校的同類課程內(nèi)容相一致。第1章物質(zhì)的pVT關(guān)系和熱性質(zhì)（8學(xué)時(shí)）：1.理解pVT關(guān)系和熱性質(zhì)是物質(zhì)的兩類基本的宏觀平衡性質(zhì)。它們是分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間的相互作用在宏觀上的反映。2.掌握系統(tǒng)、環(huán)境、狀態(tài)、平衡態(tài)、狀態(tài)函數(shù)、強(qiáng)度性質(zhì)、廣延性質(zhì)等基本概念，以及反映物質(zhì)pVT關(guān)系的狀態(tài)方程。3.對(duì)于pVT關(guān)系的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：要求掌握流體的pVT狀態(tài)圖、pV圖和壓縮因子圖的特點(diǎn)，氣液相變和氣液臨界現(xiàn)象的特征，以及飽和蒸氣壓、沸點(diǎn)和臨界參數(shù)的物理意義。要求理解包括氣液固三相的pVT狀態(tài)圖，掌握pT相圖的特點(diǎn)以及三相點(diǎn)的意義，理解穩(wěn)定平衡和亞穩(wěn)平衡的區(qū)別和聯(lián)系。4.對(duì)于pVT關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)方法：先復(fù)習(xí)范德華方程。進(jìn)而理解它對(duì)氣液相變的應(yīng)用。了解什么是雙節(jié)線，什么是旋節(jié)線。理解普遍化范德華方程。了解pVT關(guān)系的普遍化計(jì)算方法和對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理。5.掌握熱力學(xué)第一定律和功、熱、熱力學(xué)能、焓等的定義和相互關(guān)系，理解QV=ΔU、Qp=ΔH的適用條件和應(yīng)用，及熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的概念和意義。6.對(duì)于各類熱性質(zhì),掌握標(biāo)準(zhǔn)摩爾定容熱容、標(biāo)準(zhǔn)摩爾定壓熱容、標(biāo)準(zhǔn)摩爾相變焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓和標(biāo)準(zhǔn)熵的定義和應(yīng)用。7.了解熱性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定原理和方法以及一些半經(jīng)驗(yàn)方法。8.知道研究pVT關(guān)系和熱性質(zhì)的理論方法，要涉及統(tǒng)計(jì)力學(xué)和量子力學(xué)內(nèi)容。第2章熱力學(xué)定律和熱力學(xué)基本方程（14學(xué)時(shí)）：1.理解熱力學(xué)第二定律的建立過(guò)程。理解由熱力學(xué)第二定律演繹得出的三個(gè)結(jié)論，即熱力學(xué)溫標(biāo)、存在一個(gè)狀態(tài)函數(shù)熵以及熵增原理。理解引入亥姆霍茲函數(shù)和吉布斯函數(shù)的意義。2.掌握在克勞修斯不等式基礎(chǔ)上得出的可逆性判據(jù)或不可逆程度的度量。3.掌握熱力學(xué)基本方程，理解由此得出的各種偏導(dǎo)數(shù)關(guān)系式。理解熱力學(xué)基本方程是化學(xué)熱力學(xué)理論框架的中心。4.理解在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，既需要熱力學(xué)理論所提供的普遍規(guī)律，也需要物質(zhì)的特性，即pVT關(guān)系和熱性質(zhì)。5.掌握理想氣體pVT變化中熱力學(xué)函數(shù)變化的計(jì)算。了解非理想氣體包括液體和固體pVT變化中熱力學(xué)函數(shù)變化的計(jì)算。6.掌握可逆相變化和不可逆相變化中熱力學(xué)函數(shù)變化的計(jì)算。7.理解熱力學(xué)第三定律的建立過(guò)程，理解標(biāo)準(zhǔn)熵的含義。了解得到標(biāo)準(zhǔn)熵的方法。8.掌握化學(xué)變化中熱力學(xué)函數(shù)變化的計(jì)算。9.理解可逆性判據(jù)與平衡判據(jù)的聯(lián)系，并用它們判斷過(guò)程的方向和限度。10.掌握克拉佩龍–克勞修斯方程的推導(dǎo)和應(yīng)用。