物理化學學科介紹及發(fā)展史

概述介紹

物理化學是以物理的原理和實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學體系的性質(zhì)和行為，發(fā)現(xiàn)并建立化學體系中特殊規(guī)律的學科。

隨著科學的迅速發(fā)展和各門學科之間的相互滲透，物理化學與物理學、無機化學、有機化學在內(nèi)容上存在著難以準確劃分的界限，從而不斷地產(chǎn)生新的分支學科，例如物理有機化學、生物物理化學、化學物理等。物理化學還與許多非化學的學科有著密切的，例如冶金學中的物理冶金實際上就是金屬物理化學。

發(fā)展歷史

在1752年，“物理化學”這個概念被科學家羅蒙索諾夫在圣彼得堡大學的一堂課程（A Course in True Physical Chemistry）上提出。

一般認為，物理化學作為一門學科的正式形成，是從1877年德國化學家奧斯特瓦爾德和荷蘭化學家范托夫創(chuàng)刊的《物理化學雜志》開始的。從這一時期到20世紀初，物理化學以化學熱力學的蓬勃發(fā)展為其特征。

熱力學*定律和熱力學第二定律被廣泛應(yīng)用于各種化學體系，特別是溶液體系的研究。吉布斯對多相平衡體系的研究和范托夫?qū)瘜W平衡的研究，阿倫尼烏斯提出電離學說，能斯特發(fā)現(xiàn)熱定理都是對化學熱力學的重要貢獻。

當1906年路易斯提出處理非理想體系的逸度和活度概念，以及它們的測定方法之后，化學熱力學的全部基礎(chǔ)已經(jīng)具備。勞厄和布喇格對X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的創(chuàng)造性研究，為經(jīng)典的晶體學向近代結(jié)晶化學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。阿倫尼烏斯關(guān)于化學反應(yīng)活化能的概念，以及博登施坦和能斯脫關(guān)于鏈反應(yīng)的概念，對后來化學動力學的發(fā)展也都作出了重要貢獻。

20世紀20～40年代是結(jié)構(gòu)化學發(fā)展的時期，這時的物理化學研究已深入到微觀的原子和分子世界，改變了對分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性茫然無知的狀況。

1926年，量子力學研究的興起，不但在物理學中掀起了高潮，對物理化學研究也給以很大的沖擊。尤其是在1927年，海特勒和倫敦對氫分子問題的量子力學處理，為1916年路易斯提出的共享電子對的共價鍵概念提供了理論基礎(chǔ)。1931年鮑林和斯萊特把這種處理方法推廣到其他雙原子分子和多原子分子，形成了化學鍵的價鍵方法。1932年，馬利肯和洪德在處理氫分子的問題時根據(jù)不同的物理模型，采用不同的試探波函數(shù)，從而發(fā)展了分子軌道方法。

價鍵法和分子軌道法已成為近代化學鍵理論的基礎(chǔ)。鮑林等提出的軌道雜化法以及氫鍵和電負性等概念對結(jié)構(gòu)化學的發(fā)展也起了重要作用。在這個時期，物理化學的其他分支也都或多或少地帶有微觀的色彩，例如由欣謝爾伍德和謝苗諾夫兩個學派所發(fā)展的自由基鏈式反應(yīng)動力學，德拜和休克爾的強電解質(zhì)離子的互吸理論，以及電化學中電極過程研究的進展——氫超電壓理論。

第二次世界大戰(zhàn)后到60年代期間，物理化學以實驗研究手段和測量技術(shù)，特別是各種譜學技術(shù)的飛躍發(fā)展和由此而產(chǎn)生的豐碩成果為其特點。

電子學、高真空和計算機技術(shù)的突飛猛進，不但使物理化學的傳統(tǒng)實驗方法和測量技術(shù)的準確度、精密度和時間分辨率有很大提高，而且還出現(xiàn)了許多新的譜學技術(shù)。光譜學和其他譜學的時間分辨率和自控、記錄手段的不斷提高，使物理化學的研究對象超出了基態(tài)穩(wěn)定分子而開始進入各種激發(fā)態(tài)的研究領(lǐng)域。

