物理化学(09111)

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《物理化学》课程(09111)教学大纲 一、课程基本信息 课程中文名称:物理化学 课程编号:09111 学时/学分:3学分,54学时(其中理论课教学36学时,实验教学18学时) 课程性质:必修 授课对象:生物工程专业 二、课程教学目标与任务 1.课程性质: 物理化学是化学类(理科)专业和化工类(工科)的一门必修基础理论课。该学科综合运用数学、物理等基础科学的理论和实验方法来研究化学过程(包括化学变化、相变化和pVT 变化)中的平衡规律和速率规律,也为后续专业课程学习奠定基础。 2.课程目标与任务:本课程的任务是介绍化学热力学、统计热力学、溶液与相平衡、电化学、化学动力学、界面化学和胶体化学的基本原理、方法及其应用。涵盖从宏观到微观与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究,它是化学以及分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础,应用领域广泛。通过本课程的学习使学生在已学过一些先行课程的基础上,运用物理和数学的有关理论和方法,进一步学习和研究物质化学运动形式的普遍规律,掌握物理化学的基本理论内容,了解基本应用,熟悉科学研究规律,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,增强他们在教学与科研中分析问题与解决问题的能力。为了培养学生的独立工作能力,讲授基本内容应分清主次,在注意系统性的原则下,着重讲解教材的重点与难点,不需面面俱到,要“授之以渔而不是授之以鱼”。习题课是重要的教学环节,教师必须予以重视。 三、学时安排 课程内容与学时分配表 章 节 内容 学时 绪 论 2 第一章 热力学第一定律 4 第二章 热力学第二定律 4 第三章 化学势 4 第四章 化学平衡 4 第五章 多相平衡 2 第六章 电化学 6 第八章 表面现象与分散系统 4 第九章 化学动力学基本原理 4 第十章 复合反应动力学 2 总计 36 四、课程教学内容与基本要求 绪 论 教学目的:着重阐明物理化学的意义,介绍学习物理化学的方法。 基本要求: 1.了解物理化学的主要任务。 2.了解物理化学的研究方法和学习方法。 教学方法:讲授,课堂讨论 主要内容: 一、 物理化学基本内容简介 二、 学习物理化学的意义 三、 怎样学习物理化学 第一章 热力学第一定律 教学目的 通过本章的教学初步理解热力学的研究方法——状态函数法,并贯彻到整个化学热力学教学的始终。建立内能与焓是状态函数的概念及其物理意义,并理解状态函数的性质,理解热力学第一定律,并能应用于物理化学过程。 基本要求 1. 必须使学生弄清楚热力学的一些基本概念。 2. 应使学生知道热、功与内能这三者的区别与联系。 3. 必须使学生理解状态函数的意义及其数学性质。 4. 明确焓的定义及其意义,明确焓和内能一样也是状态函数。 5. 学生应熟练理想气体在等温、等容、等压及绝热过程中,ΔU、ΔH、W及Q的计算。 6. 理解盖斯定律是热力学第一定律的必然结果,理解基希霍夫公式的由来,并熟悉这两个定律的应用。 7. 可逆过程与可逆功是本章的一个重点与难点。学生必须较好地掌握这两个基本概念。 重点和难点: 1. 热力学基本概念 2. 封闭系统热力学第一定律 3. 过程热计算 4. 可逆过程与可逆体积功计算 教学方法:讲授法 主要内容 第一节 热力学第一定律 一、 热力学基本概念及术语 二、 热力学第一定律的表述与数学表达式 三、 Qv=ΔU,Qp=ΔH及H的定义 第二节 过程热的计算 一、 Cv.m与Cp.m Cp.m=f(T). Cp.m与Cv.m的关系 二、 由Cp.m计算Qp和ΔH, 三、 相变焓、相变过程、相变热的计算 四、 化学变化过程,化学反应热效应的计算 化学反应进展度,ΔrHθm、ΔfHθm与ΔcHθm由ΔfHθm计算ΔrHθm 由ΔcHθm计算ΔrHθm 基尔戈夫公式:ΔrHθm=f(T) 第三节 功的计算: 功的一般计算公式 W=-∫P环dv 理想气体的等温可逆过程与绝热可逆过程的功的计算。 其他常见过程功的计算。 第二章 热力学第二定律 教学目的 本章主要讨论系统变化过程的方向与限度,熵与熵增原理是本章的难点与重点。熵的统计意义能使学生初步理解熵与第二定律的微观含义。热力学第三定律为以后计等物质的规定熵与其他热力学函数提供根据。由于化学反应一般可控制在恒温恒压下进行,所以吉布斯函数的使用也是本章的重要内容之一。 基本要求 1.了解一切自发过程的共同特征,明确热力学第二定律的意义。 2.明确从卡诺热机得出克劳修斯不等式的重要性与熵函数的概念。 3.熟记并理解热力学函数S、A、G的定义与各热力学函数的关系。 4.明确每一热力学函数只是在各自特定条件下才能作为过程进行方向与限度的判据,熟练ΔS和ΔG的计算与应用。 5.熵的统计意认和热力学第三定义只作一般性了解。 6.第二定律的应用举例——克拉贝龙方程 重点和难点 1. 