本书将原分属于高等工科院校不同专业的无机化学(含普通化学)、物理化学的教学内容有机地融合在一起,对教材内容进行整合和取舍。全书分为15章,第1~4章介绍物质聚集态、化学热力学、化学动力学、化学平衡等化学基本原理;第5~7章介绍电解质溶液的解离平衡、电化学平衡和相平衡;第8章为界面现象和胶体分散系的介绍;第9~12章为原子结构、分子结构、固体结构、配合物结构的理论介绍;第13~15章为元素化学部分,主要介绍s区元素、p区元素和d区元素。每章内容均分为基础内容和拓展知识两层次,使之既有利于实施教学要求,又有利于拓展学生的知识面。书后附有习题答案和附录。
本书可作为高等院校化学化工及相关专业的无机化学、大学化学、普通化学课程教材,也可供科研、工程技术人员参考使用。
“大学化学”课程是化工及非化学化工类本科学生的一门必修基础课程,主要介绍化学基本原理和化学技能。随着社会经济的不断发展和科学技术的不断进步,我国高等教育的改革和发展进入了一个新的历史阶段,教育体制、教学内容、教学方法的改革都在更广泛、更深入地展开,因而也给大学化学教学改革提出了更高的要求。一方面,要求学生在有限的学时数条件下掌握精通的专业知识;另一方面,要求学生有更宽广的知识面,以适应学科融合、交叉和渗透背景下对复合型技术人才的需要。为此,我们以现代教育思想为指导,在教学为先、育人为本的原则下,从培养21世纪高素质工科人才的总体需要出发,针对工科本科专业学生对化学基本知识、基本技术和基本方法的需求和学时分配,对原有的工科相关专业的基础化学、普通化学、无机化学、物理化学和有机化学的部分相关知识进行整合,编写了这本《大学化学》教材,以物质聚集态、化学热力学、化学动力学、物质结构、表面化学、胶体化学、配位化学、元素化学、有机化学为基础构建了新的工科专业基础化学教学体系。力求让学生在较少的学时内对化学知识体系和化学的近代进展有一个较为全面的了解。
为了适应新世纪对具有全面素质的创新型人才的要求,本书在编写过程中力求达到内容的先进性、基础性、科学性及针对性等各方面的统一,在介绍化学的基本原理、基本技术和基本方法的前提下,注意化学与各相关学科和技术的紧密联系,讨论化学在这些学科中的应用。在内容的选择上,注意与中学化学的衔接,力求理论联系实际。在材料组织上,力求概念阐述准确严密,内容安排深入浅出、循序渐进,并注意各章内容的相互依托与交叉,便于教师教学和学生自学。本书可以作为高等学校化学工程与工艺、材料科学、环境科学与工程、资源勘查、宝石学、生物科学与工程及相关专业本科四年制学生的教材,也可作为相关教师的参考资料。在使用本书作教材时,教师可根据学生的实际情况,在保证课程基本要求的前提下,对内容进行取舍,也可对相关知识的讲授顺序进行调整。书中带“*”的内容为选学内容。参加本书编写工作的有桂林理工大学的钟福新(第4、7章)、余彩莉(第3、5、15章)、刘峥(第6、10、11、16章)、张淑华(第1、12章)、肖顺华(第2、8章)、黄红霞(第13章)、桂林电子科技大学的莫德清(第14章)和广西工学院的张倩(第9章)。最后由钟福新、余彩莉、刘峥定稿。
本书编写中参考了国内外出版的一些教材和著作,从中得到许多启发和教益,在此向这些作者表示诚挚的感谢。
本教材的出版得到了“桂林理工大学教材建设基金”的资助。
由于水平有限,教材中难免存在不足和疏漏之处,恳请读者不吝批评指正,深表感谢。
编者
2011年4月
目 录
第1章气体
1.1理想气体状态方程1
1.2气体混合物3
1.2.1道尔顿分压定理3
1.2.2阿马格分体积定律4
1.2.3气体混合物的摩尔质量5
1.3气体的液化及临界参数6
1.3.1液体的饱和蒸气压6
1.3.2临界参数6
1.3.3真实气体的pVm图与气体的液化8
