一、 课程名称：物理化学(Ⅰ)
二、 课程代码：CHEM20041，CHEM20042
三、 学时和学分：96学时，6学分
四、 适用专业：应用化学、材料化学
五、 先修课程：高等数学、大学物理、无机化学
六、 使用教材：傅献彩等编；《物理化学》，高等教育出版社；第五版，2006
七、 参考书目
[1] 孙德坤等编；《物理化学学习指导》；高等教育出版社；2007
[2] Atkins编；《Physical Chemistry》，Oxford University Press，8th Edition， 2006
[3] 王正烈等编；《物理化学》；高等教育出版社；第四版，2003
[4] 张德生等编；《物理化学思考题1100例》；中国科技大学出版社； 2012
八、 课程描述
物理化学（Ⅰ）是四年制本科化学化工专业必修的基础课程，主要内容包括化学热力学、电化学、化学动力学、表面现象和胶体化学等内容。通过物理化学（Ⅰ）课程的学习，使学生较广泛、深入、系统和熟练地掌握物理化学的基础知识和基本原理，学会用物理化学的观点观察和解释化学现象，掌握对研究结果进行归纳、总结、推理，对实验现象和规律进行理论分析和提升等从事科学研究所必需的重要的方法论知识；同时拓展思路、丰富想象，在培养学生严谨的逻辑思维方式和扎实的科研态度的同时，培养学生敢于探索、勇于创新的精神，得到综合素质和创新能力的极大提高。
九、 教学目标
1. 教学目标
物理化学是化学学科的一个重要分支，是化学类专业本科生的一门主干基础课。学习本课程的目标主要有两个：
（1）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，这些知识和原理不仅是化学的理论基础，也是其它与化学有关的技术科学的发展基础；
（2）学生学会物理化学的科学思维方法，培养学生提出问题、研究问题、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。
2. 教学环节对人才培养目标的贡献
（1）通过对热力学三大定律及其在物理变化（非相变、相变）体系、化学反应（均相、复相、电化学）体系、胶体与界面体系中应用和反应动力学基本规律的学习，使学生了解物理化学的基本理论知识和实验技能，学会从物理化学的理论、观点、方法来解决科学与实践中的热点问题，如环保、材料、能源、生命科学领域中出现的物理化学问题。使学生在获得科学方法、数学运算、图解分析和实验操作的严格的训练的同时，进一步提高其独立工作、创新思维和综合应用所学知识的能力。通过物理化学课程的教学活动，把培养学生的科学观、社会观、价值观结合起来，全面提高学生的科学素养，培养出基础扎实、知识面宽、具有开拓创新能力的跨世纪人才。
（2）通过模块化的课程内容结构，构筑学生物理化学的基本理论框架，并结合工程技术、科技发展及社会热点论题组织教育内容，充分反映科技最新进展。
（3）培养学生进行归纳、演绎等科学思维。物理化学课程的重点和难点是热力学第一定律和热力学第二定律。在学习热力学第一定律、热力学第二定律两章内容时，因为讨论的内容多、概念多、公式多，学生学习时往往会感到困难。通过引导学生归纳出这两章内容所讨论的中心问题和学习线索，帮助学生理清思路，纲举目张。例如热力学第一定律一章的中心问题是在物理化学过程中的能量变换问题，其学习线索是在经验的热力学第一定律的基础上，建立状态函数内能U 和焓H，然后再用Q 和W 来定量计算过程的能量转换。热力学第二定律所解决的中心问题是判断物理化学过程进行的可能性、方向和限度，学习线索是在经验的热力学第二定律的基础上，建立状态函数熵S、亥姆霍茨函数A和吉布斯函数G，然后以S 、A或G来进行判断。学生经过这样的归纳、总结，能更好地掌握这两章的学习内容，而且能逐步培养起归纳、演绎、分析、推理等科学思维方法。
（4）物理化学研究问题的基本方法如热力学部分的状态函数法、特性函数法、变量变换法、标准状态法、偏离理想法，动力学部分的选取控制步骤法、平衡态近似法、稳定态近似法等，都是非常有价值的科学方法。这些方法既是分析问题、解决问题的钥匙，又是物理化学科学原理的体现。掌握领会这些科学方法，对于学好物理化学，提高学生科学思维能力是十分有益的。因此，在教学中，除了准确讲授物理化学的基本原理外，也重视方法论的教学，提炼出主要方法加以讲解，指导学生掌握科学的思维方法，从而对所学的知识做到举一反三。
