Physical Chemistry

课程编码：21A62033 学分：4.0 课程类别：专业基础课（必修）

计划学时：64 其中讲课：64 实验或实践：0 上机：0

适用专业：环境工程，环境科学

推荐教材：印永嘉主编，《物理化学简明教程》，高等教育出版社，2007年

参考书目：

1.天津大学物理化学教研室，《物理化学》，高等教育出版社，2001年

2.傅献彩等著，《物理化学》，高等教育出版社，2006年

3.印永嘉等主编，《物理化学简明教程》例题与习题，高等教育出版社，2006年

课程的教学目的与任务

学习本课程的主要目的是：通过学习，使学生能系统地掌握物理化学的基本知识和基本原理，加深对自然现象本质的认识，使学生学会物理化学的科学思维方法，培养学生提出、研究和分析问题的能力，培养他们获取知识并用来解决实际问题的能力。

本课程的任务是：介绍化学热力学、表面现象和分散系统、电化学、化学动力学的基本原理、基本知识和基本方法及其应用。通过课堂讲授、自习、演算习题和习题课等教学环节，达到学习本课程的目的。

课程的基本要求

1． 明确基本概念

2． 熟悉各公式的推证过程，特别注意各公式的适用条件及其物理意义

3． 了解化学变化过程中的一些基本规律

4． 学会用物理化学的观点和方法来分析和解决化学中的实际问题

各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）

绪论 建议学时 ：1

[教学目的与要求] 掌握物理化学研究对象、目的与方法。

[教学重点与难点] 基本概念，气体，理想气体和实际气体状态方程等。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

第一节 物理化学的研究对象及其重要意义

第二节 物理化学的研究方法

第三节 学习物理化学的方法

第一章 热力学第一定律 建议学时：10

[教学目的与要求] 掌握热力学第一定律，内能、焓两个状态函数，盖斯定律的应用，了解基本概念。

[教学重点与难点] 基本概念，各过程Q、W、△U、△H的计算。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

(一)热力学概论

第一节 热力学的研究对象

第二节 几个基本概念

一、系统和环境

二、状态和状态性质

三、过程和途径

四、热力学平衡

（二)热力学第一定律

第三节 能量守恒—热力学第一定律

一、热力学能的概念

二、功和热的概念

第四节 体积功

一、体积功

二、可逆过程与不可逆过程

三、可逆相变的体积功

第五节 定容及定压下的热

第六节 理想气体的热力学能和焓

第七节 热容

一、定容热容和定压热容

二、理想气体的热容

三、热容与温度的关系

第八节 理想气体的绝热过程

第九节 实际气体的节流膨胀

（三)热化学

第十节 化学反应的热效应

一、化学反应热效应

二、定容反应热与定压反应热

三、反应进度

四、热化学方程式的写法

五、反应热的测量

第十一节 生成焓及燃烧焓

一、标准摩尔生成焓

二、标准摩尔燃烧焓

第十二节 反应焓与温度的关系-基尔霍夫方程

第二章 热力学第二定律 建议学时：8

[教学目的与要求] 掌握熵、吉布斯函数及判据。能应用熵、吉布斯函数变判断过程进行的方向和限度。化学势的概念、判据及应用，拉乌尔定律，熟悉亥氏函数和热力学基本关系式、偏摩尔量，亨利定律。

[教学重点与难点] 克劳修斯不等式，各过程的△S、△G的计算方法及过程方向性的判断，一般热力学关系的推导方法及应用。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

第一节 自发过程的共同特征

一、理想气体向真空膨胀

二、热由高温物体传向低温物体

三、镉放入氯化铅溶液变成氯化镉溶液和铅

第二节 热力学第二定律的经典表述

第三节 卡诺循环与卡诺定理

第四节 熵的概念

一、可逆过程的热温商及熵函数的引出

二、不可逆过程的热温商

三、热力学第二定律的数学表达式—克劳修斯不等式

第五节 熵变的计算及其应用

一、定温过程的熵变

二、定压或定容变温过程的熵变

三、相变化的熵变

第六节 熵的物理意义及规定熵

一、宏观状态与微观状态

二、熵是系统混乱度的度量热力学第三定律及规定熵的计算

第七节 赫姆霍兹函数与吉布斯函数

一、定温定容的系统—赫姆霍兹函数A的引出

二、定温定压系统—吉布斯函数G的引出

第八节 热力学函数的一些重要关系式

一、热力学函数之间的关系

二、热力学的基本公式

三、麦克斯韦（Maxwell）关系式

第九节 ΔG的计算

一、简单状态变化的定温过程的△G

二、物质发生相变过程的△G

三、化学反应的△G

四、△G随温度T的变化—吉布斯——赫姆霍兹公式

第三章 化学势 建议学时：6

[教学目的与要求] 了解掌握气体物质的化学势的表达式；掌握Raoult定律、Henry定律的数学表达式；理解理想液体混合物的定义及其各组分化学势的表达式及应用

[教学重点与难点] 化学势的理解与计算；难点：Raoult定律、Henry定律。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

