高分子材料化学基础第八章 物理化学基础（一）绪论课件.ppt

1、绪论：物理化学物理化学物理化学数学数学物理物理化学化学物理化学基本内容张江树张江树(1898-1989)“南张北黄南张北黄” 1952年，中央人民政府委任张江树为年，中央人民政府委任张江树为华东化工学院华东化工学院(我国第一所高等化工院校我国第一所高等化工院校)院长院长,华化于华化于1960年年10月被列为全国重点院校。月被列为全国重点院校。1945年，他编写的年，他编写的理论化学实验理论化学实验一书问世了，这是一书问世了，这是我国化学家编写并出版的第一本物理化学教材。我国化学家编写并出版的第一本物理化学教材。1959年，由他主编的年，由他主编的物理化学与胶体化学物理化学与胶体化学一书由高一书

2、由高等教育出版社正式出版，成为我国第一部供工科大学等教育出版社正式出版，成为我国第一部供工科大学使用的物理化学统编教材，它为以后高等院校化工教使用的物理化学统编教材，它为以后高等院校化工教材的编写奠定了基础。材的编写奠定了基础。 物理化学基本内容黄子卿黄子卿 教授教授（1900 1982） “ 物理化学物理化学是一门从物理是一门从物理现象和化学现象的联系中现象和化学现象的联系中找出物质变化基本原理的找出物质变化基本原理的学科。学科。”物理化学基本内容唐有祺唐有祺 教授教授（1920 ） “化学学科中的一个重要学科，化学学科中的一个重要学科，借助数学、物理学等基础学科借助数学、物理学等基础学科的

3、理论及其提供的实验手段，的理论及其提供的实验手段，研究化学学科中的原理和方法，研究化学学科中的原理和方法，研究化学体系中最一般的宏观、研究化学体系中最一般的宏观、微观规律和理论，是化学的理微观规律和理论，是化学的理论基础。论基础。”现代化学发展规律定定 量量微微 观观表表 相相动动 态态交叉学科交叉学科定定 性性纯学科纯学科静静 态态宏宏 观观体体 相相物理化学发展简介（1）1)1887年德文年德文物理化学杂志物理化学杂志创刊到创刊到20世纪世纪20 年代年代借助物理学中力学、热学及气体分子运动论解借助物理学中力学、热学及气体分子运动论解决化学平衡和化学反应速率问题决化学平衡和化学反应速率问题

4、物理化学发展简介（2）2)20世纪世纪20 年代至年代至60年代年代进入物质微观结构及化学基元反应速率理论的进入物质微观结构及化学基元反应速率理论的探索阶段，提出化学键理论、化合物的微观结探索阶段，提出化学键理论、化合物的微观结构、催化反应机理等构、催化反应机理等物理化学发展简介（3）3)20世纪世纪60 年代至今年代至今向纵深发展：分子稳态、基态到瞬态、激发态；向纵深发展：分子稳态、基态到瞬态、激发态；单一分子结构到分子间相互作用细节；体相到界单一分子结构到分子间相互作用细节；体相到界面相；化学体系扩展到生物化学体系及远离平衡面相；化学体系扩展到生物化学体系及远离平衡态的耗散结构等态的耗散结

5、构等物理化学的地位与作用物理化学具有对其他化学学科的物理化学具有对其他化学学科的辅助作用辅助作用观察问题透过现象认识本质的观察问题透过现象认识本质的引申作用引申作用对拓展思维、创新知识的对拓展思维、创新知识的指导作用指导作用“凡是具有较好物理化学素养的大学毕业生，适应凡是具有较好物理化学素养的大学毕业生，适应能力强，后劲足。由于有较好的理论基础，他们容能力强，后劲足。由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通，自学深造，能较快适应工作变动，开易触类旁通，自学深造，能较快适应工作变动，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科研发展的辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科研发展的前沿。前沿。” -自然科学

