50.2物理化学的目的和内容3 人们对客观世界的认识不断朝着宏观和微观两个层次深入发展，所谓宏观 是指研究对象的尺寸很大，其下限是人的肉眼可见的最小的物体（约1μm,上限 是无限的)，所谓微观是指上限为原子、分子（下限也是无限的）。直到20世纪 80年代，人们才发现，介于宏观与微观之间的领域，即介观领域被忽视了。在这 个领域中，三维尺寸都很小的细小系统出现了既不同于宏观物体，又不同于微观 系统的奇异现象，纳米系统就属于这个范围，1~100nm的微小系统已经成为材 料学、化学、物理学等学科的前沿研究热点和相邻学科的交叉点。 在众多的学科分支中，当代最受人们重视的问题有：催化基础的研究，原子 簇化学的研究，分子动态学的研究，生物大分子和药物大分子的研究，这些领域 常被人们看作是化学的前沿阵地。 在大体了解化学的发展趋势和特点之后，使我们对物理化学在整个化学学 科中的地位和作用，更加有了明确的认识 §0.2物理化学的目的和内容 现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科。 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 以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础。 化学与物理学之间的紧密联系是不言而喻的。化学过程总是包含或伴有物 理过程。例如，化学反应时常伴有物理变化如体积的变化、压力的变化、热效应、 电效应、光效应等，同时，温度、压力、浓度的变化、光的照射、电磁场等物理因素 的作用也都可能引起化学变化或影响化学变化的进行。另一方面，分子中电子 的运动，原子的转动、振动，分子中原子相互间的作用力等微观物理运动形态，则 直接决定了物质的性质及化学反应能力。人们在长期的实践过程中注意到这种 相互联系，并且加以总结，逐步形成一门独立的学科分支叫做物理化学。物理化 学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化基本规律的 门科学，在实验方法上也主要是采用物理学中的方法。 一切学科都是为了适应一定社会生产的需要而发生和发展起来的。不同的 历史时期则有不同的要求。化学已经成为一门中心学科，它与社会多方面的需 要有关。 作为化学学科的一个分支，物理化学自然也与其他学科（如生命科学、材料 科学等)之间有着密不可分的联系。这主要是因为物理化学是化学学科的理论 基础，它的成就（包括理论和实验方法）大大充实了其他学科的研究内容和研究 方法。这些学科的深入发展，已经离不开物理化学。 物理化学作为化学学科的一个分支，它所担负的主要任务是探讨和解决下
4在都 列几个方面的问题： (1)化学变化的方向和限度问题一个化学反应在指定的条件下能否朝着 预定的方向进行？如果该反应能够进行，则它将达到什么限度？外界条件如温 度，压力、浓度等对反应有什么影响？如何控制外界条件使我们所设计的新的反 应途径能按所预定的方向进行？对于一个给定的反应，能量的变化关系怎样？ 它究竟能为我们提供多少能量？研究这一类问题是属于化学热力学的范畴，它 主要解决变化的方向性问题，以及与平衡有关的一些问题。化学热力学也为设 计新的反应、新的反应路线提供理论上的支持。 (2)化学反应的速率和机理问题一个化学反应的速率究竞有多快？反应 是经过什么样的机理（或历程）进行的？外界条件（如温度、压力、浓度、催化剂 等)对反应速率有什么影响？怎样才能有效地控制化学反应、抑制副反应的发 生，使之按我们所需要的方向和适当的速率进行，以及如何利用催化剂使反应加 速等等。研究这一类的问题构成物理化学中的另一个部分即化学动力学。它主 要是解决反应的速率和历程问题。 (3)物质结构和性能之间的关系物质的性质从本质上说是由物质内部的 结构所决定的。深人了解物质内部的结构，不仅可以理解化学变化的内因，而且 可以预见到在适当外因的作用下，物质的结构将发生怎样的变化。根据研究此 类问题的方法和手段，又可区分为结构化学和量子化学两个分支。结构化学的 目的是要阐明分子的结构，如研究物质的表面结构、内部结构、动态结构等。由 于新的测试手段不断出现，测试的精度日新月异，如探素生物大分子、细胞、固体 表面的结构等提供了有力的工具。