物理化学A
CHEM130013 物理化学AII 教学大纲
发布时间: 2009-08-11   浏览次数: 243

 

CHEM130013 物理化学AII教学大纲
Physical Chemistry AII
学分数3 周学时3
总学时54
 
教学目的与要求
课程性质:
物理化学A是化学类(包括:化学、应用化学、高分子材料、化学工程和材料化学)本科学生的一门基础课程,学生在预修高等数学、普通物理学和普通化学A课程后修读本课程。
基本内容:
物理化学是研究物质的结构、性质及其变化的普遍规律的一门学科。内容的第一部分(物理化学AI)讨论微观结构,主要包括量子力学基本原理、原子、分子和晶体结构、对称性和分子间相互作用以及微观结构的测定原理;将微观原理放在前面讲授,有利于引导学生以原子分子的观点深入领悟物理化学的原理。第二部分(物理化学AII)讨论平衡体系的性质,从统计热力学入手,建立微观到宏观的桥梁,进一步过渡到热力学,包括热力学三大定律、溶液、化学平衡、相平衡;第三部分(物理化学AIII)讨论变化体系的性质,主要是动力学和电化学,还包括非平衡体系热力学的简单介绍以及界面现象和表面化学。整个课程从二年级(上)到三年级(上)共分三学期讲授每个学期讲授一个部分,每个部分讲授54学时。
基本要求:
通过本课程的学习,要求学生系统地掌握物理化学的基本原理和方法,加深对其它化学课程内容的理解,并初步具有应用物理化学的基本原理分析和解决一些实际问题的能力。
 
教学内容及学时分配:
 
物理化学AII 学分数3 周学时3 总学时54
 
第十章 统计热力学基础(10学时)
内容提要: 本章先介绍统计热力学的一些基本概念,然后讨论麦克斯韦-玻耳兹曼分布,并由此引出配分函数概念。随后介绍了系综理论,把分子配分函数推广到正则配分函数。讨论了各种配分函数的计算。介绍了爱因斯坦的固体热容理论和量子统计方法。
    学习目的:1)熟悉等概率原理、宏观态、微观态和热力学概率等基本概念;(2)了解麦克斯韦-玻耳兹曼分布的物理含义;(3)掌握配分函数的概念和各种运动形式的配分函数的计算;(4)掌握系综和正则配分函数的概念;(5)了解量子统计方法及其应用。
讲课要点:
10−1 基本概念  
10−2 麦克斯韦−玻耳兹曼统计  
10−3 分子配分函数  
10−4 正则系综及配分函数 
10−5 配分函数的计算 
10−6 量子统计 
 
第十一章 热力学第一定律和热化学(10学时)
内容提要:本章介绍热力学常用的一些基本概念以及热力学第一定律和热化学定理,并利用这些基本原理讨论物理和化学过程的能量变化及其计算。
学习要求:(1)熟悉体系和环境、状态和性质、过程和途径、热力学平衡等热力学常用的基本概念;(2)熟悉内能、功、热、焓和热容等热力学函数或概念的含义,了解热力学第一定律的统计解释,并会运用这些概念解决实际问题;(3)掌握体积功的计算和可逆过程的概念;(4)掌握理想气体的等温、等压、等容和绝热过程的计算方法,了解焦耳实验、卡诺循环和焦耳-汤姆逊实验及其推论;(5)掌握反应焓变的计算方法及其与反应温度的关系。
    讲课要点:
11−1  热力学第一定律 
11−2 焓和热容
11−3理想气体的热力学过程 
11−4焦尔−汤姆逊效应 
11−5化学反应的热效应 
11−6 几种重要的焓变计算 
 
