物理化学I

course code：B0411007Y-02 英文名称：Physical Chemistry I course period：38 credit：2.00 course attribute：专业必修课 course lecturer：边文生

物理化学是以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系的特殊规律的学科。它是化学以及在分子层次上研究物质变化的其它学科领域的理论基础。因此，物理化学是化学系最重要的主干基础课程之一。
《物理化学 I 》主要讲授化学热力学及统计热力学的基础及其应用。该课程旨在使学生 掌握 化学热力学的基础知识 、 基本思想和研究方法， 了解物理化学的学科特点和重要作用， 提高化学研究的理论水平和科学素养，为后续相关课程学习和 进一步从事相关的专业研究打下坚实的基础。
本课程在教学过程中，拟通过对物理化学的源头知识、相邻学科知识（尤其是理论物理知识）、本学科专业知识的介绍与学习，和数理逻辑推导的训练，使学生掌握化学热力学的知识体系，了解物理化学中的纵向和横向理论基础及其相互关系，激发学生的学习兴趣，促进学生有意识地关联而不是孤立各种不同学科的理论、知识与技术。拟重点讲解物理化学中的基本理论、基本概念和经典方法，以帮助学生培养出严密的思维和 严谨的作风 ，并建立起较深刻的概念；此外还要进行延伸教学，适当向学生传授物理化学研究方面的一些新知识和进展，特别是物理化学研究的前沿、最新进展和最新成果，拓宽学生的视野，使学生领会物理化学中 分析问题和解决问题 的方法和理念 。

化学原理、微积分

      《物理化学I 》讲授的 主要内容包括： 热力学的四个基本定律，多组分体系热力学， 热力学基本原理在气体、 溶液、 相平衡 、 化学平衡中的应用 ，统计热力学基础。 除课堂授课以外，将合理安排课程作业、随堂提问并开设习题课等，以加强学生对所学知识的理解、掌握与应用。本课程首先讲授物理化学的基本原理和基础知识，然后讲授相关应用和统计热力学方面的内容。教学重点是化学热力学第一和第二定律及其在溶液、相变、化学反应等体系中的应用，要使学生 学习和掌握运用热力学及其统计热力学方法解决相变化和化学变化的方向和限度问题 。 Joule-Thomson效应 、 对熵概念的深入理解和统计热力学的部分内容难度较高。各部分的基本内容和要求分述如下。

       绪论
       内容是综述物理化学的建立与发展，结合从 20世纪七十年代到最近的一系列诺贝尔奖来例证物理化学的发展趋势；介绍物理化学的内容、研究方法和学习方法。 要求学生对 物理化学有一个宏观的、基本的了解 。

       第一章 化学热力学概论和气体
       1.1 概论及若干基本概念和术语
       内容包括化学热力学的理论框架的总体介绍，若干基本概念和术语 的详细阐明。 要求学生掌握 化学热力学的基本概念 掌握状态函数的概念及特征， 了解化学热力学的理论框架， 理解热力学第零定律 。
       1.2 气体
       内容包括气体分子动理论，分子运动的速率和平动能分布，实际气体， 气液间的转变， 分子间的相互作用力。 要求学生掌握 实际气体的基本性质和范德华状态方程，了解气体分子动理论和分子间的相互作用力，理解气液间的转变。

       第二章 热力学第一定律
       2.1 热力学第一定律热力学第一定律及相关概念及相关概念
       内容包括热力学第一定律的阐释，准静态过程与可逆过程准静态过程与可逆过程，焓和和热容的概的概念。要求学生掌握热力学第一定律的原理，焓和热容焓的概念，理解准静态过与可逆过程；掌握掌握ΔU、ΔH、Q、W的计算。
       2.2 Carnot 循环循环
       内容包括热力学第一定律对理想气体的应用和Carnot循环。要求学生了解Carnot循环的意义，掌握在理想气体中功和热的计算。
       2.3 Joule-Thomson效应效应
       内容涉及Joule- Thomson效应的多个方面，要求学生了解节流过程实验，掌握实际气体的相关计算。
       2.4 热化学和第一定律的微观诠释
       内容包括Hess定律，几种热效应，反应焓变与温度的关系(Kirchhoff定定律律)，热力学第一定律的微观诠释。要求学生理解Hess定律和Kirchhoff定律，了解微观角度下的能量均分原理和热力学第一定律的本质。

