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大學化學(第二版) 版權信息
- ISBN:9787030747426
- 條形碼:9787030747426 ; 978-7-03-074742-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
大學化學(第二版) 內容簡介
本書在**版的基礎上進行了修訂、更新。保留了**版的主要框架體系和特點,增加課程思政要素,明確非化學化工專業化學素質教育的內涵,提高學生在實踐中用科學的化學思維認識、處理問題的能力。
全書共3篇12章,包括化學熱力學、化學反應速率、化學平衡、電化學原理及其應用、溶液與膠體、原子結構與周期表、化學鍵與分子結構、晶體結構、環境與化學、能源與化學、材料與化學、生命與化學,以及教學案例及拓展知識等線上資源。
大學化學(第二版) 目錄
第二版前言
**版前言
緒論1
0.1化學發展史簡介1
0.2化學研究的主要內容3
0.3現代化學的前沿領域5
0.4諾貝爾化學獎史6
0.5如何學好大學化學7
第1篇化學反應的基本規律
第1章化學熱力學11
1.1基本概念11
1.1.1體系與環境11
1.1.2體系的性質12
1.1.3體系的狀態與狀態函數12
1.2熱化學和焓13
1.2.1熱力學**定律13
1.2.2焓與化學反應的熱效應14
1.3化學反應的方向21
1.3.1自發過程21
1.3.2熵22
1.3.3吉布斯自由能24
1.3.4吉布斯-亥姆霍茲公式及其應用26
習題31第2章化學反應速率34
2.1化學反應速率及其表示方法34
2.2反應速率理論36
2.2.1碰撞理論36
2.2.2過渡狀態理論37
2.2.3化學反應的機理37
2.3影響化學反應速率的因素38
2.3.1濃度與化學反應速率的關系38
2.3.2溫度與化學反應速率的關系41
2.3.3催化作用43
2.3.4影響多相反應速率的因素45
習題46
第3章化學平衡49
3.1平衡常數49
3.1.1分壓定律49
3.1.2幾種平衡常數51
3.1.3標準平衡常數K*與*rGm*的關系54
3.1.4化學平衡的移動56
3.1.5多重平衡58
3.2弱電解質的解離平衡59
3.2.1弱酸、弱堿的解離平衡59
3.2.2緩沖溶液61
3.2.3酸堿質子理論64
3.3沉淀溶解平衡65
3.3.1溶度積65
3.3.2溶度積規則66
3.3.3沉淀的生成與溶解67
3.3.4分步沉淀71
3.4配離子的解離平衡72
3.4.1配合物的基本概念72
3.4.2配離子的解離平衡74
3.4.3配合物的應用76習題77
第4章電化學原理及其應用80
4.1原電池和電極電勢80
4.1.1原電池80
4.1.2電極電勢82
4.1.3電動勢與吉布斯自由能變的關系85
4.1.4電極電勢的應用86
4.2電解88
4.2.1電解現象88
4.2.2電解的應用90
4.3金屬的腐蝕與防護92
4.3.1化學腐蝕與電化學腐蝕92
4.3.2金屬腐蝕的防護94
4.3.3混凝土的腐蝕與防護95
4.4化學電源96
4.4.1化學電源的分類96
4.4.2新型化學電源98習題102
第5章溶液與膠體104
5.1水104
5.1.1水的結構104
5.1.2水的相圖106
5.2溶液107
5.2.1溶液的蒸氣壓下降107
5.2.2溶液的沸點升高和凝固點下降108
5.2.3溶液的滲透壓110
5.2.4電解質溶液的性質111
5.3膠體112
5.3.1分散系112
5.3.2溶膠112
5.3.3凝膠115習題117
第2篇物質結構
第6章原子結構與周期表121
6.1氫原子結構的近代概念121
6.1.1核外電子運動的特征121
6.1.2波函數123
6.1.3電子云127
6.1.4電子運動狀態的完全描述與4個量子數131
