Physical Chemistry: A Very Short Introduction（物理化学：简明导论）

引用

Atkins, P. (2014). Physical Chemistry: A Very Short Introduction. Oxford University Press. Very Short Introductions.

章节概要

这是一本约120页的小书，包括序言、七章和一个收录周期表的附录。牛津大学出版社的介绍承认，物理化学建立在物理学、数学、量子力学、热力学和统计热力学之上，常被视为化学中最令人生畏的分支；介绍把本书定位为对其核心概念及其与化学其他分支关系的非技术性阐释。各章遵循一条精心设计的路线：从原子内部（第1章），到从外部观察的宏观物质（第2章），再到连接两者的统计桥梁（第3章），然后依次讨论物质的状态、状态的变化、化学反应以及研究物质的技术。

第1章：从内部看物质（Matter from the inside）

讨论原子的电子结构及其背后的量子力学：薛定谔关于 s、p、d、f 轨道的模型、泡利不相容原理和周期表的结构。随后讨论原子半径、电离能和电子亲和能，离子键和共价键，以及关于化学键的两种量子力学解释——价键理论和分子轨道理论。

第2章：从外部看物质（Matter from the outside）

把热力学作为关于能量及其转化的科学来讨论：第零定律与温度，第一定律与能量守恒，第二定律与熵（被表述为能量“品质”的量度），第三定律与绝对零度；随后讲焓和吉布斯能，以及热力学定律如何把可测量的性质联系起来。

第3章：连接物质（Bridging matter）

讨论把分子行为与宏观性质联系起来的统计热力学。核心概念是玻尔兹曼分布，用来理解稳定性与反应性、达到平衡的反应混合物的组成以及勒夏特列原理。

第4章：物质的状态（States of matter）

讨论气体、液体和固体以及描述它们的模型：描述真实气体的范德华方程，黏度，用于研究液体中分子运动的中子散射和核磁共振，以及用于固体的 X 射线衍射。最后讨论超临界流体、液晶等软物质以及石墨烯这样的中间状态。

第5章：改变物质的状态（Changing the state of matter）

讨论凝固、沸腾、溶解和混合，并全部用化学势来表述。本章涉及温度和压力对相变的影响、吉布斯相律、混合物、矿物和合金的相图、渗透以及固–固相变。

第6章：改变物质的本质（Changing the identity of matter）

从物理化学的角度讨论化学反应：自发性、反应商与平衡常数、速率方程、反应机理与决速步骤、活化能与催化；并把光化学和电化学分别作为由光和电驱动的反应来介绍，还谈到研究反应过程中发生了什么的化学动力学。

第7章：研究物质（Investigating matter）

讨论物理化学如何鉴定物质并测定其结构，以及激光和计算机如何改进了经典方法：吸收光谱、核磁共振、质谱、光电子能谱和扫描隧道显微镜。

核心概念

第1–3章：内部、外部与桥梁

• 原子轨道与泡利原理：解释周期表的电子量子力学描述。
• 热力学定律：确立温度、能量守恒、熵和绝对零度的四条定律。
• 吉布斯能：决定自发变化方向的性质。
• 玻尔兹曼分布：一定温度下分子能级的布居情况，把分子行为与宏观行为联系起来。

第4–5章：状态与状态变化

• 范德华方程：能够反映真实气体许多性质的模型。
• 化学势：可以用来表述一切状态变化及其平衡的量。
• 相律与相图：吉布斯关于相平衡的规则，以及显示在何种条件下何种相稳定的图。

第6–7章：反应与研究方法

• 速率方程与决速步骤：反应速率如何依赖浓度，以及控制反应机理的最慢步骤。
• 活化能与催化：反应的能垒及催化剂对它的降低。
• 光谱学：利用辐射鉴定物质并测定其结构。

评析

优点

• 结构清晰。 第1–3章“内部—外部—桥梁”的顺序展示了量子力学、热力学和统计热力学如何相互配合，而不是把它们当作彼此分离的学科。
• 篇幅虽小而覆盖全面。 在约120页中，本书触及了物理化学课程的所有主要分支：量子理论、热力学、统计热力学、相平衡、动力学和光谱学。
• 联系当前研究。 出版社的介绍和物质状态一章都提到了计算化学、智能材料和石墨烯，展现出这门学科仍在发展，而非已经完成。
• 经验丰富的向导。 Atkins 也是本课程清单中综合性教材 Physical Chemistry 的作者之一，这本小书以浅显得多的方式预先展示了同一幅学科地图。

局限

• 有意采用非技术性写法。 本书追求的是理解而不是计算，不会教授物理化学考试所要求的推导和解题。
• 高度压缩。 学科的每个主要领域只有约13–21页的一章，因此电化学或光化学等主题只在较宽泛的章节中简短出现。

在课程中的定位

本书是清单中进入物理化学课程最平缓的入口，最好在课程开始前或刚开始时阅读。自然的下一步是 Monk 的 Physical Chemistry: Understanding our Chemical World，这是一本面向一年级学生的教材，每个原理都从日常情境引入，并对所需数学提供支持。Chang 的 Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences 是一本面向跨化学与生物学学生的、易于入门的完整教材，涵盖热力学、动力学和量子概念。

Atkins、de Paula 和 Keeler 的 Physical Chemistry 是内容全面、数学推演充分的教科书，本书实际上可以看作它的概览；McQuarrie 和 Simon 的 Molecular Thermodynamics 则充分展开了第3章所勾勒的分子与宏观物质之间的统计联系。觉得这些书难以入手的学生，可以回到本书相应的章节重新把握全局。

如何使用本书

本书适合即将开始或正在艰难应对大学第一门物理化学课程的学生，把物理化学作为辅助课程学习的生物、材料或地球科学专业学生，以及学过中学化学的普通读者。出版社称本书为非技术性读物，具备中学化学知识即可。

实用的阅读计划：

• 课程开始前： 按顺序阅读第1–3章，它们提供了全书和整个课程所依托的框架（原子、热力学以及玻尔兹曼这座桥梁）。
• 与课程并行： 课程讲到气体、相图和溶液时读第4–5章，学习动力学和平衡时读第6章，学习光谱学时读第7章。
• 遇到困难时： 在回到完整教科书的推导和习题之前，先把相关章节当作概念性总结来读。

本书不能代替教科书；练习时应配合 Monk 或 Chang 的书，之后再借助 Atkins、de Paula 和 Keeler 的书深入学习。