6、学科发展战略调研报告自然科学学科发展战略调研报告物理化学的地位与作用 Alfred NobelAlfred Nobel1833-18961833-18962020世纪以来在世纪以来在135135位获得诺贝尔化学奖位获得诺贝尔化学奖的科学家中，有的科学家中，有8585位是物理化学工作位是物理化学工作者，约占者，约占63%63%。这说明物理化学造诣精。这说明物理化学造诣精深的学者，其思路开阔，探索深入；深的学者，其思路开阔，探索深入；在各交叉学科之间，常能碰撞出新的在各交叉学科之间，常能碰撞出新的思想火花，创造出超前的科研成果。思想火花，创造出超前的科研成果。而且这种趋势还在增强。而且这种趋势还在

7、增强。物理化学的构成热力学热力学从体系宏观可测性质研究物质性质动力学动力学从宏观、微观、统计三方面讨论物质行为物质结构物质结构由微观结构讨论物质行为统计力学统计力学（桥梁）物理化学的研究方法u物理化学的两个研究角度（1 1）宏观：物质运动宏观性质及其变化，不涉及）宏观：物质运动宏观性质及其变化，不涉及 分子个体分子个体（2 2）微观：研究分子的行为）微观：研究分子的行为u连接宏观微观的桥梁 统计力学 统计平均大量分子行为，得到物质体系统计平均大量分子行为，得到物质体系 宏观行为宏观行为1.反应反应-能量：能量：化学热力学化学热力学(Chemical Thermodynamics)化学反应的能量

8、效应，也就是能化学反应的能量效应，也就是能量守衡原理；化学反应的方向和量守衡原理；化学反应的方向和限度，解决某个预想反应是否能限度，解决某个预想反应是否能够进行，一旦进行到什么程度为够进行，一旦进行到什么程度为止，即能量最低原理。这些是化止，即能量最低原理。这些是化学热力学需要解决的问题，这门学热力学需要解决的问题，这门学科采用学科采用宏观宏观的研究方法。的研究方法。2.速度速度-机理：机理：化学动力学化学动力学(Chemical Kinetics)研究化学反应实际经历的历研究化学反应实际经历的历程和反应速率，以及外界因程和反应速率，以及外界因素对反应控制步骤的影响。素对反应控制步骤的影响。这

9、门学科称为化学动力学，这门学科称为化学动力学，采用采用宏观和微观宏观和微观的研究方法。的研究方法。3.性质性质-结构：结构：结构化学结构化学 (Structural Chemistry)任何物质的性质都任何物质的性质都是其结构特征的反是其结构特征的反映；反之，由其性映；反之，由其性质又可推测其结构。质又可推测其结构。这门学科叫做结构这门学科叫做结构化学，采用化学，采用微观微观的的研究方法。研究方法。4.原子原子-键能键能-构型：构型：量子化学量子化学(Quantum Chemistry)从量子力学的概念出发，建立微从量子力学的概念出发，建立微观粒子的薛定谔方程，通过严格观粒子的薛定谔方程，通过

10、严格的数学推导，加入化学反应实验的数学推导，加入化学反应实验参数，计算各类化学键能及各种参数，计算各类化学键能及各种效应，确定物质的空间构型。这效应，确定物质的空间构型。这门学科叫做量子化学，采用门学科叫做量子化学，采用微观微观的研究方法。的研究方法。5.宏观宏观-微观：微观：统计热力学统计热力学(Statistical Mechanics)物质的宏观性质都是大量微观粒物质的宏观性质都是大量微观粒子个性集合所表现出的统计平均子个性集合所表现出的统计平均的结果。宏观性质与微观性质有的结果。宏观性质与微观性质有本质的差别，是从量变到质变的本质的差别，是从量变到质变的过程。联系宏观性质和微观性质过程

11、。联系宏观性质和微观性质的的科学桥梁科学桥梁，称为统计热力学。，称为统计热力学。物理化学基本内容化学现象与物理现象紧密相关，随着科学发展这种关化学现象与物理现象紧密相关，随着科学发展这种关系将更加密切系将更加密切化学反应的本质问题可以用物理的理论、数学的方法化学反应的本质问题可以用物理的理论、数学的方法去解决去解决ThermodynamicsStatistical MechanicsQuantum ChemistryKineticsStructuralChemistry现代物理化学的基本内容当代最受人们重视的物理化学问题物理化学课程的学习方法学习目的学习目的1)拓宽知识面、扎实专业基础拓宽知识