1.4真实气体状态方程8
拓展知识获得诺贝尔化学奖的华人10
思考题11
习题12
第2章热力学第一定律与热化学13
2.1热力学的术语和基本概念13
2.1.1系统和环境13
2.1.2状态和状态函数14
2.1.3过程和途径14
2.1.4相15
2.2热力学第一定律15
2.2.1热和功15
2.2.2热力学能16
2.2.3热力学第一定律17
2.3热化学的术语和基本概念17
2.3.1反应进度18
2.3.2反应热18
2.3.3标准状态20
2.3.4热化学方程式21
2.3.5盖斯定律21〖1〗〖3〗大学化学(第2版)目录〖3〗〖3〗2.4热化学基本数据与反应焓变的计算22
2.4.1标准摩尔生成焓22
2.4.2标准摩尔燃烧焓23
2.4.3反应焓变的计算23
拓展知识能源24
思考题27
习题28
第3章化学动力学基础30
3.1化学动力学的任务和目的30
3.2化学反应速率表示方法31
3.3化学反应的速率方程33
3.3.1质量作用定律34
3.3.2反应级数和反应的速率常数35
3.4温度和活化能对反应速率的影响37
3.4.1温度对反应速率的影响37
3.4.2活化能Ea对反应速率的影响39
3.5化学反应速率理论和反应机理简介39
3.5.1碰撞理论39
3.5.2过渡态理论40
3.5.3反应机理与基元反应41
*3.6催化反应动力学42
3.6.1催化反应的特点42
3.6.2均相催化反应44
3.6.3气固相催化反应45
拓展知识化学动力学在考古学中的应用45
思考题46
习题46
第4章热力学第二定律与化学反应的方向和限度48
4.1热力学第二定律48
4.2熵热力学第三定律49
4.2.1混乱度、熵与微观状态数50
4.2.2热力学第三定律和标准熵52
4.2.3化学反应熵变52
4.3吉布斯函数54
4.3.1吉布斯函数的定义及吉布斯函数\[变\]判据54
4.3.2标准摩尔生成吉布斯函数55
4.3.3化学反应的吉布斯函数变计算56
4.3.4ΔG与ΔG的关系57
4.4吉布斯函数与化学平衡58
4.4.1化学平衡的基本特征58
4.4.2标准平衡常数表达式59
4.4.3标准平衡常数的应用62
4.4.4化学平衡移动64
拓展知识氧血红蛋白的平衡67
思考题68
习题70
第5章水溶液中的离子平衡72
5.1酸碱质子理论概述72
5.1.1质子酸、质子碱的定义72
5.1.2共轭酸碱概念及其相对强弱73
5.1.3酸碱反应的实质74
5.2水的解离平衡和溶液的pH75
5.2.1水的解离平衡75
5.2.2溶液的pH75
5.3弱酸、弱碱的解离平衡76
5.3.1一元弱酸的解离平衡76
5.3.2一元弱碱的解离平衡77
5.3.3多元弱酸、弱碱的解离平衡78
5.4盐溶液的解离平衡79
5.4.1强酸弱碱盐79
5.4.2弱酸强碱盐80
5.4.3酸式盐81
5.4.4弱酸弱碱盐82
5.4.5影响盐类水解的因素及其应用83
5.5缓冲溶液83
5.5.1同离子效应83
5.5.2缓冲溶液84
5.5.3缓冲溶液的pH计算85
5.5.4缓冲溶液的配制86
5.6酸碱指示剂87
5.7酸碱电子理论88
5.8沉淀溶解平衡89
5.8.1溶解度89
5.8.2溶度积90
5.8.3溶度积和溶解度之间的换算90
5.8.4溶度积规则91
5.8.5同离子效应和盐效应92
5.8.6溶液的pH对沉淀溶解平衡的影响94
5.8.7分步沉淀95
5.8.8沉淀的转化96
拓展知识水的净化与废水处理96
思考题99
习题100
第6章氧化还原反应电化学基础102
6.1氧化还原反应的基本概念103
6.1.1氧化剂、还原剂及氧化还原反应相关概念103
