工科基础化学(赵振波)

本书是长春工业大学“提升本科教育教学质量”教学改革重大项目“基础化学教学内容及课程体系的改革”课题的研究成果。
全书共分19章，主要内容有：气体、热力学；化学热力学；化学动力学；界面化学；光化学；催化作用；原子结构与元素周期性；共价键与分子的结构；分析质量保证与控制；样品采集与处理；化学定量分析；电化学原理及应用；吸光光度法；色谱；有机化合物的分类命名、结构和物理性质；基本有机化合物；元素化学。
本书可作为高等院校非化学多学时专业，如化学工程与工艺、生物技术、生物工程、制药工程、环境工程、高分子材料与工程、资源循环科学与工程、食品科学与工程等专业的基础化学教材，也可作为金属材料工程专业、材料成型及控制工程专业、材料物理专业的高校师生的基础化学教材和参考书。

赵振波，长春工业大学，教授 基础化学教研室主任长期从事物理化学、绿色化学等相关专业的教学与科研工作，具有丰富的相关教学经验。主持长春工业大学金属材料专业基础化学教学内容与课程体系改革、生物食品专业基础化学教学内容与课程体系改革，长春工业大学基础化学教学内容课程体系综合改革研究与实践等教学改革项目。

本书是长春工业大学“提升本科教育教学质量”教学改革重大项目“基础化学教学内容及课程体系的改革”课题的研究成果。
课程体系是传统教学内容各门课的整合。我国传统上实施的是沿袭前苏联“无机化学”、“有机化学”、“分析化学”和“物理化学”的传统模式。随着美国、英国等国世界著名大学在物理化学基础之上营造化学大厦课程体系在人才培养上所取得的骄人成绩的冲击，近年来我国一些高校结合国情、校情，尝试实施了一些新课程体系。
教育部化学类专业教学指导委员会规定的教学内容是教育教学改革、培养合格人才的指南。无论是基本教学内容还是特色教学内容都要不折不扣地在课程内容中予以贯彻，都要尽可能赋予新内涵、尽可能用最新的学术成果阐述、尽可能与科学技术前沿相结合，做到“常教常新、常教常精”，不断实现教学内容的创新。
教学内容的内在逻辑关联和学校具体的人才培养情况是课程体系制定的根本依据。
本书根据《高等学校化学类专业指导性专业规范》，在一级学科层面安排教学内容，知识点一旦出现，就要讲到位，达到教学基本要求，避免内容重复，并对原有教学大纲安排进行适当调整。
本书由长春工业大学化学与生命科学学院赵振波、孙国英、侯瑞斌和任清任主编，关爽、傅海、朱晓飞、姜春竹、尚小红、杨国程老师也参加了部分章节的编写工作。
本书在编写过程中，得到了校、院领导，以及许多其他老师的大力支持和热情帮助，在此向所有支持者表示衷心的感谢!
本书是对工科基础基础化学教材改革的尝试，内容选择和章节编排上难免存在疏漏之处，匆忙之际，不当之处在所难免，恳请读者不吝指正。

