《物理化学》课程教学大纲

一、课程基本信息

二、课程目标

物理化学是新能源材料与器件专业本科学生的一门大类基础理论课。其目的是要求学生系统地掌握物理化学的基本原理和方法，并初步具有分析和解决一些实际问题的能力。本课程的任务是学习化学热力学、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。通过课堂讲授、自学、课堂讨论、习题课、考试等教学环节达到目的。本课程总学时数为108学时。

三、教学内容

绪论

课时：1周，共3课时

教学内容

了解物化内容、研究和学习方法；气体分子动理论；高等数学相关知识

第一章  热力学第一定律

课时：6周，共18课时

教学内容

第一节  热力学的研究对象

了解热力学的研究对象、研究方法和研究目的。

第二节  几个基本概念

一、系统和环境

掌握系统和环境的概念以及系统和环境的关系及分类。

二、状态和状态性质

掌握状态和状态性质的概念及状态性质的分类与联系。掌握状态函数的全微分性质及其应用。

三、过程和途径

掌握过程和途径的概念与它们的区别。

四、热力学平衡

掌握热力学平衡的标准。

第三节 能量守恒----热力学第一定律

一、内能的概念

了解内能的概念和它的重要性质。

二、功和热的概念

掌握功和热的概念以及它们符号的特殊规定。

三、热力学第一定律的数学表达式

掌握热力学第一定律的数学表达式，并能熟练地计算体系在相变过程、理想气体在自由膨胀过程、等温过程、等容过程、绝热过程、循环过程中的△U、及Q、W的值。

第四节 体积功

一、体积功

掌握体积功的定义和各种不同过程中体积功的计算方法。

二、可逆过程与不可逆过程

掌握可逆过程的定义和重要特征。

三、可逆相变过程的体积功

掌握可逆相变过程体积功的计算公式。

第五节 定容及定压下的热

了解定容热及定压热的定义及它们的关系。掌握焓的概念。

第六节 理想气体的内能和焓

通过焦耳实验理解理想气体的内能和焓仅仅是温度的函数。

第七节 热容

一、定容热容和定压热容

掌握定容热容和定压热容的定义。

二、理想气体的热容

掌握理想气体的定容热容和定压热容的关系及特殊系统下定容热容的取值。

三、热容和温度的关系

了解热容是与温度有关的物理量以及它与温度关系的经验公式。

第八节 理想气体的绝热过程

掌握绝热过程的特征以及理想气体绝热过程方程和绝热功的计算公式。

第九节 实际气体的节流膨胀

理解节流膨胀过程是恒焓过程，了解汤-焦系数的定义。

第十节 化学反应的热效应

一、化学反应热效应

掌握化学反应热效应的定义。

二、定容反应热和定压反应热

掌握定容反应热和定压反应热的定义及相互关系。

三、反应进度

掌握反应进度的概念。

四、热化学方程式的写法

掌握关于热化学方程式写法的相关规定。

五、反应热的测量

了解测量反应热的量热计的构造和测量原理。

第十一节 盖斯定律

掌握盖斯定律的应用。

第十二节 生成热及燃烧热

一、标准生成热

掌握标准生成热的定义及其在计算反应热中的应用。

二、标准燃烧热

掌握标准燃烧热的定义及其在计算反应热中的应用。

第十三节 反应热与温度的关系---基尔霍夫方程

掌握基尔霍夫方程的应用。

第二章  热力学第二定律

课时：3周，共9课时

教学内容

第一节  自发过程的共同特征

理解自发过程的特点及热功转化的不可逆性。

第二节 热力学第二定律的经典表述

了解热力学第二定律的两种经典表述及寻找热力学函数的出发点。

第三节 卡诺循环与卡诺定理

掌握卡诺循环的四个过程中功和热的分析和计算及热机效率的概念。掌握卡诺定理的重要性。

第四节 熵的概念

一、可逆过程的热温商及熵函数的引出

理解通过卡诺循环引出熵函数的过程。

二、不可逆过程的热温商

理解不可逆过程的热温商与熵函数的关系。

三、第二定律的数学表达式---克劳修斯不等式

掌握克劳修斯不等式的含义及熵判据的应用。

第五节 熵变的计算及其应用

一、定温过程的熵变

掌握定温过程熵变的计算公式的推导和应用。