6.2多電子原子中的電子分布和周期表133
6.2.1核外電子的分布133
6.2.2原子結構和元素周期表135
6.3元素基本性質的周期性138
6.3.1有效核電荷數138
6.3.2原子半徑139
6.3.3電離能、電子親和能和電負性141
習題143
第7章化學鍵與分子結構146
7.1離子鍵與離子的結構146
7.1.1離子鍵的形成與特性146
7.1.2離子的三大特征147
7.2共價鍵與分子結構147
7.2.1價鍵理論148
7.2.2雜化軌道與分子的空間構型152
7.2.3價層電子對互斥理論156
7.2.4分子軌道理論158
7.3配位鍵與配位化合物162
7.3.1配合物的主要類型162
7.3.2配合物的價鍵理論164
7.4分子間力和氫鍵168
7.4.1分子的極性169
7.4.2分子間力170
7.4.3氫鍵172
7.5弱相互作用與超分子173
習題175
第8章晶體結構178
8.1晶體的特征178
8.1.1晶體的基本特性178
8.1.2晶體的微觀結構179
8.2晶體的基本類型182
8.2.1離子晶體182
8.2.2原子晶體184
8.2.3分子晶體185
8.2.4金屬晶體185
8.2.5混合鍵型晶體188
8.3單質的晶體結構及其物理性質的周期性190
8.3.1單質的晶體結構190
8.3.2單質的物理性質192
8.4晶體的缺陷194
8.4.1晶體缺陷的種類195
8.4.2雜質缺陷及其應用196
8.4.3非化學計量化合物197
習題199
第3篇化學與工程技術人類社會
第9章環境與化學203
9.1大氣污染及其防治203
9.1.1主要大氣污染物203
9.1.2綜合性大氣污染現象206
9.1.3大氣污染的治理技術210
9.2水污染及其治理212
9.2.1評價水質的指標212
9.2.2水污染213
9.2.3工業廢水、生活污水的處理方法215
9.2.4膜分離技術及其在水處理中的應用218
9.3固體廢物的利用與處置220
9.3.1固體廢物的綜合利用220
9.3.2固體廢物的*終處置222
9.4清潔生產與綠色化學223
9.4.1清潔生產223
9.4.2綠色化學223
習題225
第10章能源與化學227
10.1能源概述227
10.1.1能源的概念及分類227
10.1.2我國能源現狀227
10.1.3能源發展趨勢228
10.2燃料能源229
10.2.1燃料的燃燒熱229
10.2.2燃料的化學評價230
10.2.3燃料能源的利用230
10.3核能230
10.3.1原子核及結合能230
10.3.2核裂變與核聚變232
10.3.3核能的和平利用233
10.4新型清潔能源233
10.4.1太陽能233
10.4.2地熱能234
10.4.3氫能235
10.4.4生物質能237
習題238
第11章材料與化學240
11.1重要金屬及納米材料240
11.1.1稀土金屬及應用240
11.1.2鈦及鈦合金242
11.1.3納米材料244
11.2有機高分子材料245
11.2.1高分子化合物概述245
11.2.2高分子化合物的合成248
11.2.3高分子化合物的結構和性能250
11.2.4高分子化合物的老化與防老化255
11.2.5重要的高分子材料256
11.3建筑用凝膠材料260
11.3.1石膏260
11.3.2水玻璃261
11.3.3水泥262
11.4信息材料263
11.4.1信息存儲材料263
11.4.2信息傳輸材料265
習題266
第12章生命與化學268
12.1組成生命的基本物質268
12.1.1蛋白質268
12.1.2核酸272
12.2化學元素與人體健康275
12.2.1人體的元素組成275
12.2.2化學元素的生理功能275
12.2.3微量元素276
12.3人體中的主要化學反應276
12.3.1氧化還原反應277
12.3.2水解反應277
