绪论

物质的变化形式包括物理变化和化学变化。任何化学变化的发生，总是伴随有物理变化，例如，化学变化中出现的热、电、光、声等物理现象。反之，物理变化也可能导致化学变化的发生，例如加热、通电、光照、电磁场等又可引起化学变化，或影响化学变化的进程。化学变化和物理变化有紧密的相互联系，人们在考察、研究这种联系的过程中，逐步形成了物理化学这门学科。

物理化学是化学学科的一个重要分支，是从物理变化和化学变化的联系入手，运用物理学的理论和手段探索化学变化的基本规律的一门学科。

一、物理化学课程的主要任务

物理化学课程的主要任务有以下三个方面。

1. 化学反应进行的方向和限度，是化学热力学要解决的问题

在一定条件下，一个化学反应能否发生？向哪个方向进行？进行到什么程度为止？外界条件如温度、压力、浓度等因素的变化对化学反应有什么影响？化学反应的热效应和可利用的能量是多少？这些问题都是化学热力学的研究范畴，它主要解决化学反应的方向和限度的问题，即化学反应的可能性问题。

2. 化学反应的速率和机理，是化学动力学研究的问题

解决化学反应的快慢和实现过程的具体步骤，外界条件（如浓度、温度、压力、催化剂等）对反应速率有何影响？反应的机理（历程）是什么？如何控制反应使之按预期的方式进行等问题。这类问题属于化学动力学的研究范畴，它主要解决化学反应的速率和机理问题，即化学反应的现实性问题。

3. 物质的结构与其性能之间的关系，是结构化学研究的内容

人们在实践中越来越感觉到仅仅认识物质的性质是远远不够的，只有从本质上弄清楚物质的内部结构与其性质的关系，才能真正理解化学变化的内因。现代生产和科技的发展，要求提供具有各种特定性能的材料，如耐高温、耐低温、耐高压、耐腐蚀性等材料。要解决这些问题，就必须了解物质内部结构与性质间的关系，从而探索、合成具有特殊功能的新材料。关于物质的微观结构的研究，构成了物理化学的第三部分内容，即结构化学。

根据高职高专人才培养目标的要求，本书只涉及前两部分内容。

二、物理化学与生物技术和制药工程

物理化学是一门重要的基础学科，内容严谨，逻辑性强，是研究化学变化规律的科学。在生物、电子和计算机时代，物理化学所具有的基础性、理论性、先导性和综合性的特点，使之成为生物技术和制药工程发展的一块重要基石，在生物化学、药物学、药物合成反应、药物过程原理与设备、化学制药工艺与反应器、现代药物分离与纯化技术等许多领域中起着重要的作用。例如生物化学中的生物合成、分解和相互转化中的能量转换规律，生物化学实验中的电泳法进行大分子物质的分离、制备等需要胶体化学知识。相平衡理论为制药过程中的精馏、吸收、萃取、干燥、结晶、冷却等单元操作打下了基础。非平衡态热力学的建立为说明生物进化、生命体的变化提供了理论基础。酶催化动力学、药物效应动力学、药物降解动力学、药物代谢动力学、污染物在环境中的运动迁移等研究更是直接采用了物理化学中化学动力学的理论和方法。模拟光合作用、模拟生物固氮等研究为生物技术的发展开辟了新的天地，而这些研究都离不开物理化学。总之，物理化学与制药工程、生物技术相互交叉、渗透、结合，发展出许多边缘学科，有了重大的突破。

三、物理化学的研究方法

物理化学是一门自然科学，一般科学研究的方法对物理化学都是完全适用的。如事物都是一分为二的，矛盾的对立与统一这一辩证唯物主义的方法；实践、认识、再实践这一认识论的方法；以数学及逻辑学为工具通过推理由特殊到一般的归纳及由一般到特殊的演绎的逻辑推理方法；对复杂事物进行简化，建立抽象的理想化模型，上升为理论后，再回到实践中加以检验这种科学模型的方法等，在物理化学的研究中被普遍应用。