光化學首先獲得了長足的進步，因為光譜的研究弄清楚了光化學初步過程的實質(zhì)，促進了對各種化學反應(yīng)機理的研究。這些快速靈敏的檢測手段能夠發(fā)現(xiàn)反應(yīng)過程中出現(xiàn)的暫態(tài)中間產(chǎn)物，使反應(yīng)機理不再只是從反應(yīng)速率方程憑猜測而得出的結(jié)論。這些檢測手段對化學動力學的發(fā)展也有很大的推動作用。

先進的儀器設(shè)備和檢測手段也大大縮短了測定結(jié)構(gòu)的時間，使結(jié)晶化學在測定復(fù)雜的生物大分子晶體結(jié)構(gòu)方面有了重大突破，青霉素、維生素B12、蛋白質(zhì)、胰島素的結(jié)構(gòu)測定和脫氧核糖核酸的螺旋體構(gòu)型的測定都獲得成功。電子能譜的出現(xiàn)更使結(jié)構(gòu)化學研究能夠從物體的體相轉(zhuǎn)到表面相，對于固體表面和催化劑而言，這是一個得力的新的研究方法。

60年代，激光器的發(fā)明和不斷改進的激光技術(shù)。大容量高速電子計算機的出現(xiàn)，以及微弱信號檢測手段的發(fā)明孕育著物理化學中新的生長點的誕生。

70年代以來，分子反應(yīng)動力學、激光化學和表面結(jié)構(gòu)化學代表著物理化學的前沿陣地。研究對象從一般鍵合分子擴展到準鍵合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化學計量化合物。在實驗中不但能控制化學反應(yīng)的慍度和壓力等條件，進而對反應(yīng)物分子的內(nèi)部量子態(tài)、能量和空間取向?qū)嵭锌刂啤?/p>

在理論研究方面，快速大型電子計算機加速了量子化學在定量計算方面的發(fā)展。對于許多化學體系來說，薛定諤方程已不再是可望而不可解的了。福井謙一提出的前線軌道理論以及伍德沃德和霍夫曼提出的分子軌道對稱守恒原理的建立是量子化學的重要發(fā)展。

物理化學還在不斷吸收物理和數(shù)學的研究成果，例如70年代初，普里戈金等提出了耗散結(jié)構(gòu)理論，使非平衡態(tài)理論研究獲得了可喜的進展，加深了人們對遠離平衡的體系穩(wěn)定性的理解。

中國物理化學的發(fā)展歷史，以1949年中華人民共和國成立為界，大致可以分為兩個階段。在30～40年代，盡管當時物質(zhì)條件薄弱，但老一輩物理化學家不僅在化學熱力學、電化學、膠體和表面化學、分子光譜學、X射線結(jié)晶學、量子化學等方面做出了相當?shù)某煽儯遗囵B(yǎng)了許多物理化學方面的人才。

1949年以后，經(jīng)過幾十年的努力，在各個高等學校設(shè)置物理化學教研室進行人才培養(yǎng)的同時，還在中國科學院各有關(guān)研究所和各重點高等學校建立了物理化學研究室，在結(jié)構(gòu)化學、量子化學、催化、電化學、分子反應(yīng)動力學等方面取得了可喜的成績。

研究內(nèi)容、方法和特點

隨著科學的迅速發(fā)展和各門學科之間的相互滲透，物理化學與物理學、無機化學、有機化學之間存在著越來越多的互相重疊的新領(lǐng)域，從而不斷地派生出許多新的分支學科，如物理有機化學、生物物理化學、化學物理學等。物理化學還與許多非化學的學科有著密切的，如冶金過程物理化學、海洋物理化學。一般*的物理化學的研究內(nèi)容大致可以概括為三個方面：

1.化學體系的宏觀平衡性質(zhì)　以熱力學的三個基本定律為基礎(chǔ)，研究宏觀化學體系（含有分子數(shù)目量級在10左右的體系）在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、溶解態(tài)以及高分散狀態(tài)的平衡態(tài)物理化學性質(zhì)及其規(guī)律性。由于以平衡態(tài)為前提，時間不再是變量。屬于這方面的物理化學分支學科有化學熱力學、化學統(tǒng)計力學、溶液化學、膠體化學和表面化學。