12.3.3電化學反應277
習題278
參考文獻281
附錄283
大學化學(第二版) 節選
緒論 0.1化學發展史簡介 世界是由物質組成的,化學則是人類用以認識和改造物質世界的主要方法和手段之一。化學是研究物質的組成、結構、性質以及變化規律的科學,它的發展大致可以分為三個時期。 1.化學的萌芽 約50萬年前,“北京人”已經知道利用天然火。人類對火的利用,標志著人類社會開始用化學方法來認識和改造天然物質。掌握了用火以后,人類開始吃熟食;逐步學會了制陶、冶煉;之后又懂得了釀造、染色等。在這些生產實踐的基礎上,萌發了古代化學知識。 古人曾根據物質的某些性質對物質進行分類,并試圖追溯其本源及變化規律。公元前4世紀或更早,中國提出了陰陽五行學說,認為萬物是由金、木、水、火、土5種基本物質組合而成的。約公元前4世紀,古希臘也提出了與五行學說類似的火、氣、土、水四元素說和古代原子論。這些樸素的元素思想即為物質結構及其變化理論的萌芽。公元前3世紀,我國出現了煉丹術。煉丹術的指導思想是物質轉化,為此設計了研究物質變化用的各類器具,也創造了各種實驗方法,如研磨、混合、溶解、洗滌、灼燒、熔融、升華、密封等。 煉丹家在實驗過程中發現了若干元素,制成了某些合金,還制備和提純了許多化合物,這些成果至今仍在沿用。公元7世紀煉丹術傳到阿拉伯國家,與古希臘哲學相融合而形成阿拉伯煉丹術,阿拉伯煉丹術于中世紀傳入歐洲和非洲,形成煉銅術,后逐步演進為近代的化學。 2.化學的中興 16世紀開始,歐洲工業生產蓬勃興起,推動了醫藥化學和冶金化學的創立和發展。在元素的科學概念建立之后,通過對燃燒現象的精密實驗研究,建立了科學的氧化理論和質量守恒定律,隨后又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律,為化學的進一步發展奠定了基礎。 1661年,英國化學家波義耳(Boyle,1627—1691)發表了《懷疑派化學家》,在書中他提出了關于化學元素的概念,**次把化學確立為科學。這部專著對于化學成為一門真正獨立的學科有著重要意義。他還主張化學要想成為一門真正獨立的學科,就必須進行各種實驗。1691年12月30日,波義耳在倫敦逝世后,人們在他的墓碑上銘刻“化學之父”,以緬懷他的功績。 此后,一大批科學家在實驗的基礎上,取得了一系列研究成果。1803年英國的道爾頓(Dalton,1766—1844)建立了近代原子論,強調了各種元素的原子質量為其*基本的特征,其中量(原子是有質量的)的概念的引入成為與古代原子論的一個主要區別。近代原子論使當時的化學知識和理論得到了合理的解釋,成為說明化學現象的統一理論。1811年意大利科學家阿伏伽德羅(Avogadro,1776—1856)提出了分子假說,建立了科學的原子-分子學說,為物質結構的研究奠定了基礎。門捷列夫(Mendeleev,1834—1907)發現元素周期律后,不僅初步形成了無機化學的體系,還與原子-分子學說一起形成了化學理論體系。 通過對礦物的分析,人們發現了許多新元素,加上對原子-分子學說的實驗驗證,經典的化學分析方法也有了自己的體系。草酸和尿素的合成,原子價概念的產生,苯的環狀結構和碳價鍵四面體等學說的創立,酒石酸拆分成旋光異構體以及分子的不對稱性等的發現,推動了有機化學結構理論的建立,使人們對分子本質的認識更加深入,并奠定了有機化學的基礎。 19世紀下半葉,德國物理化學家奧斯特瓦爾德(Ostwald,1853—1932)等把物理學思想和理論引入化學之后,不僅闡明了化學平衡和反應速率的概念,而且可以定量地判斷化學反應中物質轉化的方向和條件,相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學和化學動力學的理論基礎。物理化學的誕生將化學從理論上提高到一個新的水平。 3.20世紀的化學 化學是一門建立在實驗基礎上的學科,實驗與理論一直是化學研究中相互依賴、彼此促進的兩個方面。