Physical Chemistry: A Very Short Introduction（物理化學：簡明入門）

引用

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

章節概要

這是一本約120頁的小書，包括序言、七章和一個收錄週期表的附錄。牛津大學出版社的介紹承認，物理化學建立在物理學、數學、量子力學、熱力學和統計熱力學之上，常被視為化學中最令人生畏的分支；介紹把本書定位為對其核心概念及其與化學其他分支關係的非技術性闡釋。各章遵循一條精心設計的路線：從原子內部（第1章），到從外部觀察的宏觀物質（第2章），再到連接兩者的統計橋梁（第3章），然後依次討論物質的狀態、狀態的變化、化學反應以及研究物質的技術。

第1章：從內部看物質（Matter from the inside）

討論原子的電子結構及其背後的量子力學：薛丁格關於 s、p、d、f 軌域的模型、包立不相容原理和週期表的結構。隨後討論原子半徑、游離能和電子親和能，離子鍵和共價鍵，以及關於化學鍵的兩種量子力學解釋——價鍵理論和分子軌域理論。

第2章：從外部看物質（Matter from the outside）

把熱力學作為關於能量及其轉化的科學來討論：第零定律與溫度，第一定律與能量守恆，第二定律與熵（被表述為能量「品質」的量度），第三定律與絕對零度；隨後講焓和吉布斯能，以及熱力學定律如何把可測量的性質聯繫起來。

第3章：連接物質（Bridging matter）

討論把分子行為與宏觀性質聯繫起來的統計熱力學。核心概念是波茲曼分佈，用來理解穩定性與反應性、達到平衡的反應混合物的組成以及勒沙特列原理。

第4章：物質的狀態（States of matter）

討論氣體、液體和固體以及描述它們的模型：描述真實氣體的凡得瓦方程，黏度，用於研究液體中分子運動的中子散射和核磁共振，以及用於固體的 X 光繞射。最後討論超臨界流體、液晶等軟物質以及石墨烯這樣的中間狀態。

第5章：改變物質的狀態（Changing the state of matter）

討論凝固、沸騰、溶解和混合，並全部用化學勢來表述。本章涉及溫度和壓力對相變的影響、吉布斯相律、混合物、礦物和合金的相圖、滲透以及固–固相變。

第6章：改變物質的本質（Changing the identity of matter）

從物理化學的角度討論化學反應：自發性、反應商與平衡常數、速率方程、反應機構與速率決定步驟、活化能與催化；並把光化學和電化學分別作為由光和電驅動的反應來介紹，還談到研究反應過程中發生了什麼的化學動力學。

第7章：研究物質（Investigating matter）

討論物理化學如何鑑定物質並測定其結構，以及激光和電腦如何改進了經典方法：吸收光譜、核磁共振、質譜、光電子能譜和掃描穿隧顯微鏡。

核心概念

第1–3章：內部、外部與橋梁

• 原子軌域與包立原理：解釋週期表的電子量子力學描述。
• 熱力學定律：確立溫度、能量守恆、熵和絕對零度的四條定律。
• 吉布斯能：決定自發變化方向的性質。
• 波茲曼分佈：一定溫度下分子能級的布居情況，把分子行為與宏觀行為聯繫起來。

第4–5章：狀態與狀態變化

• 凡得瓦方程：能夠反映真實氣體許多性質的模型。
• 化學勢：可以用來表述一切狀態變化及其平衡的量。
• 相律與相圖：吉布斯關於相平衡的規則，以及顯示在何種條件下何種相穩定的圖。

第6–7章：反應與研究方法

• 速率方程與速率決定步驟：反應速率如何依賴濃度，以及控制反應機構的最慢步驟。
• 活化能與催化：反應的能壘及催化劑對它的降低。
• 光譜學：利用輻射鑑定物質並測定其結構。

評析

優點

• 結構清晰。 第1–3章「內部—外部—橋梁」的順序展示了量子力學、熱力學和統計熱力學如何相互配合，而不是把它們當作彼此分離的學科。
• 篇幅雖小而涵蓋全面。 在約120頁中，本書觸及了物理化學課程的所有主要分支：量子理論、熱力學、統計熱力學、相平衡、動力學和光譜學。
• 聯繫當前研究。 出版社的介紹和物質狀態一章都提到了計算化學、智慧材料和石墨烯，展現出這門學科仍在發展，而非已經完成。
• 經驗豐富的嚮導。 Atkins 也是本課程清單中綜合性教材 Physical Chemistry 的作者之一，這本小書以淺顯得多的方式預先展示了同一幅學科地圖。

局限

• 有意採用非技術性寫法。 本書追求的是理解而不是計算，不會教授物理化學考試所要求的推導和解題。
• 高度壓縮。 學科的每個主要領域只有約13–21頁的一章，因此電化學或光化學等主題只在較寬泛的章節中簡短出現。

在課程中的定位

本書是清單中進入物理化學課程最平緩的入口，最好在課程開始前或剛開始時閱讀。自然的下一步是 Monk 的 Physical Chemistry: Understanding our Chemical World，這是一本面向一年級學生的教材，每個原理都從日常情境引入，並對所需數學提供支持。Chang 的 Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences 是一本面向跨化學與生物學學生的、易於入門的完整教材，涵蓋熱力學、動力學和量子概念。

Atkins、de Paula 和 Keeler 的 Physical Chemistry 是內容全面、數學推演充分的教科書，本書實際上可以看作它的概覽；McQuarrie 和 Simon 的 Molecular Thermodynamics 則充分展開了第3章所勾勒的分子與宏觀物質之間的統計聯繫。覺得這些書難以入手的學生，可以回到本書相應的章節重新把握全局。

如何使用本書

本書適合即將開始或正在艱難應對大學第一門物理化學課程的學生，把物理化學作為輔助課程學習的生物、材料或地球科學專業學生，以及學過中學化學的普通讀者。出版社稱本書為非技術性讀物，具備中學化學知識即可。

實用的閱讀計劃：

• 課程開始前： 按順序閱讀第1–3章，它們提供了全書和整個課程所依託的框架（原子、熱力學以及波茲曼這座橋梁）。
• 與課程並行： 課程講到氣體、相圖和溶液時讀第4–5章，學習動力學和平衡時讀第6章，學習光譜學時讀第7章。
• 遇到困難時： 在回到完整教科書的推導和習題之前，先把相關章節當作概念性總結來讀。

本書不能代替教科書；練習時應配合 Monk 或 Chang 的書，之後再借助 Atkins、de Paula 和 Keeler 的書深入學習。