物理化学A教学大纲

1 物理化学A 教学大纲 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AI 学分数3 周学时3 总学时54

绪论（2学时） 内容提要：物理化学的内容、特点及本课程的学习方法。 讲课要点： 0-1物理化学的内容 0-2物理化学的学习方法

第一章 量子化学基础（9学时） 内容提要： 现代化学从分子和原子水平上认识物质本质和化学反应规律的基本理论基础是量子力学。因此本章中将介绍物理化学中涉及到的量子力学基本原理和基础知识，例如微观粒子的波粒二象性、测不准关系、量子力学基本假定和薛定谔(Schrödinger)方程, 以及用它们来处理微观物体运动的基本方法,并运用这些原理和方法讨论一些典型的简单体系。 学习要求：由于微观物体运动遵循量子力学， 所以掌握量子力学基础对学习有关微观结构和运动的章节非常重要。通过本章学习要求(1) 弄清微观粒子运动的基本特征以及与宏观物体运动规律的区别；(2) 了解量子力学的基本假定以及与此相关的波函数,力学量算符，本征值和平均值等概念；(3) 初步学会用量子力学研究微观物体(如电子、原子和分子等) 运动的方法(即根据研究对象及边界条件建立相应的量子力学运动方程-薛定谔方程,及对简单方程求解)。 2

讲课要点： 1−1 量子论的诞生 1−2 实物粒子运动状态−波函数 1−3 波函数的求解 1−4 简单体系

第二章 原子结构和原子光谱（8学时） 内容提要: 本章将应用量子力学基本原理和定态薛定谔方程讨论原子结构及有关的各种性质和原子光谱。其主要内容是: 以氢原子为例讨论单电子原子的薛定谔方程及其解，根据其解讨论原子中单电子空间运动波函数¾原子轨道的许多性质，如量子数、、的物理意义，波函数图象和电子云分布等；对于多电子原子结构将通过引进单电子独立模型讨论多电子原子中原子轨道的性质和它们的能量次序，并根据电子自旋和保里原理讨论核外电子排布和元素周期律；最后通过角动量耦合的方法介绍多电子原子状态和原子光谱项，讨论了微扰法的基本原理及其应用于原子光谱所得到的一些规律和性质。 目的要求: 通过本章学习要达到两方面的目的: ⑴ 进一步了解和熟悉用量子力学基本原理和薛定谔方程讨论微观体系运动的方法和步骤，包括对简单体系的精确解及微扰法等近似方法；⑵ 熟悉和掌握本章所得到的关于原子的电子结构以及有关性质的知识：如原子轨道概念;量子数、、和对应力学量关系;波函数图象和电子云分布；电子自旋和保里原理；核外电子排布规律和元素周期性；角动量加和规则和原子光谱项；原子光谱的选择定则，光谱特征和塞曼效应。 讲课要点： 2−1 单电子原子的薛定谔方程及其解 2−2 多电子原子的薛定谔方程及其解 2−3 电子自旋和核外电子排布规则 2−4 原子状态和原子光谱项

第三章 共价键理论和双原子分子结构（8学时） 内容提要：本章主要介绍现代化学键理论，分别从价键理论和分子轨道理论了解共价键的本质，并解释简单的双原子分子的结构。并对分子轨道理论和价键理论作适当的比较，以了解它们的异同。同时还介绍价键理论的一个重要补充—杂化轨道理论及其应用。 目的要求：化学键理论和分子结构是物理化学微观部分中的核心内容。通过本章的学习，（1）掌握分子轨道理论和价键理论的要点以及两个理论的区别和联系；（2）熟悉两个理论所给出的电子结构和分子性质的关系；（3）学会根据双原子分子的电子组态写出相应的光谱项。 讲课要点： 3−1 价键理论 3−2 分子轨道理论 3−3 双原子分子结构

