物理化学

引用

Atkins, P., de Paula, J., & Keeler, J. (2022). Physical Chemistry (12th ed.). Oxford University Press.

章节概要

第十二版（牛津大学出版社以 Atkins' Physical Chemistry 为题出版）是约930页的单卷本，不分“章”，而是分为十九个“Focus”（焦点）部分，每个 Focus 又分为带字母编号的“Topic”（主题），例如 Topic 1A、Topic 1B。每个 Focus 都有各自的综合活动，每个 Topic 则有讨论题、练习和习题。书末是资源部分和索引。内容顺序由宏观（气体与热力学），经量子理论、分子结构和光谱学，到统计热力学、分子间相互作用、固体，最后是动力学方面：输运、动力学、反应动力学与表面。本书也有分两卷出版的版本。

Focus 1–3：气体的性质；热力学第一定律；热力学第二与第三定律

Focus 1 讲理想气体、气体动理论模型和真实气体。Focus 2 通过内能、焓、热化学、状态函数与全微分、绝热变化来展开第一定律。Focus 3 讲熵、特定过程中的熵变、熵的测量、以体系为中心的分析，以及第一与第二定律的结合。

Focus 4–6：纯物质的物理转变；简单混合物；化学平衡

Focus 4 讲纯物质的相图和相变的热力学。Focus 5 转向混合物：其热力学描述、溶液的性质、二元相图（液体和固体）、三元体系和活度。Focus 6 讲平衡常数、平衡对条件的响应、电化学电池和电极电势。

Focus 7–9：量子理论；原子结构与光谱；分子结构

Focus 7 介绍量子力学的起源、波函数、算符与可观测量，以及平动、振动和转动。Focus 8 讲类氢原子、多电子原子和原子光谱。Focus 9 通过价键理论，以及氢分子离子、同核双原子分子、异核双原子分子和多原子分子的分子轨道理论来构建分子结构。

Focus 10–12：分子对称性；分子光谱；磁共振

Focus 10 讲形状与对称性、群论和对称性的应用。Focus 11 介绍分子光谱的一般特征，然后是转动光谱、振动光谱（双原子和多原子）和电子光谱，振动光谱的对称性分析，以及激发态的衰变。Focus 12 讲磁共振原理、核磁共振谱的特征、脉冲技术和电子顺磁共振。

Focus 13–15：统计热力学；分子间相互作用；固体

Focus 13 介绍玻尔兹曼分布、分子配分函数、分子能量、正则系综、内能与熵，以及导出函数。Focus 14 讲分子的电学性质、分子间相互作用、液体、大分子和自组装。Focus 15 讲晶体结构、衍射技术、固体中的成键，以及固体的力学、电学、磁学和光学性质。

Focus 16–19：运动中的分子；化学动力学；反应动力学；固体表面上的过程

Focus 16 讲理想气体的输运性质、液体中的运动和扩散。Focus 17 讲反应速率、积分速率方程、趋向平衡的反应、阿伦尼乌斯方程、反应机理及其实例，以及光化学。Focus 18 讲碰撞理论、扩散控制反应、过渡态理论、分子碰撞动力学和均相体系中的电子转移。Focus 19 以固体表面、吸附与脱附、多相催化和电极上的过程收尾。

核心概念

Focus 1–6：热力学

• 热力学定律：内能与焓、熵，以及它们的结合。
• 相图与混合物：纯物质和溶液的平衡行为。
• 化学平衡与电化学电池：平衡常数与电极电势。

Focus 7–12：量子理论、结构与光谱

• 波函数、算符与可观测量：量子力学的形式语言。
• 价键理论与分子轨道理论：Focus 9 中展开的两种成键模型。
• 群论与对称性：用于分析分子性质和振动光谱。
• 磁共振：核磁共振、脉冲技术和电子顺磁共振。

Focus 13–19：统计、相互作用、固体与动力学

• 玻尔兹曼分布与配分函数：把分子能量与热力学联系起来。
• 分子间相互作用与自组装：分子之间的作用力及其形成的结构。
• 速率方程、机理与阿伦尼乌斯方程：动力学的语言。
• 过渡态理论与表面过程：反应如何进行，以及表面和催化剂如何影响反应。

评析

优点

• 一本书覆盖全面。 十九个 Focus 涵盖热力学、量子理论、光谱学、统计热力学、动力学、固体和表面，因此一本教材即可支撑两到三个学期的物理化学课程。
• 模块化的布局。 Focus 与 Topic 的结构把内容分成带字母编号的短单元，每个单元各有自己的问题和习题，教师可以有选择地布置。出版社还提到本版增加了学习辅助功能，并更新了行文风格。
• 超出基础的主题。 专门的 Topic 讲大分子与自组装（Focus 14）、核磁共振中的脉冲技术（Focus 12）、光化学（Focus 17）以及电极上的过程（Focus 19），扩展了核心教学大纲。
• 多种类型的习题。 讨论题、练习、习题和综合活动贯穿全书结构。