12、面、扎实专业基础2)培养独立工作能力、自学能力培养独立工作能力、自学能力3)掌握实验方法及技能掌握实验方法及技能物理化学课程的学习方法u 学习方法：学习方法：思路和方法思路和方法 “ 举一反三举一反三 ”“学中用学中用”和“用中学用中学” 中文参考资料中文参考资料原版参考资料原版参考资料 化化 学学 热热 力力 学学化学热力学简介定义定义化学热力学： 物理化学与热力学分支学科研究物质系统在各种条件下的物理和化学变化中所伴随研究物质系统在各种条件下的物理和化学变化中所伴随的能量变化，从而对化学反应的方向和进行的程度作出准确的的能量变化，从而对化学反应的方向和进行的程度作出准确的判断判断物质状态变

13、化与其热、功、能关系物质状态变化与其热、功、能关系u热力学的研究内容（1）平衡热力学（经典热力学）平衡热力学（经典热力学）（2）非平衡热力学）非平衡热力学化学热力学简介 核心内容核心内容热力学核心内容（四大定律）两个物体同时与第三个物体达到热平衡，这两两个物体同时与第三个物体达到热平衡，这两个物体也处于热平衡个物体也处于热平衡（R.W. Fowler）能量守衡能量守衡孤立体系的熵不可能减少孤立体系的熵不可能减少绝对零度不可能达到绝对零度不可能达到化学热力学化学热力学简介热力学的发展热力学的发展古希腊时期对热本质热本质的争论（粗略、模糊）1842年Mayer首先提出普遍普遍“力力”（即现在所谓的

14、能量）的转化和守恒的概念的转化和守恒的概念 18401860年间，Joule用各种不同的机械生热法，进行热功当量测定（热力学第一定律热力学第一定律在科学界得以公认） 1824年Carnot提出著名的卡诺定理卡诺定理，结论正确，但却引用了错误的“热质论”化学热力学简介热力学的发展热力学的发展 为进一步阐明 Carnot 定理定理， 1850年年Clausius提出热力学第二定律 “ 不可能把热从低温物体传到高温物体而不不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。引起其他变化。” 1851年年Kelvin：“ 不可能从单一热源取热使之完全变为不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起其

15、他变化。有用的功而不引起其他变化。”s 1912年，年，Nernst 提出热力学第三定律，即绝对温度的零绝对温度的零点是不可能达到的点是不可能达到的s 1911年年Planck 的较明确提法：“与任何等温可逆过程相与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零” （第三定律其它表述方式）化学热力学简介 热力学的发展热力学的发展sGibbs 给出热力学原理更为完美的表述形式，用几个热给出热力学原理更为完美的表述形式，用几个热力学函数来描述系统的状态（使化学变化和物理变化的描力学函数来描述系统的状态（使化学变化和物理变化的描述更为方便和实用）述

16、更为方便和实用）s19世纪，开始研究热导扩散和电导等现象，但仅限于近世纪，开始研究热导扩散和电导等现象，但仅限于近似平衡的非平衡状态和过程研究似平衡的非平衡状态和过程研究 s 20世纪世纪60年代，开始对远离平衡的非平衡状态和过程研年代，开始对远离平衡的非平衡状态和过程研究，热力学理论取得重大进展究，热力学理论取得重大进展 化学热力学简介 热力学研究内容热力学研究内容1.研究化学变化当研究化学变化当中的能量转换，如中的能量转换，如热效应、光效应、热效应、光效应、电效应、声效应等，电效应、声效应等，作定量计算并加以作定量计算并加以利用。可以计算反利用。可以计算反应中心区的最高温应中心区的最高温度

17、。度。化学热力学简介 热力学研究内容热力学研究内容石墨石墨金刚石金刚石2.研究化学变化的方向和限度以及产物的稳定性。并非每一研究化学变化的方向和限度以及产物的稳定性。并非每一个拟想中的化学反应方程式都是可以实际进行的，也不是每个拟想中的化学反应方程式都是可以实际进行的，也不是每一个可能发生的化学反应都能进行到底的。一个可能发生的化学反应都能进行到底的。如何预测某人为如何预测某人为设计反应的方向和限度？设计反应的方向和限度？高高 炉炉 炼炼 铁铁州州 长长 竞竞 选选执政党执政党 CH4 (g) + CO2 (g) CH3COOH (g)反对党反对党2CH4 (g) + H2O (g) C2H5