（5）培养学生进行唯物主义辩证思维的能力。如物理化学发展历程中在特定时期出现的“第一类永动机”、“第二类永动机”、“热寂论”、“薛定谔猫”、“麦克斯韦妖”等专业思维，从辩证唯物主义方面去认识伪科学。
3. 知识贡献
章节名称 |
知识贡献 |
教学要求 |
学时 |
第二章 热力学第一定律 |
第一节 热力学概论 一、基本内容； 二、方法和局限性 第二节 热平衡和热力学第零定律 第三节 热力学的一些基本概念 一、系统与环境； 二、系统的性质； 三、热力学平衡态； 四、状态函数； 五、状态方程； 六、过程和途径； 七、热和功 第四节 热力学第一定律 第五节 准静态过程与可逆过程 一、功与过程； 二、准静态过程； 三、可逆过程 第六节 焓 第七节 热容 第八节 热力学第一定律对理想气体的应用 一、理想气体的热力学能和焓； 二、理想气体的 Cp 与 Cv 之差； 三、绝热过程的功和过程方程式； 第九节 Carnot 循环 一、Carnot 循环； 二、热机效率； 三、冷冻系数； 四、热泵 第十节 Joule—Thomson 效应 一、Joule—Thomson 效应； 二、实际气体的ΔU和ΔH 第十一节 热化学 一、化学反应的热效应； 二、反应进度； 三、标准摩尔焓变 第十二节 Hess 定律 第十三节 几种热效应 一、标准摩尔生成焓； 二、自键焓估算反应焓变；三、标准摩尔离子生成焓； 四、标准摩尔燃烧焓 第十四节 Kirchhoff 定律 第十五节 绝热反应 |
1. 了解热力学的一些基本概念； 2. 理解热力学第一定律和热力学能的概念； 3. 理解准静态过程与可逆过程的概念； 4. 理解状态函数的特征； 5. 熟练地应用热力学第一定律进行计算； 6. 熟练地进行热化学的计算； 7. 了解 Carnot 循环的意义和有关计算。 |
10 |
第三章 热力学第二定律 |
第一节 不可逆性 第二节 热力学第二定律 第三节 Carnot 定理 第四节 熵的概念 第五节 Clausius 不等式与熵增加原理 一、Clausius 不等式； 二、熵增加原理 第六节 热力学基本方程与 T-S 图 一、热力学基本方程； 二、 T-S 图及其应用 第七节 熵变的计算 一、等温过程的熵变； 二、非等温过程的熵变 第八节 熵和能量退降 第九节 热力学第二定律的本质和熵的统计意义 一、热力学第二定律的本质； 二、 Boltzmann 公式 第十节 Helmholtz 自由能和 Gibbs 自由能 一、 Helmholtz 自由能； 二、 Gibbs 自由能 第十一节 变化的方向与平衡条件 第十二节ΔG的计算示例 一、等温物理变化中的ΔG； 二、化学反应中的ΔG 第十三节 几个热力学函数间的关系 一、基本公式； 二、特征函数； 三、 Maxwell 关系式； 四、Gibbs 自由能与温度的关系； 五、 Gibbs 自由能与压力的关系 第十四节 热力学第三定律与规定熵 一、热力学第三定律； 二、规定熵值 |
1. 掌握热力学第二定律的意义； 2. 了解熵函数的导入过程； 3. 理解S 、A 、G 的定义和物理意义； 4. 熟练地进行ΔS、Δ H、ΔA和ΔG的计算； 5.会运用 Gibbs-Helmholtz 公式； 6. 了解熵的统计意义； 7. 了解热力学第三定律 |
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第四章 多组分系统热力学及其在溶液中的应用 |
第一节 引言 第二节 多组分系统的组成表示法 第三节 偏摩尔量 一、定义； 二、加和公式； 三、 Gibbs-Duhem 公式 第四节：化学势 一、定义； 二、在相平衡中的应用； 三、与温度、压力的关系 第五节 气体混合物中各组分的化学势 一、理想气体及其混合物的化学势； 二、逸度的概念； 三、逸度因子的求法 第六节 稀溶液中的两个经验定律 一、Roult 定律； 二、 Henry 定律 第七节 理想溶液 一、定义； 二、 理想溶液中任一组分的化学势； 三、通性 第八节 理想稀溶液中任一组分的化学势 第九节 稀溶液的依数性 第十节 活度与活度因子 一、活度的概念； 二、非理想稀溶液； 三、双液系中活度因子之间的关系 第十一节 分配定律 |