進入20世紀以后,化學在認識物質的組成、結構、合成和測試等方面都有了長足的進展,而且在理論方面取得了許多重要成果。在無機化學、分析化學、有機化學和物理化學四大分支學科的基礎上產生了新的化學分支學科。 (1)近代物理的理論和技術、數學方法及計算機技術在化學中的應用,對現代化學的發展起了很大的推動作用。19世紀末,電子、X射線和放射性的發現為化學在20世紀的重大進展創造了條件。在結構化學方面,電子的發現和有核原子模型的確立,不僅豐富和深化了對元素周期表的認識,而且發展了分子理論。應用量子力學研究分子結構,產生了量子化學。 從氫分子結構的研究開始,逐步揭示了化學鍵的本質,先后創立了價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論。化學反應理論也隨之深入微觀世界。應用X射線作為研究物質結構的新分析手段,可以洞察物質的晶體化學立體結構。研究物質結構的譜學方法也由可見光譜、紫外光譜、紅外光譜擴展到核磁共振譜、電子自旋共振譜、光電子能譜等,與計算機聯用后,積累了大量物質結構與性能相關的資料,逐步由經驗向理論發展。隨著電子顯微鏡放大倍數不斷提高,人們可直接觀察分子的結構。 (2)經典的元素學說由于放射性的發現而產生深刻的變革。從放射性衰變理論的創立、同位素的發現到人工核反應和核裂變的實現、氘的發現、中子和正電子及其他基本粒子的發現,不僅使人類對物質的認識深入亞原子層次,而且創立了相應的實驗方法和理論;不僅實現了元素思想的轉變,而且改變了人類的宇宙觀。 20世紀,人類開始掌握和使用核能。放射化學和核化學等分支學科相繼產生,并迅速發展;同位素地質學、同位素宇宙化學等交叉學科接連誕生。元素周期表不斷擴充,并且正在探索超重元素以驗證元素“穩定島假說”。與現代宇宙學相依存的元素起源學說和與演化學說密切相關的核素年齡測定等工作,都在不斷補充和更新元素的理論。 (3)在化學反應理論方面,由于對分子結構和化學鍵認識的提高,經典的、統計的反應理論已進一步深化,在過渡態理論建立后,逐漸向微觀的反應理論發展,用分子軌道理論研究微觀的反應機理,并逐漸建立了分子軌道對稱守恒定律和前線軌道理論。分子束、激光和等離子體技術的應用使得對不穩定化學物種的檢測和研究成為現實,從而使化學動力學有可能從經典的、統計的宏觀動力學深入單個分子或原子水平的微觀反應動力學。計算機技術的發展,使得在分子、電子結構和化學反應的量子化學計算、化學統計、化學模式識別以及大規模技術處理和綜合等方面,都得到較大的進展,有的已經逐步進入化學教育。 (4)分析方法和技術是化學研究的基本手段。一方面,經典的成分和組成分析方法仍在不斷改進,分析靈敏度從常量發展到微量、超微量、痕量;另一方面,新發展的許多分析方法,可深入進行結構分析、構象測定、同位素測定,各種活潑中間體如自由基、離子基、卡賓、氮賓、卡拜等的直接測定,以及對短壽命亞穩態分子的檢測等。 (5)合成各種物質是化學研究的目的之一。在無機合成方面,氨的合成不僅開創了無機合成工業,而且帶動了催化化學,發展了化學熱力學和反應動力學。后來相繼合成了紅寶石、人造水晶、硼氫化合物、金剛石、半導體、超導材料和配位化合物二茂鐵等。在電子技術、核工業、航天技術等現代工業技術的推動下,各種超純物質、新型化合物和特殊需要的材料的生產技術都得到了較大發展。無機化學在與有機化學、生物化學、物理化學等學科的相互滲透中產生了金屬有機化學、生物無機化學、無機固體化學等新興學科。 酚醛樹脂的合成開辟了高分子科學領域,20世紀30年代聚酰胺纖維的合成,使高分子的概念得到廣泛的確認。后來,高分子的合成、結構和性能研究、應用三方面互相配合和促進,使高分子化學得以迅速發展。各種高分子材料的合成和應用,為現代工農業、交通運輸、醫療衛生、軍事技術,以及人們衣食住行各方面,提供了多種性能優異而成本較低的重要材料,成為現代物質文明的重要標志。高分子工業已發展成為化學工業的重要支柱。 