量子化学是量子力学和化学相结合的学科， 对化学键的形成理论以及对物质结构的认识起着十分重要的作用。特别是有了 电子计算机之后，通过对模型进行模拟计算，了解成键过程，从而可进行分子设 计。 以上三个方面的问题往往是相互联系、相互制约，而不是孤立无关的。 §0.3物理化学的研究方法 物理化学是自然科学中的一个分支，它的研究方法和一般的科学研究方法 有着共同之点。在实践过程中，人们一方面积累了大量的实际知识，另一方面也 不断出现大量的有待解决的问题。为了解决这些问题需要探讨事物的内在联 系。人们在已有知识的基础上，进行了有计划的实验。实验的重要性在于通过 实验可以人为地控制一些因素和条件，把自然过程有意识地予以简化，这样就有 可能忽略次要因素，抓住其中的主要矛盾，从复杂的现象中找出规律性的东西 来。根据实验可以归纳出若干经验定律，然后再对这些定律进一步做出解释或
Q S0,3物理化学的研究方法5 说明。人们利用已有的知识，通过思维、判断和推理，提出假说或建立模型以说 明现象发生的原因。根据假说可以进一步预测新的性质和规律，并有针对性地 设计新的科学实验。如果这些推论以及新的实验结果和客观事实符合，则假说 能成为公众所能接受的理论。归纳法(induction method)和演绎法(deduction method)作为普遍使用的一对逻辑方法，在化学研究中得到广泛应用。归纳是 从个别到一般，由事实到概括。而演绎则是指这样的推理过程，即从一般推到个 别的思维过程。当实验中发现的事实（包括现象和结果）用以往的理论不能解释 时，就需要根据新的事实，提出新的理论。而新的理论又必须经过新的实验的考 验，整个过程就是一个创新的过程，用通俗的话来说就是要“大胆假设，小心求 证”。所谓“大胆”就是要具有科学家的创新精神，根据事实勇于提出新的见解 并且勇干接受公众的科学考验。没有创新就没有前进。任何理论在形成之后 都必须继续受到实践的考验和小心求证，才能不断地充实发展。实践是检验真 理的惟一标准，此外再无别的标准。这在自然科学的发展史上是显而易见的普 通常识。人们的认识就是按照“实践、认识、再实践、再认识”的这一形式，往复循 环以至无穷。而实践和认识的每一循环的内容，都比较地进到了高一级的程度 这就是辩证唯物论的认识论，一切科学的认识过程都符合这一规律，物理化学当 然也不例外。 21世纪将是信息科学，合成化学和生命科学共同繁荣的时代，也是人类理 性高度发展的时代，人们的一切活动，都需要用科学技术来武装，需要用一定的 科学方法去认识世界。我们研究的对象大到天体，小到原子内部的微观世界，仅 仅依靠经验已无济于事，而必须采用一定的科学方法。化学研究的对象主要是 分子、原子，而分子、原子一般是不能直接用肉眼看到的，这就需要用思维去把 握，并采用合理的方法，例如用模型使其具体化（理想气体、理想溶液就是实际气 体和实际溶液的模型)。我们实际上直接接触的对象都是大量粒子（分子或原 子)的集合体，只能采用宏观的方法(macroscopic method)或统计的方法(statis tic method),而研究分子、原子内部的运动状态，则只能用微观的方法(micro scopic method) 一般说来，对自然科学的研究方法有：实验的方法、归纳和演绎的方法、模型 化方法、理想化方法、假设的方法、数学的统计处理方法等等，虽然化学研究的对 象与其他科学不尽相同，但这些方法在物理化学领域中依然是通用的。 例如，在化学热力学中，是以经验概括的两个定律（即热力学第一定律和热 力学第二定律)为基础，经过严密的逻辑推理建立了几个热力学函数，解决了化 学变化的方向和平衡条件的问题。化学的研究对象是大量分子（或原子）的集合 体，需要用统计的方法，从而又产生了统计热力学和分子运动的理论。 化学方法论之所以在化学认知、化学发展和化学理论的建立中起着重要的