第3章多組分系統(tǒng)的熱力學(xué)，逸度和活度（9學(xué)時(shí)）：理解偏摩爾量的定義與物理意義，理解集合公式和吉布斯–杜亥姆方程，了解偏摩爾量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2.理解化學(xué)勢(shì)的定義，掌握組成可變的均相多組分系統(tǒng)和多相多組分系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程，理解它們是多組分系統(tǒng)熱力學(xué)的中心。3.理解用化學(xué)勢(shì)表達(dá)的適用于相變化和化學(xué)變化的平衡判據(jù)，掌握熱平衡條件、力平衡條件、相平衡條件和化學(xué)平衡條件。4.理解相律的推導(dǎo)，掌握相律的內(nèi)容及其應(yīng)用。5.理解逸度和逸度參考狀態(tài)的概念，能用逸度表示混合物中組分的化學(xué)勢(shì)。了解逸度因子的求法。6.理解理想混合物和理想稀溶液的概念，掌握拉烏爾定律、亨利定律及其應(yīng)用。7.理解活度的概念，掌握選取活度參考狀態(tài)的慣例Ⅰ和慣例Ⅱ，能用活度表示液態(tài)(固態(tài))混合物中組分以及溶液中溶劑和溶質(zhì)的化學(xué)勢(shì)，能用混合物或溶液的蒸氣壓數(shù)據(jù)求組分的活度因子。8.了解選擇活度參考狀態(tài)的慣例Ⅲ和慣例Ⅳ。9.知道混合性質(zhì)和超額函數(shù)的概念。第4章相平衡（11學(xué)時(shí)）：1.對(duì)兩組分系統(tǒng)的氣液平衡相圖，要求掌握恒溫相圖和恒壓相圖中點(diǎn)、線、面的物理意義，會(huì)使用杠桿規(guī)則計(jì)算平衡時(shí)各相的量，理解精餾的原理。2.對(duì)兩組分系統(tǒng)的液液氣平衡相圖，要求掌握恒壓相圖中點(diǎn)、線、面的物理意義，會(huì)使用相律和杠桿規(guī)則，理解液相部分互溶系統(tǒng)的精餾。3.對(duì)兩組分系統(tǒng)的液固平衡相圖，了解用熱分析法和溶解度法制作相圖的方法，掌握幾種典型液固相圖的點(diǎn)、線、面的物理意義，會(huì)使用相律和杠桿規(guī)則，了解液固平衡相圖的一些實(shí)際應(yīng)用。4.掌握相平衡計(jì)算的原理，了解各類型相平衡計(jì)算的內(nèi)容和方法。第5章化學(xué)平衡（6學(xué)時(shí)）：1.了解標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)的定義和特性。理解以逸度、分壓、濃度、活度、摩爾分?jǐn)?shù)表示的平衡常數(shù)的形式和特性及與標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)的關(guān)系。2.理解化學(xué)反應(yīng)等溫方程的推導(dǎo)，掌握用等溫方程判斷化學(xué)反應(yīng)方向與限度的方法。3.了解同時(shí)平衡和反應(yīng)耦合的概念。4.了解范特荷甫方程的推導(dǎo)，理解溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)的影響規(guī)律，掌握使用范特荷甫方程計(jì)算不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)的方法。5.熟練掌握用熱性質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)的方法。第6章化學(xué)動(dòng)力學(xué)（12學(xué)時(shí)）：1.理解基元反應(yīng)、復(fù)合反應(yīng)，以及它們之間的關(guān)系。2.掌握化學(xué)反應(yīng)速率的各種定義以及相互間的關(guān)系。3.理解反應(yīng)分子數(shù)、級(jí)數(shù)、速率常數(shù)和速率系數(shù)的概念和含義。4.掌握零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)、n級(jí)反應(yīng)速率方程的特點(diǎn)以及它們的積分形式，了解它們的應(yīng)用。5.掌握一級(jí)對(duì)峙反應(yīng)、一級(jí)連串反應(yīng)和一級(jí)平行反應(yīng)的基本特點(diǎn)，了解它們的應(yīng)用。6.掌握不同形式的阿侖尼烏斯方程及其應(yīng)用，理解阿侖尼烏斯活化能和指前因子的含義。7.掌握利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)的積分法和微分法。8.