熵函数,熵判据,熵差的计算 2. 亥氏函数、吉氏函数,ΔG和ΔA判据 3. 热力学基本方程,麦克斯韦关系式 教学方法:讲授法 主要内容 第一节 卡诺循环 第二节 自发过程的共同特征 第三节 卡诺定理与热力学第二定律,熵增原理 第四节 熵函数,熵判据 第五节 各种典型过程熵变的计算 第六节 热力学第三定律,规定熵与标准熵 第七节 亥姆霍兹函数与吉布斯函数 ΔA与ΔG判据 一些基本过程ΔG的计算与应用 第八节 热力学基本方程与麦克斯韦关系式,吉布斯——亥姆霍兹方程 第九节 第二定律应用举例——克拉贝龙方程及其应用 第三章 化学势 教学目的: 本章讨论多组分系统热力学,使学生理解偏摩尔量的概念与意义,进而引入化学势这个讨论敞开系统与多组分系统非常重要的函数;理想液态混合物,拉乌尔定律,享利定律的意义;实际溶液与理想液态混合物和理想稀溶液的区别;稀溶液的依数性;活度与活度系数的概念与意义,以及标准态的选用。 基本要求 1. 必须使学生理解多组分系统引入偏摩尔数量的原由,掌握偏摩尔数量的定义及其与化学势的关系。对集合公式只要了解其物理意义与用途。 2. 化学势是一个非常重要的概念,通过教学使学生理解如何由ΔG判据过渡到化学势判据,掌握化学势的表示式,理解化学势表示式的应用。 3. 掌握理想液态混合物。理想稀溶液与实际溶液的区别与关系,加深对拉乌尔定律与享利定律的理解及其应用及稀溶液的依数性 4. 活度的概念与标准态的选用是本章的难点,使学生了解这两个概念及其意义。 重点和难点 1. 拉乌尔定律与享利定律 2. 稀溶液的依数性 教学方法:讲授法 主要内容: 第一节 复习组成的表示法 第二节 偏摩尔数量 一、 偏摩尔数量 二、 偏摩尔数量的集合公式 第三节 化学势的定义与各类系统,化学势的表示式。化学势判据。 第四节 拉乌尔定律与享利定律 第五节 理想液态混合物的定义及其特征 组成理想液态混合物过程中,系统的诸类热力学函数的改变量。 第六节 稀溶液的定义及其依数性 第七节 实际溶液的活度和活度系数、标准态 第四章 化学平衡 教学目的 本章根据热力学的平衡条件,由化学势的表示式得出理想气体化学反应的等温方程,并根据物质的标准热力学函数值计等化学反应的标准常数,再进一步讨论压力、温度、惰性组分等对平衡的定量影响。 基本要求 1. 从热力学平衡条件及化学势表示式导出化学反应等温方程,以及正确理解该方程的意义是本章的重点。 2. 熟练标准平衡常数与平衡组成的计算。 3. 熟练理想气体反应的Kθ、Kθp、Kc、Ky和Kn的换算。 4. 理解ΔfGθm、ΔrGθm和ΔrGm的意义,掌握利用ΔfGθm计算ΔrGθm;利用ΔfHθm,Sθm计算 ΔrGθm及ΔrGθm=-RTlnKθ的计算。 5. 了解从吉布斯——亥姆霍兹方程推导化学反应的等压方程的思路。熟练该议程的有关计算。 6. 熟悉一些因素对反应平衡的定量影响 7. 了解同时平衡组成的计算 8. 了解实际气体反应、及溶液中反应的热力学处理方法 重点和难点 1. 标准平衡常数与平衡组成的计算 2. 标准平衡常数与温度、压力的关系及惰性气体对平衡组成的影响,计算方法 3. 根据标准热力学常数计算平衡常数 教学方法:讲授法 主要内容 第一节 Kθ与反应等温方程式 一、 mrG )(BGrGmfBm 二、 KRTrGmln 三、 ΔrGθm=-RTlnKθ ,ΔrHθm=Δ)(BHmfB;)(BSSmBmr 四、 mmrmrSTHrG 第二节 有关标准平衡常数的计算与应用 一、Kθ的实验测定法 二、理想气体反应的Kθ、Kp、Kθc、Ky和Kn之间的关系 三、复相反应的平衡问题 第三节 一些因素对化学平衡的影响 一、温度对化学平衡的影响Kθ=f(T) 二、压力对化学平衡的影响 三、惰性组分对平衡转化率的影响 四、反应物配比对平衡转化率的影响 第四节 同时平衡 第五章 多相平衡 教学目的 本章用热力学方法讨论相平衡系统的一般规律。学习一些典型相图的制法,分析与应用。相律与相图分析及应用是本章的主要内容。 基本要求: 1. 明确相数、组分数和自由度数的概念,了解相律的推导与物理意义,学会以相律指导看相图。 2. 了解绘制相图的常用方法,能根据热分析方法绘制出步冷曲线而得出相图。 3. 能应用相律来说明相图中点线面的意义,并能根据相图说明系统在不同变化中所发生相变化的情况。(包括杠杆规则的使用)。 重点和难点 1. 相率 2. 克劳修斯-克拉贝龙方程 3. 完全及部分互溶双液系相图 4. 简单低共熔物的相图 教学方法:多媒体与讲授相结合的方法 主要内容: 第一节 相律f=C-Φ+2 第二节 单组分系统相图。 第三节 二组分气液平衡相图及杠杆规则 一、 二组分理想液态混合物的气——液平衡相图 二、 二组分真实液态混合物的气——液平衡相图 三、 精馏原理,掌握精馏的结果 四、 二组分液态部分互溶系统及完全不互溶系统的气液平衡相图。水蒸气蒸馏。 第四节 二组分系统液——固平衡相图 一、 二组分固态不互溶凝聚系统相图 (一)相图分析 (二)热分析法制相图及溶解度法制相图 (三)重结晶原理 二、 二组固态互溶系统相图 (一)固态完全互溶系统相图 (二)固态部分互溶系统相图