18、OH (g) + 2H2 (g)化学热力学简介 解决实际问题解决实际问题3.化学实验及化工生产中涉及的许多分离提纯工艺的化学实验及化工生产中涉及的许多分离提纯工艺的理论基础是热力学提供的理论基础是热力学提供的。石油石油精炼精炼中的中的精馏精馏过程过程化学热力学简介 自然现象与生活实践自然现象与生活实践4.热力学与自然现象和生活实践有密切联系热力学与自然现象和生活实践有密切联系。树木的高度树木的高度化学热力学简介 获得学习研究的主动性获得学习研究的主动性热力学提供了这样一种原则和方法，通过已有知识和必热力学提供了这样一种原则和方法，通过已有知识和必要的数据、图表，即可预测某一未知反应的能量效应以

19、要的数据、图表，即可预测某一未知反应的能量效应以及能否按理想方向进行，进行到什么程度为止，产物的及能否按理想方向进行，进行到什么程度为止，产物的最大产率可以达到多少，如何避免副反应，产品的稳定最大产率可以达到多少，如何避免副反应，产品的稳定性如何等等。性如何等等。获得学习和研究工作的主动性获得学习和研究工作的主动性化学热力学简介 爱因斯坦对热力学的评论爱因斯坦对热力学的评论“一种理论的前提的简单性越大，它一种理论的前提的简单性越大，它所涉及事物的种类越多，它的应用所涉及事物的种类越多，它的应用范围越广，它给人们的影象就越深。范围越广，它给人们的影象就越深。因此，经典热力学对我造成了深刻因此，经

20、典热力学对我造成了深刻的印象。我确信这是在它的基本概的印象。我确信这是在它的基本概念可以应用的范围内，绝不会被推念可以应用的范围内，绝不会被推翻的，唯一具有普遍内容的物理理翻的，唯一具有普遍内容的物理理论。论。”E = mc2化学热力学简介主动设计、解决实际问题主动设计、解决实际问题+ O2OHHOOOHH化学热力学简介主动设计、解决实际问题主动设计、解决实际问题* Straw into gold?CCl4 + 4Na Diamond + 4NaClDiamond Formation by Reduction of Carbon Dioxide at Low Temperatures ? Ne

21、w progress in diamond synthesisCO2 + Na Diamond反应条件反应条件440 oC800 atm 乙乙 二二 醇醇甲甲 醇醇普通汽油普通汽油无铅汽油无铅汽油 Cu-Zn-Al 催化剂：催化剂： CO + 2H2 CH3OH 酸性分子筛：酸性分子筛： 2 CH3OH CH3OCH3uCu-Zn-Al + 酸性分子筛：酸性分子筛： CO + 2H2 CH3OCH3化学热力学简介主动设计、解决实际问题主动设计、解决实际问题化学热力学简介应用范围及局限性应用范围及局限性 特点及其利弊： 宏观宏观方法研究方法研究宏观宏观性质性质 （1 1）不研究内部结构）不研究内

22、部结构 （2 2）不涉及反应速率和机理）不涉及反应速率和机理 （3 3）只研究大量分子集体宏观行为）只研究大量分子集体宏观行为 利弊利弊： （1 1）只知其然而不知所以然）只知其然而不知所以然 （2 2）只知趋势而不知现实）只知趋势而不知现实 （3 3）不涉及分子具体行为）不涉及分子具体行为 普适性（伟大之处）化学热力学简介 总结及展望总结及展望热力学不仅教给我们具体的热力学不仅教给我们具体的科学知识，还介绍观察问题科学知识，还介绍观察问题和分析问题的方法；能帮助和分析问题的方法；能帮助我们树立正确的人生观、世我们树立正确的人生观、世界观。热力学并没有结束真界观。热力学并没有结束真理，而是开辟了认识真理的理，而是开辟了认识真理的道路。道路。物理化学物理化学数学数学物理物理化学化学