第四章 分子对称性和群论（8学时） 内容题要：分子对称性和群论知识在应用量子化学原理计算或讨论分子性质时都3

非常重要。本章从分子立体结构着手介绍分子所具有的五类对称操作及其组合规律，从而引入群的概念，并着重讨论分子点群，在此基础上简要地介绍有关群论的初步知识，如群的表示、群表示的性质、特征标表以及在量子化学中的应用等。 目的要求：通过本章学习（1）熟悉分子所具有的五类对称操作及其组合规律,并掌握判断给定分子所具有的对称操作及所属点群的方法；（2）初步了解和掌握点群的特征标表及表示理论的简单应用，如利用特征标表约化可约表示，用投影算符构造对称性匹配函数等。 讲课要点： 4−1 对称元素和对称操作 4−2 分子点群 4−3 群表示理论 4−4 群论在化学中的应用

第五章 多原子分子结构（8学时） 内容提要：本章以分子轨道理论为主要依据讨论各种多原子分子的结构；并引入定域轨道概念作为分子轨道理论讨论定域化学键的补充。在讨论各类具体分子结构时，还将介绍由分子轨道理论发展而得的具体近似模型，如用休克尔(Hückel)分子轨道法(HMO)处理共轭分子结构,以配位场理论讨论配位化合物结构，以及原子簇化合物和结构规则等。最后一节将非常扼要地介绍一些常用的计算分子结构和性质的理论方法。 目的要求：通过本章学习（1）掌握用分子轨道理论处理各种类型分子结构的基本方法和处理各类特殊结构的具体理论方法(如HMO法，配位场理论) 以及由这些理论方法得到的重要结论；（2）进一步了解定域轨道的概念及与离域分子轨道关系；（3）熟悉各类化合物的分子结构与性质的关系；（4）了解常用的计算分子结构和性质的理论和具体计算方法。 讲课要点： 5−1 饱和多原子分子结构 5−2 共轭分子结构 5−3 缺电子分子和原子簇结构 5−4 配位化合物结构 5−5 量子化学计算方法和分子性质的计算

第六章 分子间相互作用（2学时） 内容提要: 本章主要介绍分子间的相互作用，首先介绍组成分子间这种弱相互作用的各种力的来源和相对大小，以及分子间相互作用能的构成和由此形成的分子半径。在此基础上介绍这种分子间相互作用在气相和液相中的表现以及由这种弱相互作用产生的超分子体系。 学习目的：（1）熟悉分子间相互作用力的产生原因和具体构成；（2）了解气体中的分子间相互作用和范德华方程以及实际气体和理想气体的差别与超临界现象；（3）液体中的分子相互作用和径向分布函数J(r)意义及计算方法；（4）了解分子组装和超分子结构以及它们的基本特征和相关性质。 讲课要点： 6−1 分子间作用力 4

6−2 气体中的分子相互作用 6−3 液体中的分子相互作用 6−4 超分子结构化学及分子组装

第七章 固体（10学时） 内容提要: 本章主要介绍几何晶体学和结晶化学的基础知识，其中包括介绍描写结构周期性的点阵和平移群的基本概念，晶体对称性以及分类方法，以及讨论各类化学键及相应的晶体结构与性能的关系。在此基础上，介绍实际固体的一些基本特征以及固体的若干性质。关于固体结构的实验方法将在下一章和其它微观结构的实验方法一起介绍。 学习目的：（1）掌握描述晶体结构周期性的基本理论和有关概念—点阵、平移群和晶胞；（2）熟悉各类晶体中可能存在的对称元素和以及按照对称性对晶体进行分类的方法—７个晶系、14种空间点阵型式、32点阵(对230空间群只要求一般了解)；（3）在此基础上了解各类晶体结构的化学键成因和晶体结构与其性能关系，以及实际固体的基本特征和性质。 讲课要点： 7−1 晶体结构的周期性 7−2 晶体结构的对称性 7−3 金属晶体 7−4 离子晶体 7−5 共价晶体和其它键型晶体 7−6 实际固体

第八章 微观结构测定的基本原理(1)—分子光谱 第九章微观结构测定的基本原理(2)—磁共振和其它 （以上二章在谱学导论讲授）

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