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  徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

以物理的原理和实验技术为基础的物理化学初探

徐州市第一中学 高二（21）陈静远

摘要

物理化学是化学学科的理论基础，可以说物理化学发展的水平反映了化学学科发展的深度。同时，物理化学又吸收了物理学和数学的研究成果，逐渐形成了许多新的分支学科，其基本原理不仅对化学各学科，而且对非化学学科都有理论指导作用。本文从物理化学的基本概念、原理与在生活中的具体应用以及未来的发展趋势对着这一门比较边缘的学科做一个初步的探索。

关键词：诺贝尔奖化学基因编辑技术基因剪刀

引言

物理化学是研究化学学科中的原理和方法、研究各种体系化学行为最一般规律和理论的学科，是化学的理论基础。具体来讲，物理化学是以物理的原理和实验技术为基础，从宏观唯象到微观分子层面研究物理变化包括温度、压力、浓度、体积等以及物理因素如声、光、电、磁等对化学过程的影响，发现并建立化学体系中一般规律的学科。因此，物理化学也是一切与分子科学相关科学问题的基础科学。物理化学是物理与化学交叉融合的产物，是联系物理与化学的纽带。

正文

一、物理化学的基本概念

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中特殊规律的学科。随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗透，物理化学与物理学、无机化学、有机化学在内容上存在着难以准确划分的界限，从而不断地产生新的分支学科，例如物理有机化学、生物物理化学、化学物理等。物理化学还与许多非化学的学科有着密切的联系，例如冶金学中的物理冶金实际上就是金属物理化学。

二、发展历程

物理化学作为一门学科的正式形成，是从1887年德国化学家奥斯特瓦尔德和荷兰化学家范托夫创刊的《物理化学杂志》开始的。从这一时期到20世纪初，物理化学以化学热力学为重点。热力学第一定律和热力学第二定律被广泛应用于各种化学体系。吉布斯对多相平衡体系的研究和范托夫对化学平衡的研究，阿伦尼乌斯提出电离学说，能斯特发现热定理都是对化学热力学的重要贡献。

20世纪20～40年代是结构化学领先发展的时期，这时的物理化学研究已深入到微观的原子和分子世界，改变了对分子内部结构的复杂性茫然无知的状况。

1926年，量子力学在物理学中掀起了高潮，对物理化学研究也有很大的冲击。1927年，海特勒和伦敦对氢分子问题的量子力学处理，为1916年路易斯提出的共享电子对的共价键概念提供了理论基础。1931年鲍林和斯莱特把这种处理方法推广到其他双原子分子和多原子分子，形成了化学键的价键方法。

第二次世界大战后到60年代期间，物理化学以实验研究手段和测量技术，特别是各种谱学技术的飞跃发展和由此而产生的丰硕成果为其特点。电子学、高真空和计算机技术的突飞猛进，不但使物理化学的传统实验方法和测量技术的准确度、精密度和时间分辨率有很大提高，而且还出现了许多新的谱学技术。光谱学和其他谱学的时间分辨率和自控、记录手段的不断提高，使物理化学的研究对象超出了基态稳定分子而开始进入各种激发态的研究领域。

60年代，激光器的发明和不断改进的激光技术。大容量高速电子计算机的出现，以及微弱信号检测手段的发明孕育着物理化学中新的生长点的诞生。

70年代，分子反应动力学、激光化学和表面结构化学代表着物理化学的前沿阵地。研究对象从一般键合分子扩展到准键合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化学计量化合物。在实验中不但能控制化学反应的愠度和压力等条件，进而对反应物分子的内部量子态、能量和空间取向实行控制。在理论研究方面，快速大型电子计算机加速了量子化学在定量计算方面的发展。

三、我国物理化学的起源

我国的物理化学发展起源于日本的翻译本，大幸勇吉于1899年出版的《近世化学教科书》是第一个通过译本把物理化学知识介绍到我国的，《化学新理》、《近世化学教科书》都是不同译本，均以很大篇幅较为详细地介绍了电离理论、溶液依数性等当时尚属新颖的知识。自1900年以后，物理化学一些基本的理论开始进人我国。1910年以后留欧学生陆续回国，他们的工作才使物理化学逐渐被纳人我国的科学教育与研究体制，最终形成了一个独立的自然科学学科。

中国物理化学的发展历史，以1949年中华人民共和国成立为界，大致可以分为两个阶段。在30～40年代，尽管当时物质条件薄弱，但老一辈物理化学家不仅在化学热力学、电化学、胶体和表面化学、分子光谱学、X射线结晶学、量子化学等方面做出了相当的成绩，而且培养了许多物理化学方面的人才。