了解快速反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。9.掌握由反應(yīng)機(jī)理建立速率方程的近似方法——平衡態(tài)處理法和恒穩(wěn)態(tài)處理法。第7章獨(dú)立子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)（8學(xué)時(shí)）：1.了解獨(dú)立子系統(tǒng)與相倚子系統(tǒng)的概念與區(qū)別。知道系統(tǒng)的微觀狀態(tài)的經(jīng)典力學(xué)描述與量子力學(xué)描述。2.知道在研究獨(dú)立子系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)時(shí)，平動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)以及電子能級(jí)等，是需要輸入的物質(zhì)的微觀特性。3.理解統(tǒng)計(jì)力學(xué)的三個(gè)基本假定。4.理解獨(dú)立子系統(tǒng)的微觀狀態(tài)、分布和宏觀狀態(tài)間的關(guān)系。5.理解最概然分布可以代表平衡系統(tǒng)中一切分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，掌握擷取最大項(xiàng)法。6.理解麥克斯韋–玻爾茲曼分布公式的不同表示形式及其適用條件。7.理解子配分函數(shù)的物理意義和析因子性質(zhì)。掌握雙原子分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)配分函數(shù)的計(jì)算。8.掌握獨(dú)立子系統(tǒng)的熱力學(xué)函數(shù)與子配分函數(shù)的關(guān)系。理解能量按自由度均分原理和玻爾茲曼關(guān)系式。9.了解氣體標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱容的統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算方法，了解原子晶體熱容的愛(ài)因斯坦模型和德拜模型。第8章界面現(xiàn)象（10學(xué)時(shí)）：1.理解界面張力和單位界面過(guò)剩量的物理意義。理解定義界面過(guò)剩量的吉布斯方法。2.理解有界面相的系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程和平衡條件。理解熱力學(xué)函數(shù)與界面張力、界面面積和界面過(guò)剩量的關(guān)系。3.掌握拉普拉斯方程、開(kāi)爾文方程以及吉布斯等溫方程的推導(dǎo)，理解其物理含義，并能應(yīng)用它們來(lái)解釋彎曲界面兩邊的壓差、彎曲界面液體的飽和蒸氣壓、亞穩(wěn)平衡、正吸附和負(fù)吸附等重要界面現(xiàn)象。4.了解潤(rùn)濕和鋪展等界面現(xiàn)象的熱力學(xué)基礎(chǔ)。5.知道獲得各類界面平衡特性的實(shí)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)方法和理論方法。6.理解氣體在固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附概念，掌握蘭繆爾模型、BET多層吸附模型的物理意義和應(yīng)用，理解毛細(xì)管凝結(jié)現(xiàn)象的原因。7.了解界面張力隨時(shí)間的變化。第9章電解質(zhì)溶液（7學(xué)時(shí)）：1.理解電解質(zhì)活度、離子活度、離子平均活度、溶劑活度和溶劑滲透因子的定義。了解它們的特點(diǎn)和變化規(guī)律。2.理解離子互吸理論的要點(diǎn)。了解在此基礎(chǔ)上發(fā)展的電解質(zhì)溶液理論的半經(jīng)驗(yàn)方法。3.了解電解質(zhì)溶液活度應(yīng)用的一些特點(diǎn)。4.理解電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電機(jī)理。理解電遷移率、遷移數(shù)、電導(dǎo)率、摩爾電導(dǎo)率和離子摩爾電導(dǎo)率的定義和物理意義，以及它們間的相互關(guān)系。掌握遷移數(shù)的計(jì)算方法。5.了解電導(dǎo)測(cè)定對(duì)離解平衡的應(yīng)用。第10章電化學(xué)（11學(xué)時(shí)）：1.理解電化學(xué)反應(yīng)與一般化學(xué)反應(yīng)的區(qū)別和聯(lián)系。