       第三章 热力学第二定律热力学第二定律
       3.1 热力学第二定律定律和熵的概念
       内容包括自发变化的共同特征，热力学第二定律，Carnot定理定理，熵的概念，Clausius不等式与熵增加原理，热力学基本方程与热力学基本方程与T-S图，熵变的计算。要求学生了解自发变化的共同特征生了，掌握热力学第二定律和熵的意义，了解热力学第二定律与定律与Carnot定理的关系，理解Clausius不等式及其重要性。
      3.2 自由能和状态函数间的关系自由能和状态函数间的关系
      内容包括内容包括Helmholtz和和Gibbs自由能自由能，变化的方向与平衡条件变化的方向与平衡条件，ΔG的计算的计算示例，热力学函数间的关系 。 要求学生掌握 A和G的定义及 其物理意义，掌握状态函数间的基本关系和一些简单过程的 ΔS、 ΔH、 ΔA、 ΔG的计算 掌握可逆过程的设计， 理解 Gibbs-Helmholtz公式的运用。

      3.3 热力学第三定律和对熵的进一步认识
      内容包括熵的物理意义和热力学第二定律的本质， 熵的统计意义，热力学第三定律及规定熵不可逆过程热力学简介。 要求学生理解熵的统计意义， 了解热力学第三定律的内容，掌握规定熵的含义、计算及其应用， 了解不可逆过程热力学的熵流和熵产生等。

       第四章 多组分系统热力学及其在溶液中的应用
       4.1 引言、 偏摩尔量和化学势
       内容包括多组分系统的组成表示法偏摩尔量和化学势 。 要求学生理解多组分体系的组成表示， 掌握偏摩尔量和化学势的定义及异同 。
       4.2 混合物 、 溶液和经验定律
       内容包括气体混合物中各组分的化学势稀溶液中的两个经验定律， 理想液态混合物 理想稀溶液中任一组分的化学势 。要求学生掌握理想气体化学势的表达式及标准态的含义， 掌握 Raoult定律和 Henry定律及其 应用， 了解理想混合物的通性及其化学势的表示法。
       4.3 稀溶液的依数性 和非理想溶液
       内容包括稀溶液的依数性 Duhem-Margule 公式 活度与活度因子， 渗透因子和超额函数。 要求学生掌握稀溶液的依数性以及利用依数性计算未知物的摩尔质量， 理解活度的概念，了解如何描述溶剂的非理想程度。

       第五章 相平衡
       5.1 引言 、 相律和 单相平衡
       内容包括概论多相系统平衡的一般条件， 相律， 单组分系统的相平衡。要求学生理解相、组分数和自由度等相平衡中的基本概念，了解相律的推导过程，掌握相律在相图中应用， 理解相图中各相区、线、特殊点的意义，了解自由度的变化，并可以进行简单的相图分析。
       5.2 二组分系统的相图及其应用

       内容包括理想二组分液态混合物、杠杆规则，蒸馏（精馏）原理，部分互溶、不互溶双液系及其应用，简单低共熔二元相图等及其应用，气-固平衡相图，液、固完全互溶相图和固态部分互溶相图等。要求学生了解完全互溶、部分互溶、完全不互溶相图的特点，掌握利用相图进行有机物的分离提纯，掌握利用步冷曲线绘制二组分低共熔相图并对相图进行分析，了解二组分低共熔相图和水盐相图在冶金、分析、提纯等领域的应用。
       5.3 三组分系统相图、相变的类型和相图中的规律性
       内容包括三组分系统的相图及其应用，二级相变，相图中的规律总结。要求学生了解三组分体系相图中点、线、面的含义，理解将三组分系统相图应用于盐类的分离提纯和有机物萃取方面等。

       第六章 化学平衡
       6.1 简介、化学亲和势、化学平衡和Ellingham 图
       内容包括化学反应的平衡条件，反应进度和化学反应亲和势，化学反应的平衡常数和等温方程式，平衡常数的表示式，复相化学平衡，标准摩尔生成Gibbs自由能，Ellingham 图的解析。要求学生了解从平衡条件导出化学反应等温式，并掌握这一公式的使用，了解如何从化学势推导标准平衡常数，理解均相和复相反应的平衡常数的差异。此外，要求学生掌握 Δr Gm  的意义、求算、应用以及与标准平衡常数的关系，理解Ellingham 图的含义。
       6.2 诸因素对化学平衡的影响和应用实例
       内容包括温度、压力及惰性气体对化学平衡的影响，应用实例和近似计算，化学反应的复杂性及平衡问题简介。要求学生掌握温度、压力和惰性气体对平衡常数的影响，了解化学热力学原理应用于化学反应的重要意义。