6黄范游 作用，正是由于它体现了从简单到复杂、从低级到高级的认识活动次序，或从问 题的提出，明确研究对象，进行实验考查，提出化学假说和检验化学理论的认识 过程，从而对新的事物或问题能指明研究的途径和方法，以避免错误，少走弯路。 在物理化学的学习过程中，我们能学到前人处理问题的许多方法。了解这些方 法，在我们今后的工作中能起到重要的作用。 过去我们一般对化学方法的认识不够充分，实际上化学知识和化学方法是 构成化学的两大部分。一部化学史表明无论是较早期的Lavoisier(拉瓦锡)、 van't Hoff(范特霍夫)和Dalton(道尔顿)，还是近代的Pauling(鲍林)、福井谦 和Prigogine(普里高津)等有造诣的科学家，他们不仅有渊博的科学知识，而且 在化学方法上都各有创新，各有独到之处。近年来在一些新兴的学科中，系统 论、信息论和控制论等越来越引起化学研究工作者的重视。如果说思维工具（即 化学思维逻辑)是化学方法中的“软件”，则技术工具就是化学方法中的“硬件”。 只有两者结合互补，才能开拓化学研究的新领域。 §0.4物理化学课程的学习方法 物理化学课是化学化工学院各专业的一门重要基础课程，学习这门课程的 目的，主要是： (1)进一步扩大知识面，打好专业基础。了解化学变化过程中的一些基本 规律。加深对先行课如无机化学（普通化学）、有机化学、分析化学的理解，做到 知识面要宽、基础要深。在基础的物理化学课程中，重点在于掌握热力学处理问 题的方法和化学动力学的基本知识，了解动力学的一些新进展。 (2)进一步培养自己的独立工作能力，提高自学的能力。学习前人提出问 题、考虑问题和解决问题的方法。逐步培养独立思考和独立解题的能力。 关于如何学习物理化学这门课程，可以提出如下儿点，供读者参考（读者可 以结合自己的具体情况灵活掌握)。 (1)学习过程中要抓住每一章的重点。在学习每一章时要明确了解这一章 的主要内容是什么，要解决什么问题，采用什么方法解决，根据什么实验、定律和 理论，得出什么结果，有什么用处，公式的使用条件是什么？等。这些问题在开 始学习某一章时，可能还不能窥其全貌，但在每章学完之后，则应对上述问题有 明确的了解。 (2)物理化学课程中的公式，相对于前几门先行课来说，无疑是较多一些。 要注意数学推导过程只是获得结果的必要手段，而不是目的，不要只注意繁杂的 推证过程，而忽视了结论的使用条件（这些条件往往是推导过程中所引进去的） 以及其物理意义
Q课外参考读物 7 除了重要的公式外，对一般公式及其推导过程，仅要求理解而一般不要求强 记。 (3)课前自学，听课要记笔记，对重要内容要用自己的语言简明扼要记录下 来。经验证明，记笔记可以使注意力更加集中，锻炼手脑并用，使思维处于活跃 状态。 (4)注意章节之间的联系，把新学到的概念、公式与已经掌握的知识联系起 来。在每次听课之前，应复习前次课程的内容，不积压。学习任何一门课程都是 这样，只有通过前后联系，反复思考，才能逐步达到较为熟习或融会贯通的境界。 (5)重视习题。习题是培养独立思考问题和解决问题必不可少的环节之 一。通过解题可以检查对课程内容的理解程度或加深对课程内容的理解。 在物理化学中任何有价值的理论，其提出和建立都具有生产实践和科学实 验的基础，并能对实践起指导作用。科学的发展总是反复不断的经历“知识的积 累和飞跃”两个阶段，对于一个人的成长来说，同样有了积累，才能为今后的飞跃 创造条件。就像一个熟练的老工人一样，他熟悉每一个零件的性能，机器出了毛 病，他非但能很快地找出毛病之所在予以修理，而且他有能力利用各种零件重新 创造性地组装一部性能更好的新的机器。我国著名数学家华罗庚教授曾说过： “在中学时，别人花一小时，我就花两小时。而到工作的时候，别人花一小时能解 决的问题，我有时就可能用更少的时间就解决了”。这句话意味深长，值得我们 认真思考。 课外参考读物 1.赵匡华，化学通史，北京：高等教育出版社，1990 2.中国科学院化学学部，国家自然科学基金委化学科学部·展望21世纪 的化学.北京：化学工业出版社，2000 3.化学方法论编委会，化学方法论，杭州：浙江教育出版社，1989 4.徐光宪.今日化学何去何从.大学化学，2002,18(1)：1 5.徐光宪.21世纪化学的展望.大学化学，2002,16(1)：1 6.徐光宪.我对素质教育的认识.大学化学，2004,19(3)：1 7.唐有棋.展望未来的化学.大学化学，2000,15(6)：1 8。施开良，姚天扬，俞庆森，培养新型人才要重视基础，抓好“五基”教学 大学化学，2004,19(3)：16 9.施开良，姚天扬，俞庆森，化学类专业创新人才培养模式探讨·大学化 学，2002,17(6)：8 10.朱清时.如何培养学生的创新意识，大学化学，2000,15(4)：1