第十二章 热力学第二定律和第三定律(10学时)
内容提要:本章讨论热力学第二和第三定律的各种表述方法,从分析自然过程所具有的共同特点出发,提出了用于判断过程方向和限度的最基本状态函数—熵函数,根据熵函数又引进了用于判断恒温恒压下进行的化学变化和相变化的方向和限度的吉布斯自由能状态函数。介绍这两个热力学函数的统计力学的表达方式,并列举了它们的一些应用。对物质的标准熵和标准摩尔生成焓值的由来作了介绍。最后,引进化学势和气体逸度概念,为尔后研究组成改变的封闭体系和敞开体系的平衡性质作准备。
学习要求:(1)掌握物质的标准熵及各类过程的熵变的计算方法;(2)了解热力学第二和第三定律的统计解释和残余熵的概念以及掌握用配分函数计算热力学函数的方法;(3)熟悉如何从熵函数引出吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能;(4)掌握物理过程和化学过程的吉布斯自由能变化的计算方法;(5)掌握标准生成吉布斯自由能的概念及其应用;(6)熟悉热力学第一和第二定律的联合公式和麦克斯韦关系式的推导过程及其应用;(7)掌握克拉贝龙方程和克劳修斯—克拉贝龙方程的物理意义及其应用;(8)了解化学势的概念及其在化学变化和相变化中的应用;(9)熟悉气体的逸度、标准态和参考态的概念;(10)了解物质的标准熵和标准摩尔生成焓值的由来。
    讲课要点:
12−1 热力学第二定律的引出  
12−2 过程方向性的判据−−熵函数  
12−3 热力学第三定律  
12−4 熵变的计算  
12−5 吉氏自由能和亥氏自由能 
12−6 热力学函数间的关系及其应用  
12−7 化学势  
 
第十三章 溶液体系热力学(8学时)
    内容提要本章用化学势概念讨论理想溶液、稀溶液和实际溶液的热力学性质。阐明了在研究实际溶液时引进偏摩尔量和活度概念的重要性。通过实例说明拉乌尔定律、亨利定律、偏摩尔量的集合公式和吉布斯—杜亥姆公式的物理意义及其应用。
学习要求:(1)了解溶液的定义及其分类;(2)了解引进偏摩尔量概念的重要性,掌握集合公式和吉布斯—杜亥姆公式的意义及其应用;(3)掌握理想溶液和稀溶液的定义,熟悉拉乌尔定律和亨利定律的各种应用;(4)掌握稀溶液的依数性概念,了解如何通过依数性来测定溶质分子量;(5)掌握活度的概念及其测定方法。
    讲课要点:
13−1 偏摩尔量 
13−2 理想溶液及其性质 
13−3 稀溶液及其性质 
13−4 实际溶液和活度 
 
第十四章 化学平衡体系热力学(8学时)
内容提要:应用热力学第一、第二和第三定律的原理研究化学平衡体系的性质,阐明温度、压力和原料配比等因素对各类化学平衡的影响。对三类反应(常压气相反应、高压气相反应、液相反应)的反应条件的选择进行了理论分析。
学习要求:(1)掌握用吉布斯自由能状态函数判断化学反应进行的方向;(2)熟悉反应进度的概念;(3)掌握用反应物和产物的标准吉布斯生成自由能计算平衡常数的方法;(4)掌握各种平衡常数之间关系的数学表式;(5)熟悉平衡常数与温度之间的关系式的推导过程并掌握该方程的具体应用;(6)掌握压力、惰性物质对各类反应的平衡的影响;(7)掌握从平衡常数计算平衡转化率和平衡组成的方法;(8)熟悉三类反应的反应条件的理论分析。
    讲课要点:
14−1 化学反应的自由能降低原理  
14−2 化学反应等温式和平衡常数  
14−3 反应平衡常数的计算和测定方法 
14−4 理想气体反应平衡常数的统计热力学计算 
14−5 平衡常数与温度和压力的关系  
14−6 气相反应条件分析 
14−7 液相反应和复杂反应条件分析  
 
第十五章 相平衡热力学(8学时)
内容提要:本章介绍相、组分数、自由度的概念,并推导相律公式,描述单组分体系的相图及其在升华提纯中的应用。介绍二级相变具有的特点,阐述如何用实验和理论方法绘制两组分的液-固和气-液相图,并讨论这些相图在冷冻结晶和蒸馏提纯等方面的应用。通过实例说明三组分体系相图的绘制及其在萃取、盐类提纯方面的实际应用。
学习要求:1)熟悉单组分体系相图及其在升华提纯中的应用;(2)熟悉两组分体系的液-固相图及其在结晶分离中的应用;(3)掌握杠杆规则及其应用;(4)熟悉两组分体系的气-液相图的实验测定、理论计算及其在精馏操作中的应用;(5)熟悉部分互溶的三液体体系和固-固-液盐水体系相图及其应用。
    讲课要点:
15−1 相律  
15−2 单组份体系的相图 
15−3 二组分液固体系  
15−4 二组分气液体系  
15−5 二组分液液体系  
15−6 三组分体系 
 