1. 了解多组分系统的组成表示法； 2. 掌握偏摩尔量和化学势的概念； 3. 掌握理想气体与非理想气体化学势的表达式； 4. 掌握 Roult 定律与 Henry 定律； 5. 了解理想溶液的通性及其化学势的表示； 6. 了解理想稀溶液各组分化学势的表示； 7. 理解稀溶液的依数性； 8. 了解相对活度的概念 |
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第五章 相平衡 |
第一节 引言 第二节 多组分系统平衡的一般条件 第三节 相律 第四节 单组分系统的相平衡 一、Clapeyron 方程； 二、外压与蒸气压的关系； 三、水的相图； 四、超临界状态 第五节 二组分系统的相图及其应用 一、完全互溶的双液系； 二、杠杆规则； 三、蒸馏原理； 四、非理想的二组分液态混合物； 五、部分互溶的双液系； 六、蒸气蒸馏； 七、简单的低共熔二元相图； 八、形成化合物的系统； 九、液、固相都完全互溶的相图； 十、固态部分互溶的二组分相图； 十一、区域熔炼 第六节 三组分系统的相图及其应用 一、等边三角形坐标表示法； 二、部分互溶的三液体系统； 三、二固体和一液体的水盐系统；三组分低共融系统的相图。 |
1. 了解相平衡中的基本概念； 2. 了解相律及其应用； 3. 理解并会分析各种二组分相图； 4.理解并会分析部分三组分相图。 |
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第六章 化学平衡 |
第一节 化学反应的平衡条件 一、化学反应的平衡条件和反应进度的关系； 二、化学反应的亲和势 第二节 化学反应的平衡常数和等温方程式 一、气相反应的平衡常数； 二、溶液中反应的平衡常数 第三节 平衡常数的表达式 第四节 复相化学平衡 第五节 标准摩尔生成 Gibbs 自由能 一、标准状态下反应的Gibbs自由能变化值； 二、标准摩尔生成Gibbs自由能； 三、 Ellingham 图 第六节 温度、压力和惰性气体对化学平衡的影响 一、温度对化学平衡的影响； 二、 压力对化学平衡的影响； 三、惰性气体对化学平衡的影响 |
1. 了解化学反应等温式的导出和应用； 2. 了解标准平衡常数； 3. 理解ΔGӨm的意义、计算、应用以及和标准平衡常数的关系； 4. 理解ΔfGӨm的意义及其应用； 5. 理解温度、压力和惰性气体对平衡的影响 |
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第八章 电解质溶液 |
第一节 电化学中的基本概念和电解定律 一、原电池和电解池； 二、 Faraday 电解定率 第二节 离子的电迁移率和迁移数 一、离子的电迁移现象； 二、 离子的电迁移率和迁移数 第三节 电解质溶液的电导 一、电导、 电导率、摩尔电导率； 二、电导率、摩尔电导率与浓度的关系； 三、离子独立运动定律和离子的摩尔电导率； 四、电导测定的一些应用 第四节 电解质的平均活度和平均活度因子 一、电解质的平均活度和平均活度因子； 二、离子强度 第五节 强电解质溶液理论简介 一、Debye-Huckel 离子互吸理论； 二、 Debye-Huckel-Onsager 电导理论 |
1. 掌握电化学的基本概念和电解定律、迁移数的意义； 2. 掌握电导率、摩尔电导率的意义； 3. 了解离子独立运动定律及其应用； 4. 理解并掌握迁移数与摩尔电导率、离子电迁移率的关系及其计算； 5. 理解电解质的离子平均活度、平均活度因子的意义及其计算； 6. 了解强电解质溶液理论 |
6 |
第九章 可逆电池的电动势及其应用 |
第一节 可逆电池和可逆电极 一、可逆电池； 二、可逆电极和电极反应 第二节 电动势的测定 一、标准电池 第三节 可逆电池的书写方法及电动势的取号 一、可逆电池的书写方法； 二、可逆电池电动势的取号 第四节 可逆电池的热力学 一、Nernst 方程； 二、由标准电动势求电池反应的平衡常数； 三、由电动势及其温度系数求反应的ΔrHm和ΔrSm 第五节 电动势产生的机理 一、电极与电解质溶液界面间电势差的形成； 二、接触电势； 三、液接电势； 四、电池电动势的产生 第六节 电极电势和电池的电动势 一、标准电极电势； 二、电池电动势的计算 第七节 电动势测定的应用 一、求电解质溶液的平均活度因子； 二、求难溶盐的活度积； 三、 pH 的测定 |