6.1.2氧化值和氧化态103
6.1.3氧化还原方程式的配平104
6.2电化学电池107
6.2.1原电池的构造107
6.2.2原电池符号和电极的分类107
6.2.3原电池的热力学109
6.3电极电势110
6.3.1电极电势的产生110
6.3.2标准电极电势110
6.3.3能斯特方程式112
6.3.4能斯特方程式的应用113
6.4电解119
拓展知识化学电源123
思考题125
习题126
第7章相平衡129
7.1相体系平衡的一般条件129
7.2相律131
7.2.1相、组分、自由度和自由度数131
7.2.2相律133
7.2.3相律的推导133
7.3单组分体系的相平衡135
7.3.1水的相图135
7.3.2其他单组分相图137
7.4二组分体系的相图及其应用138
7.4.1二组分体系的气液相平衡138
7.4.2二组分体系的液固相平衡147
*7.5三组分体系的相图及其应用150
拓展知识相图在现代高科技中的应用151
思考题154
习题154
第8章界面现象和胶体分散体系157
8.1表面张力和表面能157
8.1.1净吸力和表面张力的概念157
8.1.2影响表面张力的因素159
8.2纯液体的表面现象160
8.2.1弯曲界面的一些现象161
8.2.2润湿现象161
8.3固体表面的吸附163
8.3.1固体表面的特点163
8.3.2吸附作用164
8.3.3吸附曲线165
8.4溶液表面层吸附与表面活性剂167
8.4.1溶液表面层吸附167
8.4.2表面活性剂167
8.5分散系统的分类及溶胶的特性169
8.5.1分散系统169
8.5.2溶胶的特性170
8.6溶胶的稳定性和聚沉173
8.7乳浊液173
拓展知识免疫胶体金技术174
思考题176
习题176
第9章原子结构178
9.1原子结构的早期模型178
9.1.1早期原子模型178
9.1.2有核原子模型180
9.2微观粒子运动的基本特征181
9.2.1物质波181
9.2.2测不准原理183
9.3氢原子结构的量子力学描述184
9.3.1薛定谔方程184
9.3.2波函数与原子轨道184
9.3.3四个量子数185
9.3.4概率密度和电子云186
9.3.5原子轨道和电子云的图像187
9.4多电子原子结构190
9.4.1屏蔽效应和钻穿效应190
9.4.2鲍林近似能级图192
9.4.3核外电子排布规则193
9.5原子的电子结构与元素周期系196
9.5.1原子结构与元素周期表196
9.5.2元素性质的周期性197
拓展知识物质的组成基元201
思考题202
习题203
第3章化学动力学基础学习要求
(1)了解化学动力学的任务和目的。
(2)掌握化学反应速率的表示方法。
(3)掌握基元反应和简单级数反应的化学反应速率方程的表示方法;了解不同级数反应的反应特征,如速率常数的单位、反应物浓度与速率的关系、半衰期的大小等;了解反应级数的测定方法。
(4)了解温度和活化能对反应速率的影响、反应速率理论和催化反应动力学理论。
3.1化学动力学的任务和目的
在研究化学反应的过程中,研究化学反应的反应速率以及影响因素,确定反应速率与各影响因素之间的关系,无论在理论上还是在实践上都是及其重要的,它将指导我们在科学研究和实际生产中如何控制反应条件,最终达到控制合理的反应速率,提高反应效率的目的。
化学动力学和化学热力学是物理化学两大重要的分支学科,它们各有不同的研究内容。化学热力学的任务是讨论化学过程中能量转化以及解决在一定条件下某一化学反应的方向和限度问题。在化学热力学的研究中没有考虑时间因素,即没有考虑化学反应进行的速率及化学反应达到的最大限度(平衡)所需的时间。