       第七章 统计热力学基础
       7.1 概论、Boltzmann 统计和量子统计简介
       内容包括概论，Boltzmann 统计详述，Bose-Einstein 统计和Fermi-Dirac 统计简介。要求学生掌握统计系统的分类和统计热力学的基本假定，了解最概然分布和撷取最大项原理。
       7.2 配分函数和晶体的热容
       内容包括配分函数的意义，分子的全配分函数，各配分函数的求法及其对热力学函数的贡献，用配分函数计算Δr Gm 和反应的平衡常数， 晶体的热容问题。要求学生理解配分函数的定义及其物理意义，了解各种配分函数的计算方法及其与热力学函数的关系，理解用配分函数计算简单分子的热力学函数，掌握理想气体简单分子平动熵的计算。此外，了解自由能函数和热函函数，理解用简单的自由能函数和配分函数计算平衡常数。

      考核方式：

      学生最后的总评成绩将由三部分组成，分别为：平时成绩、期中和期末成绩，其中，平时成绩占的比例为20%，期中闭卷考试成绩占的比例为30%，期末闭卷考试成绩占的比例为50%。

章节/学时分配	讲课/学时	习题课/学时	讨论课/学时	其它
绪论	1
1概述及气体	2	1
2热力学第一定律	4	2
3热力学第二定律	6	4
综合	1
4多组分系统热力学	6	3
5相平衡	8	4
6化学平衡	4	2
7统计热力学基础	4	2
期中、期末考试学时	4

课程教学有助于学生科学素养的提高和科学理想的孕育，热力学第二定律的学习和对著名物理化学家的介绍， 可以引导学生树立科学的、唯物的人生观和价值观。 结合物理化学的发展史，介绍世界近现代科技飞速进步对生产力和社会发展的 巨大 推动 作用 有助于 引导学生 勇攀 科技高峰、 肩负时代使命 、 树立科技报国的决心。
实例 1 在第五章相平衡的讲授中，讲到相图如何应用于有机物的萃取部分时，插入稀土之父徐光宪先生的事迹 : 提出串联萃取法 , 为我国稀土产业的升级做出重大贡献 。有助于激发学生的爱国主义情怀 , 树立科技报国的信念。
实例 2 在 第 四 章 多组分系统热力学及其在溶液中的应用的讲授中，讲到固溶体 (固态溶液 )部分时，插入青铜合金 (一种固态溶液 )的介绍，并延伸到人类文化的青铜世纪，及有几千年历史的故宫文物毛公鼎 。有助于学生更好了解中华优秀传统文化 , 从而增强民族自豪感和为中华民族伟大复兴 做贡献的信心 。

1. 傅献彩等人主编的《物理化学》（第 5版），高等教育出版社， 2005年 (上册教材 +学习指导 )【教材】

1. 高执棣，《化学热力学基础》, 北京大学出版社，2006年【参考】
2. 印永嘉等人主编的《物理化学简明教程》（第 4版），高等教育出版社， 2007年【参考】
3. 韩德刚、高执棣、高盘良等人主编的《物理化学》（第 2版），高等教育出版社， 2009年 【参考】

边文生
中科院卓越创新中心特聘研究员
中科院化学所二级研究员, 博士生导师，中科院BR计划学者
1.曾在丹麦哥本哈根大学化学系（ 1995.8.11 ），德国斯图加特大学理论化学研究所 (1996.10-1998.5) 、日本分子科学研究所 (2000-2002)、美国德州理工大学作博士后、洪堡学者或访问学者。
2.1994 年于山东大学获博士学位并留校任教， 1999 年9月晋升为教授。 2003 年3月至今任中科院化学所研究员 。 曾任分子反应动力学国家重点实验室北京部分主任 (2004-2014) 。
3. 已发表 SCI 论文百余篇，其中在 Science 、 PNAS 、 NatureCommun 、 Sci.Adv. 等国际著名刊物发表的论文已对相关领域的研究产生了重要的推动作用。
4. 曾获国家自然科学奖三等奖、国家教委科技进步奖一等奖 ,北京市科学技术奖三等奖；已主持国家级重点、重大研究计划和面上项目共计10 余项。
5.研究领域：
大气、燃烧和激光化学。
PBFC量子动力学理论方法和程序发展。
超冷分子体系的制备和机制。
量子化学和分子反应动力学理论计算。
非共价相互作用和催化反应的调控。
7.电话： 010 62566307 Email: bian@iccas.ac.cn