 
教学方式:
本课程以课堂讲授为主,辅以自学,演算习题等教学环节。教学中采用多媒体和板书相结合方式,部分章节已采用英文板书和课件。
 
考核方式:
闭卷考试。
 
教材与参考书:
教材: 《物理化学》(第二版),范康年主编,高等教育出版社,2005年。
参考书: [1]《物质结构》,徐光宪,王祥之,高等教育出版社,1987年。
         [2]《物质结构》,江元生,高等教育出版社,1997年。
         [3]《结构化学基础》,周公度,北京大学出版社,1995年。
         [4]《物理化学》(第二版),傅献彩等,高等教育出版社,1990 年。
         [5]《化学动力学基础》,韩德刚等,北京大学出版社,1987年。
 
本课程历史沿革:
    本课程是化学系的一门重要基础理论课,从五十年代起化学系的著名教授都主讲过本课程。五十年代初本课程只包括“热力学”,“动力学”和“电化学”部分内容,由顾翼东,吴浩青,吴征铠主讲本课程。到1954年增设了“物质结构”由吴征铠主讲,“结晶化学”由周介湘主讲。课程开设之初没有完整教材和讲义,以学生记笔记为主。
    五十年代末六十年代初由于人员调整和教学改革,分为三门课程,“物理化学”以朱京教授为主讲,“物质结构”由薛志元教授主讲,“结晶化学”由周介湘教授主讲,教材使用情况是“物理化学”是用南大傅献彩等编的《物理化学》,“物质结构”是用徐光宪编的《物质结构》,而“结晶化学”则以唐有祺的《结晶化学》为参考,因该书内容太丰富,基础课中无法讲完。三门课至1966年停开。
    文革中间招收工农兵学员,只开设“物理化学”不包含“物质结构”和“结晶化学”,由朱京和邓景发主讲,教材主要采用邓景发教授编写的《物理化学》(人民教育出版社,第一版)和傅献彩的《物理化学》。
    1977年恢复高考招生之后,继续按六十年代格局开设课程,但内容上有很大调整,特别是“物质结构”和“结晶化学”合并为“结构化学”。“物理化学”先后由朱京、邓景发、江逢霖主讲,“结构化学”由范康年主讲,教材以自编讲义为主,期间骆薇薇,张秀珠,冯安春,范嘉范等也参加过“物理化学”讲课。潘石麟,谢璎等也参加了“结构化学”讲课。
九十年代人员调整较大,一批年青人走上讲台,“物理化学”课由邓景发主持,担任讲课的有范康年,范嘉范,李宏珉,杨军,王怀明。“结构化学”由范康年主持,担任讲课的有潘石麟,谢璎,陆靖。
1994年学校进行课程改革,“物理化学”和“结构化学”合并为“物理化学”分三个学期讲述,整个课程由邓景发和范康年主持,参加讲课的有潘石麟,范嘉范,李宏珉,陆靖,杨军,王怀明。教材是由邓景发和范康年合写的《物理化学》(高等教育出版社,1993年,第一版),该书于1995年同时获国家教委和上海市普通高校优秀教材一等奖和1997年上海市科技进步二等奖。1996年系里增设基础课“谱学导论”,本课程的分子结构测定方法原理及应用移入“谱学导论”。
在第一版实践经验基础上,由范康年主编完成了“物理化学”第二版的编写,已于2005年6月由高等教育出版社作为普通高等教育“十五”国家级规划教材出版。第二版教材是在十多年的教学实践中,学习了国外先进教材的经验,根据国内外物理化学教学的发展趋势,结合复旦的教学体会,对教学体系作了多次变革。其中最重大的变动是将微观内容放到物理化学课程的最前面讲授,使得微观理论成为学习物理化学原理的基础,然后通过统计热力学的过渡,使得物理化学的教学内容从微观过渡到宏观,在此基础上再讨论平衡体系热力学和反应体系动力学等方面的性质,赋予教学内容以更深的内涵。
    本大纲是根据以上演变形成的。已于2005年秋开始执行。
 
编制者: 范康年
审查者: 徐华龙
研究室主任: 贺鹤勇
系主任: 唐颐
制定日期: 2006年12月