局限

• 篇幅。 约930页的篇幅远超一门课所能涵盖，教师和学生必须选择 Focus，而且书中的顺序（先热力学，后量子理论，最后动力学）未必符合每个教学大纲。
• 数学负担。 书中涉及群论、算符和统计系综，因此学生需要具备超出普通化学的微积分和一些线性代数。
• 对单门课程未必自足。 下文介绍的 CHEM 360 量子化学课程把本书指定为教材，但将微扰理论、多原子分子的 VOMELDs、亲核体/亲电体与共振、以及振转电子能级标注为“不在教材中”，并使用教师自拟的编号。修读该课程的学生在这些主题上需要依靠课堂材料或其他补充资料。

在课程中的定位

在物理化学课程中，这是全面的本科参考书。Monk 的 Physical Chemistry: Understanding our Chemical World 是为一年级学生写的，通过日常情境引入每条原理；Chang 的 Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences 是面向化学和生物学学生的易懂读本；Atkins 自己的 Physical Chemistry: A Very Short Introduction 则是对核心思想的简短、几乎不用公式的巡礼。这几本都可以在完整教材之前阅读，或与之并读。

McQuarrie 与 Simon 的 Molecular Thermodynamics 只涵盖热力学部分，并且较早引入统计解释，当课程需要在 Focus 1–6 和 Focus 13 上更深入时，它是很好的第二来源。

下文介绍的两份 2025 年秋季课程大纲展示了互补的选择性用法：一门侧重热力学与动力学，另一门侧重量子化学与光谱学。两者都只计划使用本书的一部分。

如何使用本书

本书适合修读一年或更长物理化学课程的化学及相关理科学生；普通化学和微积分是实际的先修要求。它可以有选择地使用：带字母编号的 Topic 足够短，可以单独布置。

实用安排如下：

• 热力学学期： 依序学习 Focus 1–6，待熵和自由能建立之后，用 Focus 13（统计热力学）作分子层面的诠释。
• 量子与光谱学期： 先学 Focus 7–9，然后在 Focus 11（光谱）之前学 Focus 10（对称性），再学讲磁共振的 Focus 12。
• 动力学： 如果课程需要，可以提前学 Focus 17（动力学），之后再学 Focus 16 和 Focus 18–19。
• 可选： Focus 14（分子间相互作用）、Focus 15（固体）以及较专门的 Topic。
• 积极使用习题： 按 Topic 逐个做练习，并用 Focus 层面的综合活动把各个 Topic 的思想结合起来。

常见课程安排

本指南介绍的是第十二版。南犹他大学的课程指定第十一版；CHEM 360 接受第十一版或第十二版第 2 卷，并另给出第十版的章节对照。以下编号均按各课程所用版次列出。

• 热力学与动力学（必修教材，第 11 版）。 南犹他大学 CHEM 3610-01“Physical Chemistry–Thermodynamics and Kinetics”（2025 年秋季；课程大纲）是物理化学两部分中的第一部分，之后接 CHEM 3620。课程要求第 11 版（ISBN 978-0-19-876986-6），暂定进度涵盖第 1–6、13 和 17 章：

  • 气体与气体动理论模型；
  • 第一与第二定律；
  • 相图、混合物与活度；
  • 平衡与电化学电池；
  • 统计热力学入门与配分函数；
  • 速率方程与阿伦尼乌斯方程。

  这一安排与上文建议的“热力学加早期动力学”路线相符。作业由教材习题和教师自编习题组合而成。先修课程为 CHEM 1220、CHEM 1225 和 MATH 1220（最低成绩 C），同修课程为 CHEM 3615 实验课。大纲未给出页码范围。

• 量子化学（指定教材）。 CHEM 360: Quantum Chemistry（2025 年秋季；课程大纲）接受第 11 版或第 12 版第 2 卷，阅读安排细化到小节。其计划包括：

  • Topic 7A–7F：从量子力学起源到箱中粒子、谐振子和刚性转子；
  • 8A–8C：原子、光谱与谱项符号；
  • 9B 与 9C–D：LCAO 分子轨道与双原子分子；
  • 9E.3：计算化学入门；
  • 11B–11D：微波与红外跃迁。

  该课程也接受第 10 版，但其章节列表（第 7、8、9、10、12 章）与第 11/12 版的列表（第 7、8、9、11 章）不同，使用第 10 版的读者需要自行换算编号。

版次、准备与阅读检验

第十二版平装本（ISBN 9780198847816）也可通过 OUP 澳大利亚获得；各地区发行日期不同，但属于同一版次。

上文南犹他大学的课程使用第十一版，CHEM 360 则接受第十一版或第十二版第 2 卷，因此在依赖章节或 Topic 编号之前，请先核对所修课程指定的版次。

准备 Focus 5（混合物）、Focus 6（平衡）和 Focus 13（统计热力学）时，应具备普通化学、偏导数、对数和化学计量衡算的基础。做平衡练习时，在总物质的量改变的情况下先推导摩尔分数，再构造相对于标准压力的活度。电子版学习资源和教师资料需分别获取访问权限。