《化学物理》课件：探索物质世界的奥秘

《化学物理》探索物质世界的奥秘课程简介化学与物理的交融课程定位课程内容课程特色本课程旨在介绍化学物理的基本概念、课程内容涵盖物质的结构、分子光谱、理论和方法，强调化学与物理学之间的统计热力学、化学动力学、固体材料以紧密联系我们将从物理学的角度审视及计算化学等多个方面通过系统学化学现象，同时运用化学的知识解释物习，学生将掌握化学物理的核心知识体理规律，培养学生跨学科的思维方式系，为未来的研究和工作打下坚实的基础什么是化学物理？学科定义研究方法12化学物理是一门交叉学科，它化学物理的研究方法主要包括运用物理学的理论和方法研究实验、理论和计算实验方化学现象，探索物质的结构、面，常用各种光谱技术、衍射性质和变化规律它既不是简技术等；理论方面，常运用量单的化学，也不是纯粹的物子力学、统计力学等；计算方理，而是两者的有机结合面，则依赖于高性能计算机和各种模拟软件核心内容化学物理的研究对象分子结构分子光谱化学反应研究分子的几何构型、研究分子与电磁辐射的研究化学反应的速率、化学键、电子结构等，相互作用，通过分析光机理和影响因素，理解揭示分子性质与结构之谱信息获取分子的结构反应过程中的能量变化间的关系和动力学信息和分子行为材料性质研究固体、液体和气体的物理化学性质，探索材料的微观结构与宏观性能之间的关系化学物理的重要性基础科学技术创新化学物理是理解物质世界的基础化学物理在技术创新中发挥着重科学，它为化学、材料科学、生要作用，例如新材料的开发、新物学等学科的发展提供了理论基能源的利用、生物技术的进步等础和研究方法都离不开化学物理的贡献解决实际问题化学物理可以帮助我们解决许多实际问题，例如环境污染的治理、药物的研发、食品安全的保障等本课程的学习目标掌握基本概念掌握基本理论掌握基本方法培养科学思维理解原子、分子、化学键、分掌握量子力学、统计力学、过掌握光谱技术、计算化学方法培养跨学科的思维方式，提高子光谱、统计热力学、化学动渡态理论等基本理论，并能运等基本方法，并能运用这些方分析问题和解决问题的能力，力学等基本概念用这些理论解决实际问题法进行科学研究为未来的研究和工作打下坚实的基础物质的结构原子与分子分子2由若干个原子通过化学键结合在一起形成的稳定结构原子1构成物质的基本单元，由原子核和核外电子组成化学键原子之间相互作用，使分子结合在一起3的力原子结构模型回顾道尔顿模型1原子是不可分割的实心球体汤姆逊模型2原子是带正电的球体，电子镶嵌其中，像葡萄干面包卢瑟福模型3原子中心有一个带正电的原子核，电子围绕原子核旋转，像行星绕太阳玻尔模型4电子在特定的轨道上绕原子核旋转，轨道能量是量子化的量子力学模型5电子的运动具有波粒二象性，电子在原子核周围出现的概率可以用电子云来描述量子力学基础波粒二象性光的波粒二象性物质波光既具有波动性，又具有粒子性波动性表现为干涉、衍射等现德布罗意提出，一切物质都具有波粒二象性，与微观粒子相联系象，粒子性表现为光电效应、康普顿效应等现象的波称为物质波，其波长与粒子的动量成反比量子力学基础薛定谔方程薛定谔方程定态薛定谔方程12描述微观粒子运动的基本方描述能量不随时间变化的体程，是量子力学的核心系，是求解原子和分子结构的基础解薛定谔方程3可以得到体系的能量和波函数，波函数描述了粒子的状态化学键的形成共价键、离子键共价键离子键键能原子之间通过共用电子对形成的化学原子之间通过电子转移形成的化学断裂一个化学键所需的能量，是衡量键，例如氢气分子中的键键，例如氯化钠中的和之间的化学键强弱的指标H-H