物理化學(xué)學(xué)科介紹及發(fā)展史

概述介紹

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

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

發(fā)展歷史

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

一般認(rèn)為，物理化學(xué)作為一門學(xué)科的正式形成，是從1877年德國化學(xué)家奧斯特瓦爾德和荷蘭化學(xué)家范托夫創(chuàng)刊的《物理化學(xué)雜志》開始的。從這一時(shí)期到20世紀(jì)初，物理化學(xué)以化學(xué)熱力學(xué)的蓬勃發(fā)展為其特征。

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

當(dāng)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(cè)定方法之后，化學(xué)熱力學(xué)的全部基礎(chǔ)已經(jīng)具備。勞厄和布喇格對(duì)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(xué)向近代結(jié)晶化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。阿倫尼烏斯關(guān)于化學(xué)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(duì)后來化學(xué)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展也都作出了重要貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)20～40年代是結(jié)構(gòu)化學(xué)發(fā)展的時(shí)期，這時(shí)的物理化學(xué)研究已深入到微觀的原子和分子世界，改變了對(duì)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(xué)研究的興起，不但在物理學(xué)中掀起了高潮，對(duì)物理化學(xué)研究也給以很大的沖擊。尤其是在1927年，海特勒和倫敦對(duì)氫分子問題的量子力學(xué)處理，為1916年路易斯提出的共享電子對(duì)的共價(jià)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(xué)鍵的價(jià)鍵方法。1932年，馬利肯和洪德在處理氫分子的問題時(shí)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(jià)鍵法和分子軌道法已成為近代化學(xué)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(fù)性等概念對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展也起了重要作用。在這個(gè)時(shí)期，物理化學(xué)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(gè)學(xué)派所發(fā)展的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)動(dòng)力學(xué)，德拜和休克爾的強(qiáng)電解質(zhì)離子的互吸理論，以及電化學(xué)中電極過程研究的進(jìn)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(xué)以實(shí)驗(yàn)研究手段和測(cè)量技術(shù)，特別是各種譜學(xué)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(diǎn)。

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

光化學(xué)首先獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，因?yàn)楣庾V的研究弄清楚了光化學(xué)初步過程的實(shí)質(zhì)，促進(jìn)了對(duì)各種化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究。這些快速靈敏的檢測(cè)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(jī)理不再只是從反應(yīng)速率方程憑猜測(cè)而得出的結(jié)論。這些檢測(cè)手段對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展也有很大的推動(dòng)作用。

先進(jìn)的儀器設(shè)備和檢測(cè)手段也大大縮短了測(cè)定結(jié)構(gòu)的時(shí)間，使結(jié)晶化學(xué)在測(cè)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(cè)定和脫氧核糖核酸的螺旋體構(gòu)型的測(cè)定都獲得成功。電子能譜的出現(xiàn)更使結(jié)構(gòu)化學(xué)研究能夠從物體的體相轉(zhuǎn)到表面相，對(duì)于固體表面和催化劑而言，這是一個(gè)得力的新的研究方法。

60年代，激光器的發(fā)明和不斷改進(jìn)的激光技術(shù)。大容量高速電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，以及微弱信號(hào)檢測(cè)手段的發(fā)明孕育著物理化學(xué)中新的生長(zhǎng)點(diǎn)的誕生。

70年代以來，分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、激光化學(xué)和表面結(jié)構(gòu)化學(xué)代表著物理化學(xué)的前沿陣地。研究對(duì)象從一般鍵合分子擴(kuò)展到準(zhǔn)鍵合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化學(xué)計(jì)量化合物。在實(shí)驗(yàn)中不但能控制化學(xué)反應(yīng)的慍度和壓力等條件，進(jìn)而對(duì)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(jì)算機(jī)加速了量子化學(xué)在定量計(jì)算方面的發(fā)展。對(duì)于許多化學(xué)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(duì)稱守恒原理的建立是量子化學(xué)的重要發(fā)展。

物理化學(xué)還在不斷吸收物理和數(shù)學(xué)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(jìn)展，加深了人們對(duì)遠(yuǎn)離平衡的體系穩(wěn)定性的理解。

中國物理化學(xué)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(gè)階段。在30～40年代，盡管當(dāng)時(shí)物質(zhì)條件薄弱，但老一輩物理化學(xué)家不僅在化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、膠體和表面化學(xué)、分子光譜學(xué)、X射線結(jié)晶學(xué)、量子化學(xué)等方面做出了相當(dāng)?shù)某煽?jī)，而且培養(yǎng)了許多物理化學(xué)方面的人才。