二、定压或定容变温过程的熵变

掌握变温过程熵变的计算公式。

三、相变化的熵变

掌握相变化熵变的计算公式。

第六节 熵的物理意义及规定熵的计算

一、熵是系统混乱度的度量

理解熵与混乱度的关系及热力学第二定律的本质。

二、热力学第三定律及规定熵的计算

掌握热力学第三定律的文字表述及如何计算任意物质的规定熵的方法。

第七节 亥姆霍兹自由能与吉布斯自由能

一、定温定容的系统---亥姆霍兹自由能的引出

通过第一、第二定律的联合应用导出亥姆霍兹自由能A。理解亥姆霍兹自由能的物理意义及亥姆霍兹自由能判据。

二、定温定压的系统---吉布斯自由能的引出

通过第一、第二定律的联合应用导出吉布斯自由能G。理解吉布斯自由能的物理意义及吉布斯自由能判据。

第八节 判断过程方向及平衡条件的总结

比较三个判据的使用条件及在过程方向判断上的不同。

第九节 热力学函数的一些重要关系式

一、热力学函数间的关系

总结第一、第二定律中的五个热力学函数的定义和关系。

二、热力学的基本公式

导出四个热力学的基本公式，分析它们的使用条件。

三、麦克斯韦关系式

通过偏微分性质导出麦克斯韦关系式，明确它的用途。

第十节 吉布斯自由能变化的计算

一、简单状态变化的定温过程的ΔG

掌握此过程ΔG的计算公式。

二、物质发生相变过程的ΔG

掌握可逆、不可逆相变过程的ΔG计算。

三、化学反应的ΔG

掌握此过程ΔG的计算公式。

四、ΔG随温度T的变化----吉布斯-亥姆霍兹公式

掌握吉布斯-亥姆霍兹公式的应用。

第三章  化学势

课时：2周，共6课时

教学内容

第一节 偏摩尔量

一、偏摩尔量的定义

掌握偏摩尔量的定义及其物理意义。

二、偏摩尔量的集合公式

掌握偏摩尔量的性质及集合公式。

第二节 化学势

一、化学势的定义

掌握化学势的定义及其物理意义。

二、化学势在多相平衡中的应用

理解在相平衡体系中各相的化学势必相等。

三、化学势在化学平衡中的应用

理解化学势可作为判据判断化学反应的方向。

第三节 气体物质的化学势

一、纯组分理想气体的化学势

掌握纯组分理想气体的化学势的表达式。

二、混合理想气体的化学势

掌握混合理想气体中各组分化学势的表达式。

三、实际气体的化学势—逸度的概念

掌握逸度的概念及实际气体化学势的表达式。

第四节 理想溶液中物质的化学势

一、拉乌尔定律

掌握拉乌尔定律的意义及数学表达式。

二、理想溶液的定义

掌握理想溶液的定义及理想溶液的特性。

三、理想溶液中物质的化学势

掌握理想溶液中溶质和溶剂的化学势表达式。

第五节 稀溶液中物质的化学势

一、亨利定律

掌握亨利定律的意义及数学表达式。

二、稀溶液的定义

掌握理想稀溶液的定义。

三、稀溶液中物质的化学势

掌握稀溶液中溶质和溶剂的化学势表达式及标准态的意义。

第六节

挥发性溶质稀溶液的依数性

一、凝固点降低

理解稀溶液依数性的含义及凝固点降低值、沸点升高值的计算。

二、渗透压

理解渗透压的形成原理及它与溶液浓度的关系。

第七节 非理想溶液中物质的化学势

一、实际溶液对理想溶液的偏差

理解产生偏差的原因及偏差的分类和特征。

二、非理想溶液中物质的化学势及活度的概念

引入活度的概念明确它是对理想溶液的一种校正。

第四章  化学平衡

课时：3周，共9课时

教学内容

第一节 化学反应的方向和限度

一、化学反应的限度

通过反应进度的分析理解化学反应限度的特征。

二、反应系统的吉布斯自由能

通过反应系统吉布斯自由能变化图理解总吉布斯自由能最低的状态就是反应系统的平衡态。

三、化学反应的平衡常数和等温方程

掌握等温方程的导出和平衡常数的概念。

第二节 反应的标准吉布斯自由能变化

一、化学反应的与

掌握此两函数的意义及在判断反应方向上的应用。

二、物质的标准生成吉布斯自由能

掌握物质的标准生成吉布斯自由能的定义及用它计算反应的标准吉布斯自由能变化的方法。

三、反应的标准吉布斯自由能变化和标准平衡常数的求算

掌握四种不同方法求算反应的标准吉布斯自由能变化。