Na+Cl-键分子轨道理论简介成键轨道1非键轨道2反键轨道3分子的对称性对称元素分子中存在的对称操作的集合，例如旋转轴、对称面、对称中心等对称操作对分子进行某种操作后，分子的空间位置和性质保持不变点群分子所有对称操作的集合，用于描述分子的对称性分子光谱导论吸收光谱2分子吸收特定频率的光，跃迁到高能级分子光谱1研究分子与电磁辐射相互作用产生的光谱发射光谱分子从高能级跃迁到低能级，释放特定3频率的光分子光谱的分类转动光谱振动光谱电子光谱分子转动能级跃迁产生的光谱，研究分分子振动能级跃迁产生的光谱，研究分分子电子能级跃迁产生的光谱，研究分子的转动惯量和键长子的振动频率和力常数子的电子结构和电子跃迁转动光谱微波光谱微波光谱刚性转子模型12研究分子转动能级跃迁产生的假设分子是刚性转子，可以简光谱，位于微波区域化转动光谱的分析应用3测定分子的转动惯量和键长，研究分子的结构和动力学振动光谱红外光谱红外光谱简谐振子模型研究分子振动能级跃迁产生的光假设分子是简谐振子，可以简化谱，位于红外区域振动光谱的分析应用测定分子的振动频率和力常数，研究分子的结构和动力学电子光谱紫外可见光谱-紫外可见光谱-1电子跃迁2吸收峰3核磁共振（）光谱NMR核自旋原子核具有自旋，产生磁矩外磁场将样品置于外磁场中，核磁矩发生分裂射频辐射用射频辐射照射样品，核磁矩发生跃迁谱图NMR记录核磁矩跃迁产生的光谱，分析分子的结构电子顺磁共振（）光谱EPR外磁场未成对电子1将样品置于外磁场中，电子磁矩发生分具有未成对电子的物质具有顺磁性2裂谱图微波辐射EPR4记录电子磁矩跃迁产生的光谱，分析分用微波辐射照射样品，电子磁矩发生跃3子的结构迁统计热力学基础统计热力学系综用统计方法研究大量粒子的热力学性质，连接微观世界和宏观世大量性质相同的体系的集合，例如微正则系综、正则系综、巨正界则系综玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布能量越高温度越高123描述在一定温度下，粒子在不同能能量越高的能级上，粒子数越少温度越高，粒子在各个能级上的分级上的分布规律布越均匀配分函数配分函数描述体系所有可能的微观状态的权重之和，是统计热力学的核心概念平动配分函数转动配分函数振动配分函数热力学函数与配分函数的关系内能1熵2亥姆霍兹自由能3吉布斯自由能4化学平衡的统计热力学平衡常数用统计热力学计算化学平衡常数反应方向判断化学反应的方向反应程度计算化学反应的转化率输运性质扩散、粘度粘度21扩散热导率3界面化学表面张力、吸附表面张力吸附液体表面分子间作用力不均衡产生的力，使液体表面积最小化气体或液体分子在固体表面的聚集现象，分为物理吸附和化学吸附表面活性剂表面活性剂1具有亲水基和疏水基的分子，能降低液体表面张力，具有乳化、分散、润湿等作用应用2广泛应用于洗涤剂、乳化剂、润湿剂等领域胶体化学简介胶体溶胶分散相粒子尺寸在之间的分散体系，介于真溶液1-100nm和浊液之间乳浊液泡沫固体材料的结构与性质晶体1非晶体2缺陷3晶体结构晶格晶胞晶面非晶态固体聚合物21玻璃金属玻璃3固体中的缺陷点缺陷线缺陷面缺陷半导体材料半导体本征半导体12导电性介于导体和绝缘体之间的材料杂质半导体3超导材料超导现象迈斯纳效应在特定温度下，电阻突然消失的现象应用化学反应动力学速率1机理2影响因素3反应速率与反应机理反应速率速率方程反应机理碰撞理论活化能21有效碰撞频率因子3过渡态理论过渡态活化络合物势能面催化作用催化剂均相催化12能改变反应速率，但不改变反应平衡的物质多相催化3光化学反应光化学反应光敏剂由光引发的化学反应量子产率激光化学激光1选择性激发2应用3表面反应动力学吸附表面反应脱附计算化学基础量子化学21分子力学分子动力学3分子力学方法分子力场能量最小化应用量子化学计算方法从头计算半经验方法12密度泛函理论3密度泛函理论（）DFT电子密度交换关联泛函应用分子动力学模拟牛顿运动方程1系综2应用3材料设计与模拟材料性质预测材料结构优化新材料设计化学物理的应用能源燃料电池21太阳能电池储能材料3太阳能电池光伏效应材料选择效率提升燃料电池电化学反应电解质电极材料123储能材料锂离子电池超级电容器储氢材料化学物理的应用生物生物分子结构1生物分子动力学2药物设计3生物分子结构与功能蛋白质核酸脂类生物分子动力学酶催化21蛋白质折叠分子识别3药物设计靶标识别药物筛选药物优化化学物理的应用环境大气化学水污染处理12环境监测3大气化学臭氧层温室效应空气污染水污染处理吸附1光催化2生物降解3。