物理化學

引用

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

章節概要

第十二版（牛津大學出版社以 Atkins' Physical Chemistry 為題出版）是約930頁的單卷本，不分「章」，而是分為十九個「Focus」（焦點）部分，每個 Focus 又分為帶字母編號的「Topic」（主題），例如 Topic 1A、Topic 1B。每個 Focus 都有各自的綜合活動，每個 Topic 則有討論題、練習和習題。書末是資源部分和索引。內容順序由宏觀（氣體與熱力學），經量子理論、分子結構和光譜學，到統計熱力學、分子間相互作用、固體，最後是動力學方面：輸運、動力學、反應動力學與表面。本書也有分兩卷出版的版本。

Focus 1–3：氣體的性質；熱力學第一定律；熱力學第二與第三定律

Focus 1 講理想氣體、氣體動理論模型和真實氣體。Focus 2 透過內能、焓、熱化學、狀態函數與全微分、絕熱變化來展開第一定律。Focus 3 講熵、特定過程中的熵變、熵的測量、聚焦於體系本身，以及第一與第二定律的結合。

Focus 4–6：純物質的物理轉變；簡單混合物；化學平衡

Focus 4 講純物質的相圖和相變的熱力學。Focus 5 轉向混合物：其熱力學描述、溶液的性質、二元相圖（液體和固體）、三元體系和活度。Focus 6 講平衡常數、平衡對條件的響應、電化學電池和電極電勢。

Focus 7–9：量子理論；原子結構與光譜；分子結構

Focus 7 介紹量子力學的起源、波函數、算符與可觀測量，以及平動、振動和轉動。Focus 8 講類氫原子、多電子原子和原子光譜。Focus 9 透過價鍵理論，以及氫分子離子、同核雙原子分子、異核雙原子分子和多原子分子的分子軌道理論來構建分子結構。

Focus 10–12：分子對稱性；分子光譜；磁共振

Focus 10 講形狀與對稱性、群論和對稱性的應用。Focus 11 介紹分子光譜的一般特徵，然後是轉動光譜、振動光譜（雙原子和多原子）和電子光譜，振動光譜的對稱性分析，以及激發態的衰變。Focus 12 講磁共振原理、核磁共振譜的特徵、脈衝技術和電子順磁共振。

Focus 13–15：統計熱力學；分子間相互作用；固體

Focus 13 介紹玻爾茲曼分佈、分子配分函數、分子能量、正則系綜、內能與熵，以及導出函數。Focus 14 講分子的電學性質、分子間相互作用、液體、大分子和自組裝。Focus 15 講晶體結構、繞射技術、固體中的成鍵，以及固體的力學、電學、磁學和光學性質。

Focus 16–19：運動中的分子；化學動力學；反應動力學；固體表面上的過程

Focus 16 講理想氣體的輸運性質、液體中的運動和擴散。Focus 17 講反應速率、積分速率方程、趨向平衡的反應、阿倫尼烏斯方程、反應機理及其實例，以及光化學。Focus 18 講碰撞理論、擴散控制反應、過渡態理論、分子碰撞動力學和均相體系中的電子轉移。Focus 19 以固體表面、吸附與脫附、多相催化和電極上的過程收尾。

核心概念

Focus 1–6：熱力學

• 熱力學定律：內能與焓、熵，以及它們的結合。
• 相圖與混合物：純物質和溶液的平衡行為。
• 化學平衡與電化學電池：平衡常數與電極電勢。

Focus 7–12：量子理論、結構與光譜

• 波函數、算符與可觀測量：量子力學的形式語言。
• 價鍵理論與分子軌道理論：Focus 9 中展開的兩種成鍵模型。
• 群論與對稱性：用於分析分子性質和振動光譜。
• 磁共振：核磁共振、脈衝技術和電子順磁共振。

Focus 13–19：統計、相互作用、固體與動力學

• 玻爾茲曼分佈與配分函數：把分子能量與熱力學聯繫起來。
• 分子間相互作用與自組裝：分子之間的作用力及其形成的結構。
• 速率方程、機理與阿倫尼烏斯方程：動力學的語言。
• 過渡態理論與表面過程：反應如何進行，以及表面和催化劑如何影響反應。

評析

優點

• 一本書覆蓋全面。 十九個 Focus 涵蓋熱力學、量子理論、光譜學、統計熱力學、動力學、固體和表面，因此一本教材即可支撐兩到三個學期的物理化學課程。
• 模組化的佈局。 Focus 與 Topic 的結構把內容分成帶字母編號的短單元，每個單元各有自己的問題和習題，教師可以有選擇地指定。出版社還提到本版增加了學習輔助功能，並更新了行文風格。
• 超出基礎的主題。 專門的 Topic 講大分子與自組裝（Focus 14）、核磁共振中的脈衝技術（Focus 12）、光化學（Focus 17）以及電極上的過程（Focus 19），擴充了核心教學大綱。
• 多種類型的習題。 討論題、練習、習題和綜合活動貫穿全書結構。