第三节 平衡常数的各种表示法

一、气相反应

掌握用气体分压、摩尔分数、物质的量表示平衡常数。

二、液相反应

掌握用物质的浓度表示平衡常数。

三、复相反应

掌握复相反应平衡常数的表示规律。

四、平衡常数与反应方程式写法的关系

理解平衡常数的数值与方程式的写法有关。

第四节 平衡常数的实验测定

了解可用物理和化学方法测定平衡常数。

第五节 温度对平衡常数的影响

掌握温度与平衡常数关系的公式及相关的计算与应用。

第六节 平衡混合物组成的计算示例

掌握平衡混合物组成计算的具体应用问题。

第七节 其它因素对化学平衡的影响

一、压力的影响

掌握气相化学反应中压力变化对平衡移动的影响。

二、惰性气体的影响

掌握惰性气体对平衡的影响的实质。

第五章  多相平衡

课时：3周，共9课时

教学内容

第一节 相律

一、几个基本概念

掌握相、物种数和组分数、自由度的概念。

二、相律的推导

了解相律的推导过程。掌握相律的表达式。

第二节 克劳修斯—克拉佩龙方程

一、液-气平衡

掌握克劳修斯—克拉佩龙方程及其在液气平衡体系中的应用。

二、固-气平衡

掌握克劳修斯—克拉佩龙方程及其在固气平衡体系中的应用。

第三节 水的相图

掌握水的相图的点、线、面特征。

第四节 完全互溶的双液系统

一、蒸汽压-组成图

掌握蒸汽压-组成图的绘制方法和此图的特征。

二、沸点-组成图

掌握沸点-组成图的绘制方法和此图的特征。

三、杠杆规则

掌握杠杆规则在定量计算两相组成中的应用。

第七节 简单低共熔混合物的固-液系统

一、水-盐系统相图

掌握水-盐系统相图的绘制方法和特征。

二、热分析法绘制相图

掌握用步冷曲线绘制二元合金相图的方法及此相图的特征。

第八节 有化合物生成的固-液系统

一、有稳定化合物生成的系统

掌握此类系统相图的重要特点。

二、有不稳定化合物生成的系统

掌握此类系统相图的重要特点。

第六章  统计热力学

课时：1周，共3课时

教学内容

了解统计热力学的研究对象和方法以及基本假定和结论。

第七章  电化学

课时：6周，共18课时

教学内容

第一节 离子的迁移

一、电解质溶液的导电机理

了解导体的分类，掌握电极命名的方法及原电池与电解池的关系。

二、法拉第定律

掌握法拉第定律的文字表述和数学表达式。

三、离子的迁移数

掌握离子迁移数的概念。

第二节 电解质溶液的电导

一、电导、电导率和摩尔电导率

掌握此三个概念以及它们的关系。

二、电导的测定

掌握电导测定的原理和计算方法。

三、电导率和摩尔电导率随浓度的变化

明确电解质溶液的电导率和摩尔电导率均随浓度而变化，掌握强、弱电解质的不同变化规律。

四、离子独立运动定律及离子摩尔电导率

掌握离子独立运动定律的数学表达式及离子摩尔电导率的概念。

第三节 电导测定的应用示例

掌握电导测定在求算弱电解质的电离度、电离常数；微溶盐的溶解度和溶度积；电导滴定等方面的实际应用。

第四节 强电解质的活度和活度系数

一、溶液中离子的活度和活度系数

掌握离子的活度和活度系数的概念以及它们的关系。

二、影响离子平均活度系数的因素

掌握离子强度的概念及活度系数与离子强度的关系。

第五节 强电解质溶液理论简介

掌握离子氛的概念及德拜-休克尔极限公式。

第六节 可逆电池

一、可逆电池必须具备的条件

掌握成为可逆电池必须具备的两个条件。

二、可逆电极的种类

掌握电极的分类方法及各类电极发生的电极反应。

三、电池电动势的测定

掌握用对消法测定电池电动势的原理。

四、电池表示法

掌握表示电池必须遵循的几个惯例。

五、电池表示式与电池反应的互译

掌握由化学反应设计电池及由电池表示式写出电池反应的方法。

第七节 可逆电池热力学

一、可逆电池电动势与浓度的关系

掌握电化学中的重要定律---能斯特方程。

二、电动势及其温度系数与电池反应热力学量的关系

掌握电动势、温度系数与电池反应的吉布斯自由能变化、焓变和熵变的关系。

第八节 电极电势