2.化學體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)　以量子力學為理論基礎(chǔ)，研究分子、分子簇和晶體的結(jié)構(gòu)，物體的體相中原子和分子的空間結(jié)構(gòu)、表面相的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)系與規(guī)律性。屬于這方面的物理化學分支學科有結(jié)構(gòu)化學、晶體化學和量子化學。

3.化學體系的動態(tài)性質(zhì)　研究由于化學或物理因素的擾動而引起的體系的化學變化過程速率和變化機理。此時，時間是與過程密切相關(guān)的重要變量之一。屬于這方面的物理化學分支學科有化學動力學、化學動態(tài)學、催化科學與技術(shù)、光化學、電化學、磁化學、聲化學、力化學（以摩擦化學為代表）等。

在理論研究方面，快速大型電子計算機和數(shù)值方法的廣泛應(yīng)用，擴展了量子化學在定量計算方面的能力。研究對象不僅涉及大分子，還可用以模擬復(fù)雜體系的動態(tài)過程。福井謙一提出的前線軌道理論以及R.B.伍德沃德和R.霍夫曼提出的分子軌道對稱守恒原理，是量子化學應(yīng)用于具體化學體系時的重要理論成果。但是仍然沒有達到人們所期望的利用量子化學為基礎(chǔ)解決和認識所有化學問題的水平。量子力學基本原理和化學實驗的緊密結(jié)合將有助于解決這個問題。為此，發(fā)展能夠應(yīng)用于復(fù)雜分子體系的量子化學計算方法是實現(xiàn)上述目標的前提之一。因而W.科恩以電子密度泛函理論和J.波普爾以量子化學計算方法及模型化學等研究成果獲得了1998年的諾貝爾化學獎。

發(fā)展趨勢

物理學和數(shù)學的成就，加上計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為物理化學的發(fā)展提供了新的領(lǐng)域。由于不再局限于方程的解析解、數(shù)值方法的應(yīng)用，使得固體、彈性體和其他非理想體系均已成為物理化學的研究對象，為材料科學與技術(shù)的研究增添了新的理論武器，并且更加接近工程實際。20世紀70年代初，I.普里戈金等提出的耗散結(jié)構(gòu)理論，使得物理化學的理論體系由傳統(tǒng)的平衡態(tài)熱力學擴展到全新非平衡態(tài)熱力學的領(lǐng)域，而對遠離平衡的體系穩(wěn)定性的理解，將有助于人們對于很多實際過程包括生命過程認識的深化。

80年代后期，以掃描隧道顯微術(shù)為代表的微觀顯微學的興起，推動了納米科學與技術(shù)的發(fā)展。納米材料不僅有著*的應(yīng)用背景，有關(guān)材料的合成、表征、功能和它們的應(yīng)用研究，往往涉及多種學科和技術(shù)，并且和絕大部分的化學領(lǐng)域有著極為密切的關(guān)系，為現(xiàn)代化學的發(fā)展提供了一個嶄新的研究領(lǐng)域。由于納米尺度的微粒所包含粒子數(shù)的量級和經(jīng)典的物理化學體系偏離甚遠，因而適合納米體系的物理化學理論研究和實驗方法的開發(fā)，將成為21世紀物理化學中的另一個挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域。

催化是化學研究中的*課題之一。在化工生產(chǎn)、能源、農(nóng)業(yè)、生命科學、醫(yī)藥等領(lǐng)域都有及其重要的意義，但至今對于催化作用的原理和大多數(shù)催化過程的反應(yīng)機理仍然存在著疑問，還不能隨心所欲地設(shè)計出對于某個特殊反應(yīng)體系具有催化作用的催化劑。組合化學方法的應(yīng)用可以加速有效催化劑的篩選過程，將有助于加速催化理論的發(fā)展。

酶催化和仿酶催化研究是催化科學與技術(shù)中的新興領(lǐng)域，它將促進結(jié)構(gòu)化學、合成化學、化學生物學和物理學、生物學和其他技術(shù)領(lǐng)域的相互滲透，并將在大幅度提高化工生產(chǎn)率的同時，促使綠色化學目標的實現(xiàn)。