1. 掌握可逆电池的基本概念； 2. 了解电动势的测定及标准电池的作用； 3. 能熟练地计算电极和电池的电动势； 4. 了解电动势产生的机理和氢标准电极的作用； 5. 掌握电化学热力学并会计算热力学函数的变化； 6. 熟练掌握电动势测定的应用 |
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第十章 电解与极化作用 |
第一节 分解电压 第二节 极化作用 一、浓差极化； 二、电化学极化； 三、极化曲线； 四、氢超电势 第三节 电解时电极上的竞争反应 一、金属的析出与氢的超电势； 二、金属离子的分离； 三、电解过程的一些其它应用 第四节 金属的电化学腐蚀、防腐与金属的钝化 一、金属的电化学腐蚀； 二、金属的防腐； 三、金属的钝化 第五节 化学电源 一、燃料电池； 二、蓄电池 |
1. 了解分解电压的意义； 2. 了解极化现象、超电势、极化作用的种类以及极化曲线； 3. 了解氢超电势； 4. 了解电解的一般过程及其应用； 5. 了解金属腐蚀的机理及其防护； 6. 了解常见的化学电源 |
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第十一章 化学动力学基础（一） |
第一节 化学动力学的任务和目的 第二节 化学反应速率的表示法 第三节 化学反应的速率方程 一、基元反应和非基元反应； 二、反应的级数、反应分子数和反应的速率常数 第四节 具有简单级数的反应 一、一级反应； 二、二级反应； 三、三级反应； 四、零级反应和准级反应； 五、反应级数测定法 第五节 几种典型的复杂反应 一、对峙反应； 二、平行反应； 三、连续反应 第六节 温度对反应速率的影响 一、Arrhenius 经验式； 二、反应速率与温度关系的几种类型 第七节 链反应 一、直链反应； 二、支链反应 |
1. 掌握宏观动力学中的一些基本概念； 2. 掌握具有简单级数的反应和三种典型的复杂反应的特点； 3. 掌握温度对反应速率的影响； 4. 掌握 Arrhenius 公式和活化能的含义； 5. 掌握链反应的特点和从反应机理推导速率方程的方法 |
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第十二章 化学动力学基础（二） |
第一节 碰撞理论 一、双分子的互碰频率和速率常数的推导； 二、概率因子 第二节 过渡态理论 一、势能面； 二、由过渡态理论计算反应速率常数 第三节 单分子反应理论 第四节 在溶液中进行的反应 一、笼效应； 二、原盐效应 第五节 光化学反应 一、光化学反应与热化学反应的区别； 二、光化学反应的初级过程和次级过程； 三、光化学最基本定律； 四、量子产率； 五、光化学反应动力学； 六、光化学平衡和热化学平衡； 七、感光反应和化学发光 第六节 催化反应动力学 一、催化剂与催化作用； 二、均相酸碱催化； 三、络合催化； 四、酶催化反应 |
1. 了解目前较常见的速率理论； 2. 了解微观反应动力学的发展概况； 3. 了解溶液反应的特点； 4. 了解光化学反应的基本理论； 5. 了解催化反应的机理和催化剂的类型 |
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第十三章 表面物理化学 |
第一节 表面张力及表面 Gibbs 自由能 一、表面张力； 二、表面热力学的基本公式； 三、界面张力与温度的关系； 四、溶液的表面张力溶液浓度的关系 第二节 弯曲表面上的附加压力和蒸气压 一、弯曲表面上的附加压力； 二、 Young-Laplace 公式； 三、 Kelvin 公式 第三节 溶液的表面吸附 一、Gibbs 吸附公式 第四节 液 -- 液界面的性质（学时） 一、液 -- 液界面的铺展； 二、单分子表面膜； 三、表面压 第五节 膜 一、L-B 膜的形成； 二、生物膜简介 第六节 液 — 固界面 一、粘湿过程； 二、 浸湿过程； 三、铺展过程； 四、接触角与润湿方程 第七节 表面活性剂及其应用 一、分类； 二、在水中的溶解度； 三、一些重要作用及其应用 第八节 固体表面的吸附 一、固体表面的特点； 二、吸附等温线； 三、 Langmuir 等温式； 四、混合气体的 Langmuir 吸附等温式； 五、 Freundlich 等温式；六、 BET 多层吸附公式； 七、 Temknh 方程式； 八、吸附现象的本质； 九、化学热吸附； 十、影响气 -- 固界面吸附的主要因素； 十一、吸附等温线 第九节 气 -- 固相表面催化反应 一、化学吸附与催化反应； 二、气 -- 固相表面催化反应速率 |
