Levine、McQuar...本经典物理化学英文教材介绍_侯文华.pdf

Univ.Chem.2023,38(6),129133 129 收稿：2023-03-23；录用：2023-03-31；网络发表：2023-04-06*通讯作者，Email: 基金资助：教育部2022年高等教育中外教材比较研究重点项目(化学类专业核心课程教材国内外对比研究)专题 doi:10.3866/PKU.DXHX202303070 Levine、McQuarrie和和Simon编写编写的两本的两本经典经典物理化学物理化学 英文教材介绍英文教材介绍 侯文华1,*，张树永2 1南京大学化学化工学院，南京 210023 2山东大学化学与化工学院，济南 250100 摘要：摘要：从编写指导思想、主要内容和章节编排、主要特色、存在的不足等多个维度，对Levine编写的Physical Chemistry(6th edition)以及McQuarrie和Simon编写的Physical Chemistry-A Molecular Approach两本英文教材进行了较为全面的介绍，对国内物理化学教材建设具有一定的启示和借鉴作用，也有利于国内物理化学相关课程师生了解、学习和使用这两本教材。关键词：关键词：Levine编写的物理化学第6版；McQuarrie和Simon编写的物理化学 一种分子途径；物理化学教材；介绍；教材建设 中图分类号：中图分类号：G64；O642.1 An Introduction to Two Classical English Physical Chemistry Textbooks Compiled by Levine,McQuarrie and Simon Wenhua Hou 1,*,Shuyong Zhang 2 1 School of Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China 2 School of Chemistry and Chemical Engineering,Shandong University,Jinan 250100,China.Abstract:Two classical physical chemistry textbooks,Physical Chemistry(6th edition)by Levine and Physical Chemistry-A Molecular Approach by McQuarrie and Simon,are comprehensively introduced from several aspects including guiding principles of textbook compilation,main contents,chapter and section arrangements,main features,and some shortcomings.This paper can provide certain revelation and reference for the construction of domestic physical chemistry textbooks,and is also helpful for the teachers and students in the physical chemistry related courses to understand,study and use these two books.Key Words:Physical Chemistry(6th edition)by Levine;Physical Chemistry-A Molecular Approach by McQuarrie and Simon;Physical chemistry textbook;Introduction;Textbook construction 由美国纽约城市大学化学系Ira N.Levine教授编写的Physical Chemistry以及由美国加州大学Davis分校Donald A.McQuarrie和杜克大学John D.Simon两位教授编写的Physical Chemistry-A Molecular Approach是两本经典的物理化学英文教材1,2，在国内外有重要的影响，不少教师将这两本教材作为物理化学课程的指定教材或参考书。