第一节 偏摩尔量

一、偏摩尔量的定义

二、偏摩尔量的集合公式

第二节 化学势

一、化学势的定义

二、化学势在多相平衡中的应用

三、化学势在化学平衡中的应用

第三节 气体物质的化学势

一、纯组分理想气体的化学势

二、理想气体混合物的化学势

三、实际气体的化学势—逸度的概念

第四节 理想液态混合物中物质的化学势

一、拉乌尔定律

二、理想液态混合物的定义

三、理想液态混合物中物质的化学势

第五节 理想稀溶液中物质的化学势

一、亨利定律

二、理想稀溶液的定义

三、理想稀溶液中物质的化学势

第六节 不挥发性溶质理想稀溶液的依数性

一、凝固点降低

二、渗透压

第七节 非理想多组分系统中物质的化学势

一、实际液态混合物对理想液态混合物的偏差

二、非理想液态混合物中物质的化学势及活度的概念

三、非理想溶液中物质的化学势及活度

四、活度的求算

第四章 化学平衡 建议学时：5

[教学目的与要求] 掌握化学反应等温方程式，并用其判断化学反应的方向。各种平衡常数之间的关系，熟悉温度对平衡常数的影响。

[教学重点与难点] △rGm及平衡常数的计算方法，熟练计算各种条件下的平 衡混合物组成，熟悉各种因素对化学平衡的影响。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

第一节 化学反应的方向和限度

一、化学反应的限度

二、反应系统的吉布斯函数

三、化学反应的平衡常数和等温方程

第二节 反应的标准吉布斯函数变化

一、化学反应的△rGm与△rGmΘ

二、物质的表准生成吉布斯函数

三、反应的△rGmΘ和标准平衡常数的求算

第三节 平衡常数的各种表示法

一、气相反应

二、液相反应

三、复相反应

四、平衡常数与反应方程式写法的关系

第四节 平衡常数的实验测定

第五节 温度对平衡常数的影响

第六节 其他因素对化学平衡的影响

一、压力的影响

二、惰性气体的影响

第五章 多相平衡 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握相律，会分析相图；克—克方程的意义，并能应用公式进行计算；杠杆规则，熟悉分馏、水蒸气蒸馏的基本原理。

[教学重点与难点] 相律的意义，应用相律分析相图， 克——克方程的应用，能看懂各种相图，绘制基本相图，能应用相图解决简单的分离、提纯问题。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

第一节 相律

一、几个基本概念

二、相律的推导

（一）单组分系统

第二节 克劳修斯-克拉佩龙方程

一、液-气平衡

二、固—气平衡

三、固-液平衡

第三节 水的相图

（二）二组分系统

第四节 完全互溶的双液系统

一、蒸汽压-组成图

二、沸点-组成图

三、杠杆规则

第七节 简单低共熔混合物的固-液系统

一、水-盐系统相图

二、热分析法绘制相图

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

二、有不稳定化合物生成的系统

（三）三组分系统

第十节 三角坐标图组成表示法

第七章 电化学 建议学时：10

[教学目的与要求] 掌握电导的概念及应用，熟悉电解质溶液的导电机理及运动规律。

[教学重点与难点] 电解质溶液电导的计算和应用，可逆电池电动势（能斯特方程）的计算、应用，以及与热力学函数的关系，电解反应的简单计算与判断。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

（一）电解质溶液

第一节 离子的迁移

一、电解质溶液的导电机理

二、法拉第定律

三、离子的迁移数

第二节 电解质溶液的电导

一、电导、电导率和摩尔电导率

二、电导的测定

三、电导率和摩尔电导率随浓度的变化

四、离子独立移动定律及离子摩尔电导率

第三节 电导测定的应用示例

一、求算弱电解质的电离度α及电离平衡常数Kc

二、求算微溶盐的溶解度和溶度积

三、电导滴定

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

二、影响离子平均活度系数的因素

第五节 可逆电池

一、可逆电池必须具备的条件

二、可逆电极的种类

三、电池电动势的测定

四、电池表示式

五、电池表示式与电池反应的“互译”