编者
2015年9月于长春

第1章气体1
1.1理想气体1
1.1.1理想气体状态方程1
1.1.2摩尔气体常数2
1.1.3理想气体模型3
1.1.4理想气体混合物3
1.2实际气体4
1.2.1实际气体的行为4
1.2.2范德华方程5
1.2.3其他状态方程式7
1.3气液间的转变-实际气体的等温线和液化7
1.3.1液体的饱和蒸气压7
1.3.2临界参数8
1.3.3真实气体的p-Vm图及气体的液化8
1.3.4范德华方程式的等温线8
1.3.5范德华气体的临界参数8
1.3.6对比状态和对比状态定律9
1.4压缩因子图———实际气体的有关计算9
1.4.1普遍化压缩因子9
1.4.2普遍化压缩因子图9
1.4.3压缩因子图的应用10
第2章热力学11
2.1热力学概论11
2.1.1热力学的目的和内容11
2.1.2热力学方法的重要性和局限性11
2.2热力学基本概念12
2.2.1体系与环境12
2.2.2体系的分类12
2.2.3体系的性质12
2.2.4热力学平衡态13
2.2.5状态和状态函数13
2.2.6过程和途径14
2.2.7热和功14
2.3热力学第一定律15
2.3.1热力学第一定律的文字表述15
2.3.2热力学能15
2.3.3热力学第一定律的数学表达式16
2.4热的计算16
2.4.1单纯变温过程热的计算16
2.4.2相变过程热的计算18
2.5可逆过程20
2.5.1不同过程时的体积功20
2.5.2可逆过程22
2.5.3理想气体绝热可逆过程方程22
2.5.4卡诺循环23
2.6实际气体的ΔU和ΔH24
2.6.1焦耳-汤姆逊效应24
2.6.2实际气体的pV-p等温线26
2.6.3实际气体的ΔU和ΔH26
2.7热化学27
2.7.1标准态27
2.7.2化学反应计量式(标准式)27
2.7.3反应进度27
2.7.4标准摩尔反应焓28
2.7.5盖斯定律28
2.7.6标准摩尔生成焓28
2.7.7标准摩尔燃烧焓29
2.7.8标准摩尔反应焓与温度的关系———基尔霍夫定律30
2.7.9恒压热效应和恒容热效应30
2.8两个热力学定律简介31
2.9自发过程的不可逆性31
2.9.1自发过程的方向和限度31
2.9.2自发过程的不可逆性31
2.10热力学第二定律32
2.10.1热力学第二定律的经典叙述32
2.10.2两种经典叙述的等效性33
2.10.3卡诺定理33
2.11熵34
2.11.1可逆过程的热温商与熵34
2.11.2不可逆过程的热温商36
2.11.3热力学第二定律的本质和熵的统计意义38
2.12熵变的计算39
2.12.1理想气体体系熵变的计算39
2.12.2相变过程41
2.13热力学第三定律和化学反应的熵变42
2.13.1热力学第三定律42
2.13.2由标准熵计算标准摩尔反应熵43
2.14亥姆霍兹函数和吉布斯函数43
2.14.1亥姆霍兹函数及其判据43
2.14.2吉布斯函数及其判据44
2.15热力学状态函数间的关系式44
2.15.1热力学基本方程44
2.15.2对应系数关系式45
2.15.3其他判据式45
2.15.4麦克斯韦关系式46
2.15.5麦克斯韦关系式的应用46
2.15.6吉布斯-亥姆霍兹方程47
2.16ΔG的计算47
第3章化学热力学49
3.1多组分体系的热力学49
3.1.1概述49
3.1.2组成的表示法49
3.1.3偏摩尔量50
3.1.4化学势53
3.1.5气体组分的化学势55
3.1.6稀溶液中的两个经验定律58
3.1.7理想液态混合物59
3.1.8理想稀溶液61
3.1.9稀溶液的依数性64
3.1.10活度与活度因子66
3.2化学平衡69
3.2.1化学反应的摩尔吉布斯函数70
3.2.2化学反应等温方程式和标准平衡常数71
3.2.3标准摩尔反应吉布斯函数的计算74
3.2.4平衡常数的测定和平衡转化率的计算74
3.2.5温度、压力及惰性气体对化学平衡的影响75
3.2.6同时平衡77
3.3相平衡78
3.3.1相律78
3.3.2单组分体系的相平衡81
3.3.3二组分体系理想液态混合物气液平衡相图83
3.3.4二组分真实液态混合物气液平衡相图86
3.3.5二组分液态部分互溶的双液系90
3.3.6二组分液固平衡相图95
第4章化学动力学104
4.1化学反应的反应速率及速率方程104
4.1.1反应速率的定义105
4.1.2反应速率的图解表示106
4.1.3基元反应和复合反应106
4.1.4基元反应的速率方程———质量作用定律107
4.1.5反应级数108
4.1.6用气体组分的分压表示的速率方程108
4.2具有简单级数的化学反应108
4.2.1零级反应108
4.2.2一级反应109
4.2.3二级反应110
4.2.4n级反应112
4.3温度对反应速率的影响113
4.3.1范特霍夫规则113
4.3.2阿伦尼乌斯方程114
4.3.3活化能116
4.4典型复合反应117
4.4.1对行反应117
4.4.2平行反应118
4.4.3连串反应119
4.5复合反应速率近似处理方法120
4.5.1稳态近似法120
4.5.2平衡态近似法122
4.6链反应122
4.6.1单链反应的特征122
4.6.2单链反应的机理推导反应速率方程123
4.6.3支链爆炸反应123
4.7双分子反应的碰撞理论126
4.8单分子反应理论127
4.9过渡态理论128
4.9.1势能面和反应途径128
4.9.2过渡态理论速率常数公式的建立130
4.9.3热力学关系式131
第5章界面化学133
5.1表面自由能与表面张力、溶液表面吸附、表面吸附剂133
5.1.1表面自由能与表面张力133
5.1.2溶液表面吸附和Gibbs吸附公式134
5.1.3表面活性剂135
5.2固体表面对气体的吸附138