热力学是以大量粒子组成的宏观系统作为研究对象，以经验概括出的热力学第一定律、热力学第二定律为理论基础，引出或定义了热力学能、焓、熵、亥姆霍兹函数、吉布斯函数，再加上p、V、T这些可由实验直接测定的宏观量作为系统的宏观性质，利用这些宏观性质，经过归纳与演绎推理，得到一系列热力学公式或结论，用于解决物质变化过程的能量平衡、相平衡和反应平衡等问题。这一方法的特点是不涉及物质系统内部粒子的微观结构，只涉及物质系统变化前后状态的宏观性质。实践证明，这种宏观的热力学方法是十分可靠的，至今未发现过实践中与热力学理论所得结论相反的情况。

化学动力学所用的方法则是宏观方法与微观方法的交叉、综合运用，用宏观方法构成宏观动力学，用微观方法则构成微观动力学。

四、物理化学课程的内容和学习方法

物理化学是化工、轻工、石油、冶金、材料、医药、环境、铸造和地质等专业的一门重要基础理论课。对于培养工程技术应用人才的高职高专院校来说，化学热力学和化学动力学应当是物理化学的两个重要内容，是解决生产实践和科学实验中有关化学过程的方向、限度、速率和机理问题所必需的基础知识。因此，热力学基础和化学动力学仍将在物理化学课程中占有相当重要的分量。化学平衡和相平衡是化学热力学原理对化学变化和相变化的具体应用，它们通过研究化学能与热能之间的转化规律解决这两种变化的方向和限度问题。研究化学现象与电现象之间关系的内容是电化学。物质当其处在两相界面或处于高度分散状态时，将表现出许多特殊的性质，这些现象已被广泛应用于化工、石油、轻纺、生物、制药和环境科学等领域。界面科学和胶体化学将介绍界面现象与分散现象的理论和实践。物理化学课程的上述内容主要涉及宏观领域的变化。近代自然科学的发展驱使物理化学从宏观深入到微观，以便逐步揭示宏观现象的微观本质。

与其他几门基础化学课相比，学生们普遍感到物理化学难学。其实，只要找到正确的学习方法，学好物理化学也是不难的。现针对本课程的特点，提出几点学习方法供读者参考。

（1）要准确理解基本概念　物理化学涉及很多概念，这些概念都是十分严格的。只有准确理解其真实含义和数学表达式，了解它们的使用范围才能正确地加以应用。

（2）要区别对待重要公式和一般公式　物理化学的公式比较多，学习时要区别哪些是重要公式，哪些是一般公式。重要公式是需要记住的，对一般公式只需理解它的推导过程，了解公式的适用条件，不要求强记。

（3）正确对待数学推导　物理化学相对于其他基础化学课来说，要较多地用到数学知识，应当始终明白，数学推导在这里仅仅是一种工具，不是目的。为了得到一个重要公式，一些数学上的演绎是必不可少的。但是，一定不要被推导过程所迷惑。重要的是搞清推导过程所引入的条件，因为这些条件往往就是最终所得公式的适用范围和应用条件，它比起推导过程本身要重要得多。

（4）认真进行习题演算　如果只阅读教科书而不做习题是学不好物理化学的，演算习题不仅可以帮助学生记住重要公式和熟悉其适用条件，锻炼运用公式的灵活性和技巧，更重要的是可加深对物理化学概念的理解。物理化学的某些概念是很抽象的，单靠文字定义很难理解它的含义。习题演算可以把抽象的概念具体化，而且同一概念可以在不同类型的习题中从多个角度去深入而全面地加以理解。因此，必须重视习题演算这一培养独立思考能力的环节。

（5）重视物理化学实验　物理化学是理论与实验并重的学科。实验课可进一步培养学生分析、解决实际问题的能力和独立工作能力，进而加深对抽象理论的理解。有的学校已将物理化学实验单独设课，足见其重要性。

物理化学的学习方法还有很多，这里不再赘述。读者可以在学习实践中总结一套适合自身特点的方法。