1. 理解表面张力和表面 Gibbs 自由能的有关概念，会使用 Young-Laplace 公式和 Kelvin 公式； 2. 掌握 Gibbs 等温式的表达形式、各项物理意义和简单计算； 3. 了解表面活性剂的机理； 4. 了解吸附和润湿的类型； 5. 了解化学吸附与物理吸附的区别以及化学吸附与多相催化反应的关系 |
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第十四章 胶体分散系统和大分子溶液 |
第一节 胶体和胶体的基本特征 一、分散系统的分类； 二、胶团的结构 第二节 溶胶的制备和净化 一、溶胶的制备； 二、溶胶的净化； 三、溶胶的形成条件和老化机理； 四、均分散胶体的制备和应用 第三节 溶胶的动力学性质 一、 Brown 运动； 二、扩散和渗透压； 三、沉降和沉降平衡 第四节 溶胶的光学性质 一、Tyndall 效应和 Rayleigh 公式 第五节 溶胶的电学性质 一、电动现象； 二、电泳； 三、电渗； 四、沉降电势和流动电势； 第六节 双电层理论和ζ电势 第七节 溶胶的稳定性和沉聚作用 一、溶胶的稳定性； 二、影响沉聚作用的一些因素； 三、溶胶稳定性的DLVO理论大意； 四、高分子化合物对溶胶的絮凝和稳定作用 第八节 乳状液 一、两种乳状液； 二、乳化剂的作用； 三、乳状液的不稳定性 第九节 凝胶 一、分类； 二、形成； 三、性质 第十节 大分子溶液 一、大分子溶液的界定； 二、聚合物的分级 第十一节 Donnan 平衡和聚电解质溶液的渗透压 一、 Donnan 平衡； 二、聚电解质溶液的渗透压 |
1. 了解有关胶体的一般概念； 2. 了解胶体的动力学、光学、电学等性质； 3. 了解影响胶体稳定性的因素； 4. 了解乳状液、乳化剂及其应用； 5. 了解凝胶与大分子溶液的有关知识； 6. 了解 Donnan 平衡 |
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十、 教学方法
《物理化学I》系列课程每学年面向应用化学、材料化学等专业120名左右学生开设课程。在教学实践中引进先进的教学方法和教学手段，尊重学生的主体地位，充分调动他们的学习积极性，以利于学生准确地掌握所学知识，促进学习迁移，增加学习的有效性，使他们在知识、能力、素质几方面均有所提高。
（1）在《物理化学》理论课教学中重视研究性学习、探究性学习、协作学习等现代教育理念在教学中的应用，倡导启发式教学和研究性学习，不断探索教学方法，通过设计课堂提问、课堂讨论、查阅资料、撰写小论文等形式，充分调动学生在教学活动中的主动性和积极性，促进学生积极思考，使学生由被动地接受知识到主动地获取知识，并尝试用物理化学的理论知识解释生活、生产、科研中的相关问题和现象，促进学生学习能力的发展。
（2）在《物理化学》理论课教学中重视教育新技术的应用和教学方法的改革，购买了《物理化学教程》的CAI课件和《物理化学》电子教案，在教学实践中灵活运用多媒体辅助教学，充分发挥CAI课件知识密集、交叉性、智能化等特点，扩大学生的知识面；利用多媒体电子课件生动、形象地体现教学内容，有效调动学生积极参与学习，促进学生积极思考，提高学生的自学能力，使他们的学习方法和思维特征能跟上信息时代的步伐，取得了良好的教学效果。
十一、 考核及成绩评定方式
由平时成绩（包括课外习题、小论文、出勤、课堂讨论）、考试（包括期中考试、期末考试）组成。
在《物理化学》理论课教学中，结合每章教学内容布置1-2次作业。作业全批全改，成绩登记在记分册上；考试分为期中考试和期末考试，期中考试为100分钟闭卷考试，期末考试为120分钟闭卷考试，考题中基础性知识题目占60%-70%，综合性题目占20%-30%，提高性题目占10%，总分100分。课程总成绩中，出勤占10%，作业、小论文及查阅资料的成绩占20%，考试成绩占70%。
大纲制定人：高文亮
大纲审定人：法焕宝
制定时间：2014-3-25