其中，Levine教授编写的Physical Chemistry自1978年出130 大 学 化 学 Vol.38 版第1版以来，不断修订完善(第5版，2002年；第4版，1995年；第3版，1988年；第2版，1983年)，至今已经修订至第6版1。本文对这两本经典的物理化学英文教材进行较全面的介绍，以期对我国未来的物理化学教材建设提供一些借鉴。1 Levine编写编写的的Physical Chemistry(6th edition)介绍介绍 1.1 修订指导思想修订指导思想 根据前言，作者修订本版教材时的指导思想主要包括：(1)内容清晰、准确、有深度；(2)先宏观，后微观。通过统计力学告诉读者为什么热力学定律能够成立以及如何由分子性质来计算宏观热力学性质。1.2 主要内容主要内容和和章节编排章节编排 该版教材主要由以下23章内容组成，依次为热力学、热力学第一定律、热力学第二定律、物料平衡、反应的标准热力学函数、理想气体混合物中的反应平衡、单组分相平衡和表面、实际气体、溶液、非理想溶液、非理想系统的反应平衡、多组分相平衡、电化学系统、气体动理论、传输过程、反应动力学、量子力学、原子结构、分子电子结构、谱学和光化学、统计力学、反应速率理论、固体和液体。其中，116章和2122章主要是国内常见的“小”物理化学教材的教学内容，1720章和23章则主要是国内结构化学的教学内容。全书共989页，是一本典型的“大”物理化学教材。1.3 主要特色主要特色 该教材的主要特色包括：(1)自学友好。本教材内容叙述非常详尽，便于读者理解和自学。书中设计并提供了许多学习帮助(learning aids)，1.9节还专门讨论了有效的物理化学学习方法，结合编者多年的教学经验，给出了相应的学习建议(study suggestions)。教材给出了各种概念的详细定义和解释，给出了大多数公式的完整推导细节，清晰地说明了所做的假设和近似，以使学生了解这些公式什么时候适用、什么时候不适用。许多学生在热力学中犯的错误来自于将公式应用到公式不适用的情形，为此，本书在重要的热力学公式旁边列出了它们的适用条件。对于学生应该记忆的公式，在公式编号后用星号*标记，这些是基本公式，同时提醒学生不要盲目记忆那些未打星号的公式。尽管学生在上物理化学课之前已学过必要的数学和物理知识，但因这些知识在后来的其他课程上较少使用，许多已经遗忘了。为此，本书在一些章节中穿插复习了相关的数学和物理知识，如1.6节的微分学、1.8节的积分学、2.1节的经典力学、2.10节的线积分、8.9节的泰勒级数，13.1节的静电学，13.14节中的电偶极和20.12节中的磁场等。此外，尽管本书内容处理深入，但只将数学维持在一个合理的水平，避免使用学生不熟悉的高等数学知识。在每章结尾还总结了该章的知识要点，以及如何利用该章中的公式和知识去完成一些重要类型的计算。(2)强调习题的作用。强调了解题在物理化学课程学习中的重要性。具体包括：书中给出了大量附有详细解答和说明的例题，大多数例题后都紧跟一道即时练习题(附有答案)，让学生测试自己的理解程度；每章后按小节提供了大量习题(对学生有一本解答手册)。编者认为，对学生来说，除了能够完成计算题外，对内容有良好的概念性理解也是重要的。为此，本书中引入了大量的定性问题，诸如对/错问题以及让学生判断哪些量是正值、负值或零的问题。编者发现，这些问题是之前课上学生经常误解或出错的；2.12节专门介绍如何解物理化学题目(problem solving)，并给出了一般性的解题步骤。另外，给出了常见类型过程q、W、U、S计算步骤的系统清单，如2.9节第一定律量的计算和3.4节熵变的计算等。(3)强调了计算机和一些软件的使用。5.6节使用电子表格进行多项式拟合，11.6节介绍了用于平衡计算的计算机程序，12.11节采用计算机计算相图，16.7节采用计算机处理速率方程等。另外，书中还给出了使用电子表格解决诸如拟No.6 doi:10.3866/PKU.DXHX202303070 131 合数据至一多项式(5.6节)、解决同时平衡问题(6.5节)、数据的线性和非线性最小二乘法拟合(7.3节)、使用状态方程计算液体和蒸气平衡时的蒸气压和摩尔体积(8.5节)，以及通过吉布斯能G的最小化来计算液-液相图的详细步骤(12.11节)。