1.2　物理化學(xué)研究的目的和內(nèi)容

一切學(xué)科都是為了適應(yīng)一定社會(huì)生產(chǎn)的需要而發(fā)生和發(fā)展起來的。不同的歷史時(shí)期則有不同的要求。在當(dāng)今眾多的研究學(xué)科中，化學(xué)已經(jīng)成為一門中心學(xué)科，它與社會(huì)多方面的發(fā)展需要密切相關(guān)。作為化學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，物理化學(xué)自然也與其他學(xué)科（如生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等）之間有著密不可分的聯(lián)系。物理化學(xué)亦可稱為理論化學(xué)，它綜合了研究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的一系列基礎(chǔ)理論知識(shí)，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想方法及正確的邏輯推理能力。它的成就（包括理論和實(shí)驗(yàn)方法）大大充實(shí)了其他學(xué)科的研究內(nèi)容和研究方法。這些學(xué)科的深入發(fā)展離不開物理化學(xué)。因此，研究物理化學(xué)的目的在于探討物質(zhì)變化的基本規(guī)律，并用以解決生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的有關(guān)問題。

（1）物理化學(xué)研究的目的和任務(wù)　物理化學(xué)所擔(dān)負(fù)的主要任務(wù)是探討和解決下列幾個(gè)方面的問題。

①化學(xué)變化的方向和限度問題　化學(xué)反應(yīng)在指定的條件下能否朝著預(yù)定的方向進(jìn)行？如果該反應(yīng)能夠進(jìn)行，則它將達(dá)到什么限度？外界條件如溫度、壓力、濃度等對反應(yīng)有什么影響？如何控制外界條件使我們所設(shè)計(jì)的新的反應(yīng)途徑能按所預(yù)定的方向進(jìn)行？對于一個(gè)給定的反應(yīng)，能量的變化關(guān)系怎樣？它究竟能為我們提供多少能量？這一類問題是屬于化學(xué)熱力學(xué)的范疇，它主要解決變化的方向性問題，以及與平衡有關(guān)的一些問題。所以，化學(xué)熱力學(xué)為設(shè)計(jì)新的反應(yīng)、新的反應(yīng)路線提供理論上的支持。

②化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理問題　化學(xué)反應(yīng)的速率究竟有多快？反應(yīng)是經(jīng)過什么樣的機(jī)理（或歷程）進(jìn)行的？外界條件（如溫度、壓力、濃度、催化劑等）對反應(yīng)速率有什么影響？怎樣才能有效地控制化學(xué)反應(yīng)、抑制副反應(yīng)的發(fā)生，使之按我們所需要的方向和適當(dāng)?shù)乃俾蔬M(jìn)行？如何利用催化劑使反應(yīng)加速等。這一類的問題構(gòu)成了物理化學(xué)中的另一個(gè)部分即化學(xué)動(dòng)力學(xué)。它主要是解決反應(yīng)的速率和歷程問題。

③物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系　物質(zhì)的性質(zhì)從本質(zhì)上說是由物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)所決定的。深入了解物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，不僅可以理解化學(xué)變化的內(nèi)因，而且可以預(yù)見到在適當(dāng)外因的作用下，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生怎樣的變化。根據(jù)研究此類問題的方法和手段，又可分為結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)兩個(gè)分支。結(jié)構(gòu)化學(xué)的目的是要闡明分子的結(jié)構(gòu)。比如研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)等。由于新的測試手段不斷出現(xiàn)，測試的精度日新月異，為探索生物大分子、細(xì)胞、固體表面的結(jié)構(gòu)等提供了有力的工具。量子化學(xué)是量子力學(xué)和化學(xué)相結(jié)合的學(xué)科，對化學(xué)鍵的形成理論以及對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)起著十分重要的作用。特別是在有了電子計(jì)算機(jī)之后，通過對模型進(jìn)行模擬計(jì)算，了解成鍵過程，從而可完成分子設(shè)計(jì)等任務(wù)。

以上三個(gè)方面的問題往往是相互聯(lián)系、相互制約，而不是孤立無關(guān)的，本教材主要介紹前兩個(gè)方面的內(nèi)容。

（2）物理化學(xué)研究的主要內(nèi)容　物理化學(xué)研究的內(nèi)容主要分成四大部分。

①化學(xué)熱力學(xué)——研究物質(zhì)變化（p、V、T變化，相變化，化學(xué)變化）的能量效應(yīng)（熱和功）和變化的方向和限度，即有關(guān)能量守恒和物質(zhì)平衡的規(guī)律。

②化學(xué)動(dòng)力學(xué)——研究各種因素（濃度、溫度、催化劑等）對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律及反應(yīng)機(jī)理。

③量子力學(xué)——物質(zhì)結(jié)構(gòu)，即物質(zhì)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)關(guān)系。

④統(tǒng)計(jì)力學(xué)——利用統(tǒng)計(jì)分析方法研究各種因素（濃度、溫度、催化劑、溶劑、光、電等）對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律及反應(yīng)機(jī)理（反應(yīng)的具體步驟、元反應(yīng)）。

此外還有結(jié)構(gòu)化學(xué)、界面現(xiàn)象、膠體分散系統(tǒng)與粗分散系統(tǒng)、電解質(zhì)溶液與電化學(xué)系統(tǒng)，其內(nèi)容范疇和研究方法則從屬于以上四大部分。

（3）近代物理化學(xué)的發(fā)展趨勢和特點(diǎn)　近幾十年來，各類自然科學(xué)發(fā)展十分迅速而深入。化學(xué)與相鄰學(xué)科間的關(guān)系起了根本性變化。物理學(xué)為人們提供了一些基本原理、方法和強(qiáng)有力的測試手段，大大擴(kuò)展了化學(xué)的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。化學(xué)理論在計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的幫助下迅速發(fā)展。分子生物學(xué)的進(jìn)展向化學(xué)提出了許多挑戰(zhàn)性的問題，要求化學(xué)從分子水平上加以解釋。諸如此類的新問題使得近代物理化學(xué)表現(xiàn)為下列發(fā)展趨勢和特點(diǎn)。

①從宏觀到微觀　量子力學(xué)發(fā)展使化學(xué)反應(yīng)能夠真正深入到了分子、原子的微觀層次。微觀領(lǐng)域的研究使得合成化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)結(jié)合得更加密切。

②從體相到表象　高分辨電鏡技術(shù)的發(fā)展使人們有可能了解5～10個(gè)分子或原子層的表面層的狀態(tài)，促進(jìn)了表面化學(xué)和催化化學(xué)的發(fā)展。

③從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)　激光技術(shù)和分子束技術(shù)的出現(xiàn)可以定量地研究具有指定量子態(tài)的反應(yīng)粒子到指定量子態(tài)的產(chǎn)物粒子所發(fā)生的能量傳遞和躍遷等基元過程速率的動(dòng)態(tài)信息。目前，分子反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)已成為非常活躍的學(xué)科。

④從定性到定量　測試手段的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使人們能用更精確的定量關(guān)系來描述物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

⑤從單一學(xué)科到邊緣學(xué)科　學(xué)科的相互滲透和交叉使物理化學(xué)學(xué)科的研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

⑥從平衡態(tài)的研究到非平衡態(tài)的研究　由于在生物學(xué)、氣象學(xué)、天體物理學(xué)等研究中事物的發(fā)生和發(fā)展都是不可逆過程，將熱力學(xué)方法推廣到不可逆過程將有廣闊的發(fā)展前景。目前非平衡熱力學(xué)已成為當(dāng)前理論化學(xué)發(fā)展的前沿之一。