一、电池电动势产生的机理

通过双电层模型理解电动势的产生机理及电动势的组成。

二、电极电势

掌握标准氢电极的规定及电极电势的能斯特公式。

第九节 由电极电势计算电池的电动势

掌握单液、双液化学电池、单液、双液、双联浓差电池的电动势计算公式。

第十节 电极电势及电池电动势的应用

掌握电极电势及电池电动势在判断反应趋势、求化学反应的平衡常数、求微溶盐活度积、求离子平均活度系数、pH值的测定等方面的应用。

第十一节 电极的极化

一、不可逆条件下的电极电势

掌握不可逆条件下的电极电势与可逆过程的区别，理解过电势的产生。

二、电极极化的原因

掌握电极极化的原因主要有两种：浓差极化和活化极化。掌握过电势的影响因素。

第十二节 电解时的电极反应

掌握电解时阴、阳两电极上发生反应的特征。

第十三节 金属的腐蚀与防护

了解金属腐蚀的原因及防护方法。

第八章  表面现象与分散系统

课时：4周，共12课时

教学内容

第一节 表面自由能与表面张力

掌握表面分子与内部分子性质上的差异及表面张力产生的原因。

第二节 纯液体的表面现象

一、附加压力

掌握附加压力的产生原理和拉普拉斯公式的应用。

二、曲率对蒸汽压的影响

掌握开尔文公式及其应用。

三、液体的润湿与铺展

理解润湿与铺展的概念，掌握杨氏公式。

四、毛细管现象

了解毛细管现象产生的原因。

第三节 气体在固体表面上的吸附

一、气固吸附的一般常识

掌握吸附的类型、吸附平衡与吸附量的概念及吸附曲线的特征。

二、朗格谬尔单分子层吸附等温式

理解朗格谬尔单分子层吸附理论要点及吸附等温式的推导过程。

第四节 溶液的表面吸附

一、溶液表面的吸附现象

了解溶液表面产生吸附现象的原因及表面活性剂的概念。

二、吉布斯吸附公式

掌握吉布斯吸附公式的应用。

三、表面活性剂的吸附层结构

了解表面活性剂的双亲结构特征。

第五节 表面活性剂及其作用

了解表面活性剂的分类、胶束和临界胶束浓度的概念及表面活性剂的润湿作用、增溶作用、乳化作用等应用。

第六节 分散系统的分类

了解分散系统的几种分类方法及分散系统的共同特征。

第七节 溶胶的光学及力学性质

掌握丁达尔效应、布朗运动、扩散、沉降等现象的实质。

第八节 溶胶的电性质

了解电动和电渗现象的产生及溶胶粒子带电的原因。掌握溶胶粒子的结构表示。

第九节 溶胶的聚沉和絮凝

掌握聚沉现象的实质及影响聚沉的因素，掌握感胶离子序。

第九章  化学动力学基本原理

课时：6周，共18课时

教学内容

第一节 引言

掌握反应速率表示法、反应机理的概念，了解反应速率的实验测定。

第二节 反应速率公式

掌握反应级数、速率常数的概念及质量作用定律。

第三节 简单级数反应的速率公式

掌握零级、一级、二级和三级反应的速率公式与各自的特征。

第四节 反应级数的测定

掌握确定反应级数的三种方法。

第五节 温度对反应速率的影响

一、阿累尼乌斯经验公式

掌握阿累尼乌斯经验公式的多种形式。

二、活化能的概念及其实验测定

掌握活化能概念，了解其实验测定原理。

第六节 双分子反应的简单碰撞理论

理解碰撞理论要点及速率公式的导出。

第七节 过渡态理论大意

理解过渡态理论要点及速率公式的导出。

第十章  复合反应动力学

课时：1周，共3课时

教学内容

第一节 典型复合反应

掌握对峙反应、平行反应、连串反应的速率公式和特征。

第二节 复合反应近似处理方法

一、稳定态处理

掌握稳定态处理的原理和方法。

二、平衡浓度法

了解平衡浓度法的处理原理。

第三节 链反应

了解链反应的三个阶段及直链反应的特点。

第四节 反应机理的探索和确定示例

掌握用稳态法推导复合反应速率公式的方法。

第五节 催化反应

了解催化反应的一般原理。

第六节 光化学概要

一、光化学定律

掌握光化学反应的一般特征及光化学第一、第二定律。

二、量子效率和能量转换效率

掌握量子效率的概念。

思考题：（五号黑体）

1、状态函数有何特点，当体系进行任一循环过程时，其状态函数的变化值是多少?