2.理解電動(dòng)勢(shì)、電池電勢(shì)、電池反應(yīng)電勢(shì)、電池反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)和電池反應(yīng)條件電勢(shì)的區(qū)別；理解電極電勢(shì)、電極反應(yīng)電勢(shì)、電極反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)和電極反應(yīng)條件電勢(shì)的區(qū)別。了解電池、電極和電極反應(yīng)的書(shū)寫慣例，以及電極正負(fù)極性的確定等。3.理解電化學(xué)系統(tǒng)的熱力學(xué)基本方程、電化學(xué)勢(shì)和電化學(xué)平衡判據(jù)。4.掌握電池反應(yīng)和電極反應(yīng)的能斯特方程，掌握采用標(biāo)準(zhǔn)氫電極定義電極反應(yīng)電勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)的原理，掌握電池反應(yīng)電勢(shì)和電極反應(yīng)電勢(shì)的計(jì)算方法及應(yīng)用。5.理解濃差電池的原理。三、本課程教學(xué)中需注意的問(wèn)題1.在理工科的大學(xué)教學(xué)計(jì)劃中，自然科學(xué)理論教學(xué)大致上有兩個(gè)層次：一是通用理論層次，有數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)（含化學(xué)原理、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)）、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等；二是專業(yè)理論層次。對(duì)于化學(xué)化工類來(lái)說(shuō)，物理化學(xué)正處于兩個(gè)層次之間，它在通用層次的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步系統(tǒng)地闡述化學(xué)的理論，為后繼專業(yè)課程如高等無(wú)機(jī)、高等有機(jī)、高等物化、化工原理，分離工程、反應(yīng)工程、化學(xué)工藝學(xué)等，提供更直接的理論基礎(chǔ)。因此可以說(shuō)，在化學(xué)化工類教學(xué)計(jì)劃的各種自然科學(xué)理論課程中，物理化學(xué)課程居于承上啟下的樞紐地位。教師首先應(yīng)對(duì)這樣的地位和作用有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。2.物理化學(xué)的整個(gè)內(nèi)容框架可以用“三個(gè)層次，兩個(gè)部分，三種方法”來(lái)概括。為使學(xué)生在整體框架上把握物理化學(xué)學(xué)科內(nèi)涵，并具有向縱深和前沿發(fā)展的扎實(shí)基礎(chǔ)，框架結(jié)構(gòu)必須完整清晰，教學(xué)內(nèi)容可適當(dāng)調(diào)節(jié)。因此，對(duì)于化工、材料、生工、環(huán)境等專業(yè)，第9章、第10章、第11章不列入教學(xué)基本要求，但可根據(jù)專業(yè)需要，由教師擇其要點(diǎn)介紹概貌。3.物理化學(xué)作為化學(xué)的理論基礎(chǔ)，雖然其內(nèi)容是相對(duì)穩(wěn)定的，但是仍在不斷發(fā)展。教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)貫徹“少而精、博而通”的教學(xué)原則，不斷注意知識(shí)的更新，突出知識(shí)的應(yīng)用。同時(shí)積極采用多媒體教學(xué)手段，加大教學(xué)信息量，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。四、關(guān)于學(xué)習(xí)本課程的幾點(diǎn)說(shuō)明1.本課程每一章節(jié)都有與之對(duì)應(yīng)的授課課件、全程授課錄像，部分章節(jié)中有習(xí)題作業(yè)及解答；2.每一章的第一節(jié)中均包含學(xué)習(xí)手冊(cè)一項(xiàng),學(xué)習(xí)手冊(cè)中簡(jiǎn)述了每一章的課程內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)等