四、主要研究内容

物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面：一是化学体系的宏观平衡性质　以热力学的三个基本定律为基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡态物理化学性质及其规律性。由于以平衡态为前提，时间不再是变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学、化学统计力学、溶液化学、胶体化学和表面化学。二是化学体系的微观结构和性质　以量子力学为理论基础，研究分子、分子簇和晶体的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性之间的关系与规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学、晶体化学和量子化学。三是化学体系的动态性质　研究由于化学或物理因素的扰动而引起的体系的化学变化过程速率和变化机理。此时，时间是与过程密切相关的重要变量之一。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、化学动态学、催化科学与技术、光化学、电化学、磁化学、声化学、力化学等。

在理论研究方面，快速大型电子计算机和数值方法的广泛应用，扩展了量子化学在定量计算方面的能力。研究对象不仅涉及大分子，还可用以模拟复杂体系的动态过程。

五、物理化学在实际生活中的应用

很多同学在物理化学的学习过程最大的反馈是，脱离生活，好像跟实际没有关系。其实物理化学和实际的生产生活是密切关联的，它可以解释我们生活中很多常见现象，比如融雪天比下雪天感觉更冷。就是根据物理化学的热力学原理：融雪过程需要从环境吸热，融雪天空气湿度大，人体向外散热速度也快；比如炎炎盛夏，在河边走为什么感到凉爽？是因为因水的热容比空气的热容大，接受同样的热能，水的温度较低，且水蒸发吸热，也使水温降低。由于河水温度较低，河边空气会有部分热量传递给河水，这样河边空气温度稍低，感觉自然凉爽些，比如夏天为什么容易易中暑，是因为根据非平衡态热力学，外熵流不畅导致体内积熵而引起疾病。比如冬天水蒸气在高空凝结成规则的六角形雪花是物理化学中的耗散结构、自组织现象。将物理化学应用到我们的实际生活中，会增加我们学习的乐趣与兴趣。

六、发展趋势

21世纪被称为是生命的世纪，生命科学在20世纪后期已经发展成为带头学科。物理化学的作用从社会层面上看，有被“淡化”、“边缘化”和“模糊化”的趋势，人们认为化学正从认识、控制和改变客观世界的中心科学的地位退后。但没有独立于化学物质之外的生命物质，,也没有独立于化学过程之外的生命过程。21世纪的化学将愈来愈需要化学，而化学也将愈来愈靠近生命科学。作为化学的理论基础，物理化学对化学的发展起着核心推动的作用，并成为许多其他学科攻坚科学难关的武器库。随着学科间的交流和渗透的日益密切，其他学科应用物理化学方法日益普遍，从诺贝尔化学奖颁发的一百多年的历史可以发现,和物理化学相关的课题占化学奖的大多数，物理化学家占了很大比例。由此可见,物理化学学科自身及其培养出来的人才，在重大科学发现中扮演了关键的角色。生命、能源、材料、环境等与化学的关联，也是在物理化学的层面上发生的。这些学科的发展都离不开物理化学在原子、分子水平上进行的结构化学、量子化学、分子反应动力学、化学热力学、催化化学、电化学、胶体化学与光化学等多种基础研究。因而,物理化学需持续不断地为相关学科提供新思想和新方法，发挥其对化学以及其他原子、分子层次上的学科的牵引与支撑作用。物理化学在不断地扩充化学研究领域的过程中，在促进相关学科发展的同时，才能日益强盛。

结束语

21世纪，随着各种实验和理论研究手段和研究方法的进步，物理化学的研究内容将更加丰富多彩，研究层次将进一步拓宽，几乎渗透到了物质科学和生命科学研究、工业和国防技术发展、生命、健康和环境等社会可持续发展相关的研究和技术发展的各个方面。从目前的发展趋势上看，从只注重研究原子层次和分子层次的反应和变化规律，发展到超分子层次、多分子聚集态层次,出现超分子化学、介观聚集态化学、宏观聚集态化学、复杂体系的化学等新分类。物理化学与生命科学交叉，出现化学化学，与材料科学交叉，出现纳米化学，与资源和环境科学交叉，出现绿色化学，与数学、信息和生命科学交叉，出现化学信息学等。作为联系物理与化学的纽带，物理化学的角色不会变，而且其内容将更丰富，作用将更大。

参考文献：

[1]张藜.《化学新理》──物理化学在中国传播的起点[J].中国科技史料,2006(01):92-95.

[2]霍瑞贞，《物理化学学习与解题指导》，广州:华南理工大学出版社，2010

[3]傅献彩，沈文霞，姚天扬等，《物理化学》第五版(上册)、北京高等教育出版社，2015