2、对1 mol理想气体，从同一始态(ｐ、T、V)出发，分别进行恒温可逆膨胀或绝热可逆膨胀至相同体积的末态，其所做的膨胀功哪一过程大?

3、任一气体从同一始态出发分别经绝热可逆膨胀或绝热不可逆膨胀达到体积相同的末态，而末态的压强相同吗?

4、在同一始、末态间，可逆过程的热温商大于不可逆过程的热温商，即“可逆过程的熵变化值大于不可逆过程的熵变化值”。此说法对吗?

5、有人认为，当体系从某一始态变至另一末态，无论其通过何种途径，而ΔG的值总是一定的，而且总是等于Ｗ′。这种说法对吗?

6、吉布斯自由能变化值是恒温恒压过程方向的判据，而吉布斯—亥姆霍兹恒压方程式是描述随温度变化的关系式。这样由此式求出的ΔG值能否再作为自动过程的判据呢?

7、为什么要引入偏摩尔量的概念?对同一热力学性质，纯物质Ｂ的物质的摩尔量与溶液中Ｂ物质的偏摩尔量有何关系?

8、拉乌尔定律与亨利定律有什么区别?对于理想溶液，它们之间有何关系?

9、什么叫稀溶液的依数性?各依数性质之间有何联系?

10、溶液中的同一物质在选择不同的参考状态时，其化学势是否相同?其活度是否相同?

11、平衡常数改变了，平衡是否移动?平衡发生了移动，平衡常数是否改变?

12、为什么有纯凝聚相参加的反应其平衡数表示式中没有凝聚相物质的平衡分压出现?

13、ＣＯ_２（ｇ）＋Ｃ（ｓ）==== ２ＣＯ（ｇ）反应是气体物质的量增加的反应，反应向右进行时，压强会增大。这就不是恒温恒压条件下的反应了，是否还能用等温方程式计算并用以判定反应的方向呢?

14、试以NaCl和水构成的体系为例说明体系的物种数可以随考虑问题的出发点和处理方法而有所不同，但独立组分数却不受影响。

15、水和水蒸气在363 K平衡共存，若保持温度不变，将体积增大一倍，蒸气压将如何改变?

16、固体盐NaCl、KCl、NaNO₃、KNO₃的混合物与水振荡直至平衡，求体系的独立组分数和自由度数。

17、电解质溶液的导电能力和哪些因素有关?在表示电解质溶液的导电能力方面,为什么除电导率之外还要提出摩尔电导率的概念?

18、为什么强电解质和弱电解质溶液的极限摩尔电导率的测定方法不同?

19、为什么讨论强电解质在溶液中的活度a时要涉及电解质的离子平均活度a±?

20、液体接界电势是怎样产生的?用盐桥能否完全消除液体接界电势?为什么?

21、电极表面与电解质溶液之间的电势差就是电极电势?这种说法对吗?指出影响这种电势差的原因有哪些?

22、分解电压值与什么因素有关?

23、几种阳离子同时电积的条件是什么?取决于哪些因素?

24、表面吉布斯自由能、比表面吉布斯自由能、表面张力三者的概念、单位是否相同，如何表示?

25、气泡、液滴都呈球形，玻璃管口在高温加热后会变得光滑，这些现象的本质是什么?

26、丁达尔效应是如何引起的?粒子大小在什么范围内才能观察到丁铎尔效应?夕阳西下前看到太阳是红黄色的，而落下后的天空又是蓝色的，为什么?

27、什么是反应级数?反应分子数?二者有何区别?

28、碰撞理论与过渡状态理论的基本要点是什么?它们各有什么不完善的地方?

29、阿累尼乌斯公式有何意义?

30、各种简单反应级数的反应动力学有什么特征?

四、学时分配

五、教材及参考书目

教材：

印永嘉等，《物理化学简明教程》 第四版，高等教育出版社，2007年

参考书目：

    1、傅献彩、沈文霞、姚天扬编，《物理化学》 第五版，高等教育出版社，2001年

    2、上海师范大学等五所师院合编，《物理化学》第三版，高等教育出版社，1991年

    3、天津大学物理化学教研室编，《物理化学》第四版，高等教育出版社，2001年

    4、胡英主编，《物理化学》第四版，高等教育出版社，1999

5、韩德刚，高执棣，高盘良编，《物理化学》，高等教育出版社，2002

6、朱文涛编，《物理化学》，北京: 清华大学出版社, 1995

7、邓景发，范康年编著, 《物理化学》，北京：高等教育出版社，1993

六、教学方法

讲课

七、方式及评定方法

考核方式：闭卷考试