第六节 可逆电池热力学

一、可逆电池电动势与浓度的关系

二、电动势E及其温度系数与电池反应热力学量的关系

三、离子的热力学量

第七节 电极电势

一、电池电动势产生的机理

二、电极电势

第八节 由电极电势计算电池电动势

一、单液化学电池

二、双液化学电池

三、单液浓差电池

四、双联浓差电池

第九节 电极电势及电池电动势的应用

一、判断反应趋势

二、求化学反应的平衡常数

三、求微溶盐活度积

四、求离子平均活度系数

五、pH的测定

六、电势滴定

第十节 电极的极化

一、不可逆条件下的电极电势

二、电极极化的原因

三、过电势的测量

第十一节 电解时的电极反应

一、阴极反应

二、阳极反应

第十二节 金属的腐蚀与防护

一、金属的腐蚀

二、金属的钝化

三、金属腐蚀的防护

第八章 表面现象与分散系统 建议学时：8

[教学目的与要求] 掌握表面能与表面张力的含义，以及表面张力的测定方法和表面热力学。

[教学重点与难点] 拉普拉斯公式、开尔文公式、兰格缪尔吸附等温式、吉布斯吸附公式及其应用。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

(一)表面现象

第一节 表面吉布斯函数与表面张力

第二节 纯液体的表面现象

一、附件压力

二、曲率对蒸汽压的影响

三、液体的润湿与铺展

四、毛细管现象

第三节 气体在固体表面上的吸附

一、气固吸附的一般常识

二、朗格缪尔单分子层吸附等温式

三、BET多分子层吸附等温式

第四节 溶液的表面吸附

一、溶液表面的吸附现象

二、吉布斯吸附公式

三、表面吸附剂的吸附层结构

四、表面膜

第五节 表面活性剂及其作用

一、表面活性剂的分类

二、胶束和临界胶束浓度

三、表面活性剂的作用

（二）分散系统

第六节 分散系统的分类

第七节 溶胶的光学及动力学性质

一、丁达尔效应

二、布朗运动

三、扩散

四、沉降与沉降平衡

第八节 溶胶的电性质

一、电动现象

二、溶胶粒子带电的原因

三、溶胶粒子的双电层

四、溶胶粒子的机构

第九节 溶胶的聚沉和絮凝

一、外加电解质对溶胶聚沉的影响

二、溶胶的相互聚沉

三、大分子化合物对溶胶稳定性的影响

第十节 溶胶的制备与净化

一、溶胶的制备

二、溶胶的净化

第九章 化学动力学基本原理 建议学时：6

[教学目的与要求] 掌握基本反应的动力学方程及其特征；阿累尼乌斯公式的意义及其计算，熟悉浓度、温度等因素对反应速率的影响和反应级数的测定方法。

[教学重点与难点] 化学动力学基本概念及速率方程，一级、二级、三级和零级反应的基本特点及反应级数的测定方法，阿累尼乌斯公式及其应用，明确活化能概念。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

第一节 引言

一、化学动力学的任务和目的

二、化学动力学发展简史

三、反应机理的概念

第二节 反应速率和速率方程

一、反应速率的表示法

二、反应速率的实验测定

三、反应速率的经验表达式

四、反应级数

五、质量作用定律

六、速率常数

第三节 简单级数反应的动力学规律

一、一级反应

二、二级反应

三、三级反应和零级反应

第四节 反应级数的测定

一、积分法

二、微分法

三、孤立法和过量浓度法

第五节 温度对反应速率的影响

一、阿累尼乌斯经验公式

二、活化能的概念及其实验测定

三、阿累尼乌斯公式的一些应用

第六节 双分子反应的简单碰撞理论

一、碰撞数Z的求算

二、有效碰撞分数q的计算

三、速率常数k的计算

四、简单碰撞理论的成功与失败

第七节 基元反应的过渡态理论大意

一、势能面和过渡态理论中的活化能

二、过渡态理论速率常数公式的建立

三、过渡态理论速率常数的热力学表达式

四、过渡态理论的评价

第十章 复合反应动力学 建议学时：4

[教学目的与要求] 掌握反应速率理论的要点，理解公式的物理意义。在催化作用部分，掌握催化作用的基本特征。

[教学重点与难点] 典型的复合反应（对峙反应、平行反应、连串反应）的基本特点和速率公式，复合反应的近似处理方法及其应用。

[授 课 方 法] 多媒体，辅以举例和图文进行深入讲解。

[授 课 内 容]

第一节 典型复合反应动力学

一、对峙反应

二、平行反应

三、连串反应

第二节 复合反应近似处理方法

一、稳态近似法

二、平衡态近似法

第三节 链反应

一、一般原理

二、直链反应

三、支链爆炸反应

第四节 催化反应

一、催化反应的基本原理

二、均相催化反应

三、复相催化反应

四、酶催化反应

第五节 光化学概要

一、光化学定律

二、量子效率和能量转换效率

三、光化学反应

四、光化学反应与热反应的比较

撰稿人： 孙蒙 审核人： 国伟林