侷限

• 篇幅。 約930頁的篇幅遠超一門課所能涵蓋，教師和學生必須選擇 Focus，而且書中的順序（先熱力學，後量子理論，最後動力學）未必符合每個教學大綱。
• 數學負擔。 群論、算符和統計系綜都是書中的主題，因此學生需要具備超出普通化學的微積分和一些線性代數。
• 單一課程未必自足。 下文介紹的 CHEM 360 量子化學課程雖指定本書為課本，卻把微擾理論、多原子分子的 VOMELDs、親核試劑／親電試劑與共振，以及振轉電子（rovibronic）能階標為「不在課本內」，改以教師自編的標號處理。修讀該課的學生在這些主題上需要補充材料。

在課程中的定位

在物理化學課程中，這是全面的本科參考書。以下幾本可以在它之前閱讀，或與之並讀：

• Monk 的 Physical Chemistry: Understanding our Chemical World 是為一年級學生寫的，透過日常情境引入每條原理。
• Chang 的 Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences 是面向跨化學與生物學學生的易懂讀本。
• Atkins 自己的 Physical Chemistry: A Very Short Introduction 是對核心思想的簡短、幾乎不用公式的巡禮。

McQuarrie 與 Simon 的 Molecular Thermodynamics 只涵蓋熱力學部分，並且較早引入統計解釋，當課程需要在 Focus 1–6 和 Focus 13 上更深入時，它是很好的第二來源。

下文兩門 2025 年秋季課程的大綱呈現互補的選擇性用法：一門著重熱力學與動力學，另一門著重量子化學與光譜學；兩者都沒有指定全書。

如何使用本書

本書適合修讀一年或更長物理化學課程的化學及相關理科學生；普通化學和微積分是實際的先修要求。它可以有選擇地使用：帶字母編號的 Topic 足夠短，可以單獨指定。

實用安排如下：

• 熱力學學期： 依序學習 Focus 1–6，待熵和自由能建立之後，用 Focus 13（統計熱力學）作分子層面的詮釋。
• 量子與光譜學期： 先學 Focus 7–9，然後在 Focus 11（光譜）之前學 Focus 10（對稱性），再學講磁共振的 Focus 12。
• 動力學： 如果課程需要，可以提前學 Focus 17（動力學），之後再學 Focus 16 和 Focus 18–19。
• 可選： Focus 14（分子間相互作用）、Focus 15（固體）以及較專門的 Topic。
• 積極使用習題： 按 Topic 逐個做練習，並用 Focus 層面的綜合活動把各個 Topic 的思想結合起來。

常見課程指定內容

本指南描述的是第十二版。南猶他大學（Southern Utah University）的課程要求第十一版；CHEM 360 接受第十一版或第十二版第2卷，並另附第十版的章節對照。以下內容均依各課程所用版本的編號。

• 熱力學與動力學（必讀課本，第十一版）。 南猶他大學 CHEM 3610-01「Physical Chemistry–Thermodynamics and Kinetics」（2025 年秋季；課程大綱）是物理化學兩段課程的前半，後接 CHEM 3620。該課要求第十一版（ISBN 978-0-19-876986-6），暫定進度涵蓋第 1–6、13 和 17 章：

  • 氣體與氣體動理論模型；
  • 熱力學第一與第二定律；
  • 相圖、混合物與活度；
  • 平衡與電化學電池；
  • 統計熱力學入門與配分函數；
  • 速率方程與阿倫尼烏斯方程。

  此安排與上文「熱力學加上提前學動力學」的路線一致。作業結合課本習題與教師自編題目。先修課程為 CHEM 1220、CHEM 1225 和 MATH 1220（最低成績 C），同修課程為 CHEM 3615 實驗課。大綱未列頁碼範圍。

• 量子化學（指定課本）。 CHEM 360: Quantum Chemistry（2025 年秋季；課程大綱，置於 uregina.ca）接受第十一版或第十二版第2卷，並提供比南猶他大學課程更精確的小節層級導覽。其計畫涵蓋：

  • Topic 7A–7F：量子力學的起源，直到箱中粒子、諧振子與剛性轉子；
  • 8A–8C：原子、光譜與譜項符號；
  • 9B 與 9C–D：LCAO 分子軌道與雙原子分子；
  • 9E.3：計算化學入門；
  • 11B–11D：微波與紅外躍遷。

  該課亦接受第十版，但其章節清單（7、8、9、10、12）與第十一／十二版的清單（7、8、9、11）不同，使用第十版的讀者須自行換算編號。

版次、準備與閱讀檢驗

第十二版平裝本（ISBN 9780198847816）亦可透過 OUP Australia 取得；各地區發行日期不同，但屬同一版次。

上述兩門課程中，南猶他大學的課程使用第十一版，CHEM 360 則接受第十一版或第十二版第2卷，因此在依賴章或 Topic 編號之前，請先確認課程指定的版本。

Focus 5 講混合物，Focus 6 講平衡，Focus 13 講統計熱力學。預備知識包括普通化學、偏導數、對數與化學計量平衡。練習平衡問題時，若總量改變，應先推導莫耳分率，再相對於標準壓力構造活度。電子書學習資源與教師資料各有其取用條件。