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

研究?jī)?nèi)容、方法和特點(diǎn)

隨著科學(xué)的迅速發(fā)展和各門學(xué)科之間的相互滲透，物理化學(xué)與物理學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)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(xué)科，如物理有機(jī)化學(xué)、生物物理化學(xué)、化學(xué)物理學(xué)等。物理化學(xué)還與許多非化學(xué)的學(xué)科有著密切的，如冶金過程物理化學(xué)、海洋物理化學(xué)。一般*的物理化學(xué)的研究?jī)?nèi)容大致可以概括為三個(gè)方面：

1.化學(xué)體系的宏觀平衡性質(zhì)　以熱力學(xué)的三個(gè)基本定律為基礎(chǔ)，研究宏觀化學(xué)體系（含有分子數(shù)目量級(jí)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(xué)性質(zhì)及其規(guī)律性。由于以平衡態(tài)為前提，時(shí)間不再是變量。屬于這方面的物理化學(xué)分支學(xué)科有化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)、溶液化學(xué)、膠體化學(xué)和表面化學(xué)。

2.化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)　以量子力學(xué)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(xué)分支學(xué)科有結(jié)構(gòu)化學(xué)、晶體化學(xué)和量子化學(xué)。

3.化學(xué)體系的動(dòng)態(tài)性質(zhì)　研究由于化學(xué)或物理因素的擾動(dòng)而引起的體系的化學(xué)變化過程速率和變化機(jī)理。此時(shí)，時(shí)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(xué)分支學(xué)科有化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)動(dòng)態(tài)學(xué)、催化科學(xué)與技術(shù)、光化學(xué)、電化學(xué)、磁化學(xué)、聲化學(xué)、力化學(xué)（以摩擦化學(xué)為代表）等。

在理論研究方面，快速大型電子計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法的廣泛應(yīng)用，擴(kuò)展了量子化學(xué)在定量計(jì)算方面的能力。研究對(duì)象不僅涉及大分子，還可用以模擬復(fù)雜體系的動(dòng)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(duì)稱守恒原理，是量子化學(xué)應(yīng)用于具體化學(xué)體系時(shí)的重要理論成果。但是仍然沒有達(dá)到人們所期望的利用量子化學(xué)為基礎(chǔ)解決和認(rèn)識(shí)所有化學(xué)問題的水平。量子力學(xué)基本原理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合將有助于解決這個(gè)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(xué)計(jì)算方法是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)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(xué)計(jì)算方法及模型化學(xué)等研究成果獲得了1998年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

發(fā)展趨勢(shì)

物理學(xué)和數(shù)學(xué)的成就，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為物理化學(xué)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(xué)的研究對(duì)象，為材料科學(xué)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(shí)際。20世紀(jì)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(xué)的理論體系由傳統(tǒng)的平衡態(tài)熱力學(xué)擴(kuò)展到全新非平衡態(tài)熱力學(xué)的領(lǐng)域，而對(duì)遠(yuǎn)離平衡的體系穩(wěn)定性的理解，將有助于人們對(duì)于很多實(shí)際過程包括生命過程認(rèn)識(shí)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(xué)的興起，推動(dòng)了納米科學(xué)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(xué)科和技術(shù)，并且和絕大部分的化學(xué)領(lǐng)域有著極為密切的關(guān)系，為現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)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(jí)和經(jīng)典的物理化學(xué)體系偏離甚遠(yuǎn)，因而適合納米體系的物理化學(xué)理論研究和實(shí)驗(yàn)方法的開發(fā)，將成為21世紀(jì)物理化學(xué)中的另一個(gè)挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域。

催化是化學(xué)研究中的*課題之一。在化工生產(chǎn)、能源、農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域都有及其重要的意義，但至今對(duì)于催化作用的原理和大多數(shù)催化過程的反應(yīng)機(jī)理仍然存在著疑問，還不能隨心所欲地設(shè)計(jì)出對(duì)于某個(gè)特殊反應(yīng)體系具有催化作用的催化劑。組合化學(xué)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(xué)與技術(shù)中的新興領(lǐng)域，它將促進(jìn)結(jié)構(gòu)化學(xué)、合成化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)、生物學(xué)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(shí)，促使綠色化學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。