(4)其他方面。教材对量子化学内容的呈现控制在一适度层次，既避免了对大多数本科生来说其内容晦涩难懂以及对其中的物理思想进行过度的数学处理的情况，又不仅仅简单重复学生在之前课程所学的纯定性处理。书中讨论了现代从头算、密度泛函，半经典和分子力学方法，使学生能领会到这类计算对非理论化学家的价值。教材还比较紧密地结合了科学研究、生产实际和日常生活。书中多处适时穿插介绍了相关的内容，并在文中直接给出了相应的文献。此外，书中还用小字部分对相关内容进行了延伸和拓展，包括名人轶事等。该版教材还比较注重熵的统计和微观诠释。1.4 较较上一版的改进和变动上一版的改进和变动 与第5版相比，第6版教材在以下三个方面作了一些改进和变动：(1)增加习题的综合性。学生们经常会发现，如果在学习某一节内容后立即做题通常较易入手，但是当面对涵盖有几章内容的题目时则往往有困难。为了解决这个问题，编者在第3、6、9、12、16、19和21章习题的后面添加了复习题，每套复习题大约覆盖了三章内容，以提高学生综合运用知识解决复杂问题的能力。(2)删减部分内容。为了避免该版教材页码增加过多、使用不便的问题，取消了第5版中有关表面化学的第13章，而将该章部分内容安排在第7章(单组分相平衡和表面)和第16章(反应动力学)中，其余则被省去。另外，第5版中4.2节(非平衡系统的热力学性质)、10.5节(非电解质活度系数模型)、17.19节(核衰变)和21.15节(光电谱)被删除，一些之前出现在这些章节中的内容在第6版中被安排在一些习题中了。另外，其他数个小节内容也被缩减了。(3)拓展和更新了部分内容。如引入了有关纳米粒子(7.6节)、碳纳米管(23.3节)、药物中的多型现象(7.4节)、扩散控制的酶反应(16.17节)、二面角的预测(19.1节)、密度泛函理论中新泛函(19.10节)、新的半经典方法(RM1，PM5和PM6)(19.11节)、核自旋对转动能级简并度的影响(20.3节)、使用蛋白质IR谱研究蛋白质折叠的动力学(20.9节)、变分过渡态理论(22.4节)和蛋白质折叠分子动力学计算(Foldinghome project)(23.14节)等。1.5 一些不足一些不足 本书在以下一些方面存在不足：(1)在内容编排上，属于同一主题的内容安排不够集中，而是被分散到不同的章节中，一定程度上影响了内容的系统性和完整性；(2)与国内物理化学教材3比较，有关非平衡态热力学以及胶体和表面化学的内容相对较少，尤其在第6版中去掉了表面化学一章，似乎与学科发展的趋势不太一致；(3)图、表设计尚不够精美，鲜有彩色立体图；(4)没有相应的网站，相关教学资源比较缺乏。2 McQuarrie和和Simon的的Physical Chemistry-A Molecular Approach介绍介绍 2.1 编写指导思想编写指导思想 根据前言，两位作者在编写本教材时的指导思想主要包括：(1)从宏观到微观是物理化学历史发展的真实面貌，但现代物理化学研究更多地聚焦于分子层面，以求对化学反应本质有更深入的理解；(2)过去几十年物理化学的研究进展已经改变了物理化学的焦点(重点)，应该适当地反映在物理化学课程和教材中；(3)必要的数学知识是物理化学课程中不可或缺的，恰当适时的数学复习将有助于学生对物理化学课程的学习。2.2 主要内容主要内容和和章节编排章节编排 本书由31章内容组成，依次为：量子理论的开端，经典的波动方程，薛定谔方程和盒中一个粒子，量子力学的一些假设和一般原理，谐振子和刚性转子：两个谱学模型，氢原子，近似方法，多132 大 学 化 学 Vol.38 电子原子，化学键：双原子分子，多原子分子中的成键，计算量子化学，群论：对称性的研发利用，分子光谱，核磁共振谱学，激光、激光光谱和光化学，气体的性质，玻兹曼因子和配分函数，配分函数和理想气体，热力学第一定律，熵和热力学第二定律，熵和热力学第三定律，亥姆霍兹能和吉布斯能，相平衡，溶液I：液-液溶液，溶液II：固-液溶液，化学平衡，气体动理论，化学动力学I：速率方程，化学动力学II：反应机理，气相反应动态学，固体和表面化学。