20世紀是有機合成的黃金時代。化學的分離手段和結構分析方法已經有了很大發展,發現了許多新的重要的有機反應和專一性有機試劑,在此基礎上,精細有機合成,特別是在不對稱合成方面取得了很大進展。一方面,合成了各種有特殊結構和特殊性能的有機化合物;另一方面,合成了從不穩定的自由基到有生物活性的蛋白質、核酸等生命基礎物質。有機化學家還合成了有復雜結構的天然有機化合物和有特效的藥物,這些成就對促進科學的發展起了巨大的作用,為合成有高度生物活性的物質并與其他學科協同解決有生命物質的合成問題及解決生命物質的化學問題等提供了有利的條件。 化學以其自身的研究成果為其他學科如環境科學、材料科學、生命科學等的發展提供了理論依據和測試手段,化學與20世紀物質文明的突飛猛進緊密相連。當前一些重大的工業生產過程基本上都基于化學過程。從鋼鐵冶金、水泥陶瓷、酸堿肥料、塑料橡膠、合成纖維,直到醫藥、農藥、日用化妝品等,化學在人類社會中無處不在。 0.2化學研究的主要內容 1.化學的研究對象 世界是由物質組成的,而且物質處于永恒的運動之中。物質的運動形式有物理運動、化學運動和生命運動等。化學研究的內容主要是化學運動,即化學變化。在化學變化過程中,分子、原子或離子因核外電子運動狀態的改變而發生分解或化合,同時伴有物理變化(如光、熱、電、顏色、物態等),因此在研究物質化學變化的同時還應注意有關的物理變化。由于物質的化學變化與物質的化學性質有關,而物質的化學性質又同物質的組成和結構密切相關,所以物質的組成、結構和性質必然成為化學研究的內容。由于化學變化與外界條件有關,所以研究化學變化的同時還要研究化學變化發生的外界條件。 綜上所述,化學是在原子、分子或離子層次上研究物質的組成、結構、性質和相互聯系與變化規律及其應用的自然科學。 2.化學研究的基本方法 實驗方法和理論方法是化學研究常用的方法。 1)實驗方法 化學是實驗科學。例如,在研究某類藥物時,要用實驗方法制備它們,合成后需用實驗方法確定它們的組成和結構、測定化學性質和物理性質、確定毒性和療效,有時還要研究它們為什么會有這種療效和毒性。 試驗與實驗不同。試驗是實驗工作的一部分,它的目的是確定某種物質、某種方法是否具有某種性質、某種作用。例如,用藥理試驗證實某種化合物能否用于治療某種疾病等。化學工作者的實驗工作包括制備與合成、組成與結構的測定、各種性質的測定、反應機理及反應條件的研究等。 2)理論方法 化學研究以實驗為基礎,又用理論方法分析實驗結果。實驗結果只是表面現象,只有經過理論研究才能了解本質。理論研究有以下不同的方法: (1)對實驗數據進行數據處理,得到經驗規律。例如,波義耳定律、凝固點下降與濃度的關系、反應速率與溫度的關系等這些化學基本規律都是早期化學家通過實驗總結出來的。 (2)對實驗結果進行理論分析。這種處理方法比上述方法更深入,可以進一步探索事物的本質。例如,從物質光譜、磁性等實驗結果通過理論處理得到原子、分子結構。 (3)對客觀體系進行理論模擬。例如,用計算機模擬一種藥物進入人體之后藥物的作用機理。 (4)對真實體系進行理想化研究。例如,理想氣體(假定分子間沒有相互作用,分子不占有空間)是一種理想模型,因為實際氣體都是相互作用的,分子有一定的體積。只有當實際氣體無限稀薄(壓力接近零)、溫度很高時,實際氣體狀態才接近理想氣體狀態。 3.化學的學科分類 化學在發展過程中,依據所研究的分子類別和研究手段、目的、任務的不同,派生出不同層次的分支。20世紀20年代以前,化學傳統地分為無機化學、有機化學、物理化學和分析化學四個分支。20年代以后,化學的發展突飛猛進,化學研究在理論和實驗技術上都獲得了新的手段,出現了嶄新的面貌,形成了許多學科分支。僅無機化學,就有稀土元素化學、堿土元素化學、配位化學、無機合成化學等,此外還有一些交叉學科,如生物無機化學、固體無
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