物理化學
九料化工http://f670.cn / 2020-10-17
物理化學是化學中一個內(nèi)容十分廣泛的分支學科，它以物理學的原理和實驗技術為基礎，研究化學體系所遵循的規(guī)律的學科，是化學的理論基礎，有時又稱它為理論化學。物理化學的內(nèi)容大體上可分為三個方面:
1.化學熱力學
化學熱力學是將物理學中的熱力學基本原理，用于化學體系研究宏觀平衡態(tài)的性質(zhì)及規(guī)律。物理學中熱力學所依據(jù)的基本規(guī)律是熱力學第零定律、熱力學第一定律、熱力學第二定律和熱力學第三定律。從這些定律出發(fā)，用數(shù)學方法加以演繹推論，結(jié)合熱化學數(shù)據(jù)用以解決化學體系發(fā)生的化學變化和物理變化的方向和進行的限度問題。根據(jù)體系的物態(tài)和性質(zhì)，它又有若干分支學科:熱力學、電化學、溶液化學、膠體與表面化學等。
2.化學動力學
化學動力學是研究由于化學或物理因素的擾動而使體系中發(fā)生的化學變化過程的速度和變化機理。它的分支學科有:催化、分子反應動力學、光化學、分子動態(tài)物理化學和分子激發(fā)態(tài)譜學等。
3.結(jié)構(gòu)化學和量子化學
結(jié)構(gòu)化學是將現(xiàn)代物理學中建立的物理理論和實驗方法(例如光譜學、光的衍射原理和技術、固體物理學和量子力學等)和化學融合在一起，用于研究原子、分子和晶體中原子和分子的空間結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)和化學鍵等內(nèi)容，歸納出物質(zhì)在原子-分子水平上的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能相互聯(lián)系的規(guī)律，并將所得結(jié)果應用于化學各個分支學科中并形成多種分支學科，如:晶體化學、無機結(jié)構(gòu)化學、有機結(jié)構(gòu)化學、量子有機化學、量子無機化學、超分子化學等量子化學是將量子力學的原理和方法應用于研究化學問題的一門基礎學科。量子力學是根據(jù)電子、原子和分子等微觀粒子具有波粒二象性的運動特征和運動規(guī)律，遵循它們的量子化特性和統(tǒng)計性特征建立起來的。1929年，海特勒一倫敦首次用薛定諤方程計算最簡單氫分子的能量和電子能級，獲得很大的成功，這是量子化學學科的開創(chuàng)性工作。
量子化學已成為現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的基礎。量子化學的主要內(nèi)容是通過求解微觀體系的薛定諤方程，得到原子及分子中電子運動和核運動的波函數(shù)及相應的能量，揭示它們相互作用的圖像及化學鍵的本質(zhì)，解釋各種圖譜對應的微觀結(jié)構(gòu)了解分子的穩(wěn)定性及化學反應機理，說明結(jié)構(gòu)和性能的關系。隨著新的理論和計算技術的發(fā)展，量子化學在化學領域中的作用日益增長。量子化學是發(fā)展各個新興的化學分支學科的重要理論基礎，是指導化學家去開發(fā)和制備各類新材料的依據(jù)。
在物理化學的諸多分支學科中，下面舉三個為例，說明物理化學與國計民生密切相關，也和物理學、生命科學、醫(yī)藥科學、材料科學、地學、治金學等有著廣泛而密切的聯(lián)系。
1.電化學
電化學，涉及電流與化學反應的相互作用，以及電能與化學能的相互轉(zhuǎn)化。這些效應都是通過電池來實現(xiàn)的，故電化學實為電池的科學。電池包括電極和電解質(zhì)兩部分，其基礎內(nèi)容相應分為電極學(電極的熱力學和動力學)和電解質(zhì)學(電解質(zhì)的熱力學和動力學)兩方面。電化學的應用領域廣泛，如電解、電鍍、化學電源、金屬腐蝕等，這些都屬于電化學工業(yè)(電化工)。
2.催化
催化是催化作用的簡稱，是化學家以催化劑為魔杖，指揮化學反應沿著指定的途徑進行，生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品，還根據(jù)需要加速或放慢化學反應進行的速度。它已在化學的各個分支學科中廣泛地應用。下面通過一些應用實例介紹催化學科的內(nèi)容。無機化學家制備出鐵催化劑將N2和H1合成NH3，生產(chǎn)價廉、物美的氮肥，使糧食豐收，惠及億萬人民有機化學家在石油煉制過程中用催化劑將重油裂解生產(chǎn)出航空汽油，提高油品的價值。食品專家尋找出寶貴的酒作催化劑，釀造出高品位的好酒。藥物學家篩選出合適的酶作催化劑以葡萄糖為原料合成出價格低廉、具有特定立體結(jié)構(gòu)、適合人們服用的維生素C?？梢姶呋饔靡咽够瘜W家“化”出豐富多彩的產(chǎn)品。還有許多問題，例如減緩高分子材料的老化、減慢人體衰老過程、延長人體壽命等，有待催
化去催它實現(xiàn)。
3.晶體化學
晶體化學又稱結(jié)晶化學。它是晶體學和化學結(jié)合形成的交又學科，是研究晶態(tài)物質(zhì)的化學，它研究晶體的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性能和應用的科學。晶體結(jié)構(gòu)具有空間點陣式的周期性結(jié)構(gòu)，在晶體中原子的排列相對穩(wěn)定。近一個世紀以來，科學技術的發(fā)展已為深人地、精確地研究晶體的結(jié)構(gòu)提供了符合實際的理論、有效的方法和先進的儀器設備，快速而精確地測定晶體結(jié)構(gòu)，為在原子水平上探討晶體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其應用提供全面的微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。它涉及無機化學有機化學、生物化學、礦物學等基礎學科及相關的固體化學和材料化學，成為現(xiàn)代化學的重要基礎，也是材料科學和生命科學深入發(fā)展的重要支柱。
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