其中，前15章和第31章前半部分主要是国内结构化学的内容，1630章和第31章后半部分主要是国内常见的“小”物理化学教材的教学内容。全书共1360页，是一本典型的“大”物理化学教材。另外，在前后封面内页上给出了一些物理常数的值、能量单位的转换因子、压力转换因子、一些常用的非SI单位、希腊字母和一些数学公式。书中的量、单位和符号均遵循1993年IUPAC的规定。总体上看，该书主要强化了结构化学部分的内容。另外，在化学动力学部分强化了微观动力学内容，即气相反应动态学，在统计热力学部分引入了系综的概念和相应的处理方法。2.3 主要主要特色特色(1)强调了通向物理化学的分子途径(molecular approach)。与其他大多数物理化学教材不同，本书先从微观入手，中间以统计为桥梁，最后过渡到宏观，用分子的观点来理解和解释化学现象和反应的本质。先讨论量子力学原理，在中间则辅以统计过渡，然后就可以在接下来的热力学和动力学部分广泛地使用这些思想。例如，在介绍第19章热力学第一定律之前，先介绍玻兹曼因子和配分函数(第17章)以及配分函数和理想气体(第18章)；克劳修斯不等式的引出没有用到卡诺定理；这样便于对热力学三大定律和许多热力学公式给出相应的分子解释。(2)结合过去几十年物理化学的研究进展，作者在教材中引入或强化了计算量子化学(第11章)、群论(第12章)、核磁共振谱学(第14章)以及激光、激光光谱和光化学(第15章)、气相反应动态学(第30章)这几章内容，以便与目前人们主要从事的物理化学研究相呼应。(3)在各章之间穿插安排了10个数学章节(MathChapter)，包括复数、概率和统计、矢量、球坐标、行列式、矩阵、数值方法、偏微分、级数和极值、二项式分布和斯特林近似公式。这些数学章节被安排在需要该部分数学知识的章节之前，便于学生提前复习下章中所需的数学知识。(4)各章中每一节的标题都用一句话来概括或突出该节内容的核心要义，便于读者抓住重点。例如，第1章量子理论的开端中，各节的标题依次为：黑体辐射不能用经典物理来解释、普朗克用量子假设导出了黑体辐射定律、爱因斯坦用量子假设解释了光电效应、氢原子光谱由数个系列的谱线组成、里德堡公式说明了氢原子光谱中的所有谱线、路易斯德布罗意提出物质具有波动性、德布罗意波被实验观测到、氢原子的玻尔理论可用来导出里德堡公式、海森堡不确定性原理指出一个粒子的位置和动量不能无限精度地被同时确定。(5)普遍使用计算机。在各章习题中，设置了一些鼓励学生使用计算机和一些软件(如MathCad、Mathematica、Excel、Lotus123、Kaleidagraph)求解高阶代数方程、绘图、实验数据拟合等的习题，强调了计算机和软件的使用。(6)整本教材文字叙述比较详细，各章均设置了较多的例题和习题。另外，各章首页有相关著名科学家的介绍并配有照片。2.4 一些不足一些不足 该书在以下一些方面存在不足：(1)与国内物理化学教材3比较，缺少了电化学和胶体化学两部分内容；在相平衡一章中也没有有关二组分和三组分相图的介绍；(2)图、表设计尚不够精美，鲜有彩色立体图；(3)虽然也建有相应的网站，但相关资源较少。3 结语结语 Levine的Physical Chemistry(6th edition)以及McQuarrie和Simon的Physical Chemistry-A Molecular Approach两本经典物理化学英文教材，在编写理念以及内容设置和编排等方面都有其鲜明的特色，No.6 doi:10.3866/PKU.DXHX202303070 133 对我国未来的物理化学教材建设具有一定的启示和借鉴作用。略显遗憾的是，两本教材最新版的出版时间都比较久远，前者为2009年，后者则为1997年，至今没有修订再版，给教材的进一步使用带来不利影响。参参 考考 文文 献献 1 Levine,I.N.Physical Chemistry,6th ed.;Mc Graw Hill:Boston,MA,USA,2009.2 McQuarrie,D.A.;Simon,J.D.Physical Chemistry-A Molecular Approach;University Science Books:Sausalito,CA,USA,1997.3 傅献彩,侯文华.物理化学(上册).第6版.北京:高等教育出版社,2022.