5.2.1物理吸附与化学吸附138
5.2.2朗格缪尔(Langmuir)吸附139
5.2.3弗罗德利希(Freundlich)等温式140
5.2.4BET多层吸附公式140
第6章胶体化学142
6.1胶体的光学性质142
6.1.1丁铎尔效应142
6.1.2瑞利公式143
6.2胶体的动力性质144
6.2.1布朗运动144
6.2.2扩散和渗透压145
6.2.3沉降与沉降平衡146
6.3胶体的电学性质147
6.3.1电动现象147
6.3.2电泳147
6.3.3电渗148
6.3.4沉降电势和流动电势149
6.4溶胶的稳定性与聚沉作用149
6.4.1溶胶的经典稳定理论———DLVO理论149
6.4.2溶胶的聚沉151
第7章光化学154
7.1单分子电子激发态衰变的相关光物理过程154
7.1.1光化学基本定律154
7.1.2单分子电子激发态衰变———雅布伦斯基(Jablonski)图155
7.2光化学反应动力学量子产率光敏与猝灭156
7.2.1量子产率156
7.2.2光化学反应动力学157
7.2.3光敏和猝灭157
第8章催化作用159
8.1催化剂与催化作用159
8.1.1概念159
8.1.2催化反应机理159
8.1.3催化剂的基本特征160
8.2均相催化复相催化酶催化161
8.2.1均相催化161
8.2.2复相催化161
8.2.3酶催化162
第9章原子结构与元素周期性163
9.1原子结构的近代概念163
9.1.1玻尔氢原子模型163
9.1.2电子的波粒二象性164
9.1.3微观粒子运动的统计性规律164
9.1.4测不准原理164
9.2核外电子运动状态的描述165
9.2.1波函数与原子轨道165
9.2.2原子轨道角度分布图166
9.2.3电子云167
9.2.4量子数168
9.3原子中电子的分布169
9.3.1多电子原子轨道能级169
9.3.2基态原子中电子的分布171
9.3.3元素周期系与核外电子分布的关系174
9.4元素性质的周期性176
9.4.1原子半径176
9.4.2电离能177
9.4.3电子亲和能177
9.4.4元素的电负性179
第10章共价键与分子的结构180
10.1价键理论180
10.1.1共价键的形成180
10.1.2价键理论的要点180
10.1.3共价键的特征181
10.1.4共价键的类型181
10.1.5价键理论的局限性183
10.2杂化轨道理论183
10.2.1杂化轨道理论的要点183
10.2.2杂化类型与分子构型183
*10.3价层电子对互斥理论186
10.3.1价层电子对互斥理论要点186
10.3.2分子的空间结构187
10.4分子轨道理论188
10.4.1分子轨道的形成189
10.4.2分子轨道能级189
10.4.3电子在分子轨道中的分布189
10.5分子间力与氢键190
10.5.1分子的极性与偶极矩190
10.5.2分子的变形性191
10.5.3分子间力191
10.5.4氢键193
10.6晶体结构194
10.6.1晶体及其内部结构194
10.6.2离子晶体195
10.6.3原子晶体和分子晶体198
10.6.4金属晶体198
10.6.5混合型晶体199
10.6.6离子极化对物质性质的影响200
第11章分析质量保证与控制204
11.1分析误差理论204
11.1.1误差与偏差204
11.1.2准确度与精密度206
11.1.3误差的来源(sourcesoferror)207
11.1.4提高分析准确度的方法208
11.1.5有效数字的意义及位数209
11.1.6有效数字的修约规则210
11.1.7计算规则211
11.1.8分析化学中数据记录及结果表示211
11.2分析化学中的数据处理212
11.2.1随机误差的正态分布212
11.2.2提高分析结果准确度的方法213
11.3分析质量控制214
11.3.1质量保证与质量控制概述214
11.3.2分析全过程的质量保证与质量控制217
11.3.3标准方法与标准物质218
第12章样品采集与处理220
12.1采样方法221
12.1.1固体试样的采集221
12.1.2液体试样的采集222
12.1.3生物样品的采集与制备223
12.1.4气体样品的采集225
12.2样品预处理方法225
12.2.1溶解法226
12.2.2熔融法227
12.2.3半熔法227
12.2.4干法灰化法228
12.2.5微波消解法228
12.3分离和富集方法231
12.3.1沉淀分离法232
12.3.2液-液萃取分离法234
12.3.3离子交换分离法238
12.3.4液相色谱分离法242
第13章化学定量分析244
13.1滴定分析基本原理、基准物质与标准溶液、多组分选择滴定244
13.1.1滴定分析法概述244
13.1.2标准溶液和基准物质246
13.1.3酸碱滴定法250
13.1.4配位滴定法262
13.2重量分析基本原理沉淀溶解平衡274
13.2.1重量分析法的分类和特点274
13.2.2重量分析法的分析过程及对沉淀的要求275
13.2.3重量分析法应用选例276
13.2.4沉淀溶解平衡276
第14章电化学原理及应用278
14.1电化学原理278
14.1.1电解质溶液的导电机理278
14.1.2离子在电场中的迁移279
14.1.3电解质溶液的电导281
14.1.4强电解质的活度和活度系数285
14.1.5可逆电池与不可逆电池288
14.1.6电池电动势的产生及测定290
14.1.7可逆电池的热力学293
14.1.8电极电势295
14.1.9电解与极化299
14.1.10析出电位及金属的分离301
14.1.11金属的腐蚀与防腐302
14.2电位分析法303
14.2.1电位分析法的基本原理304
14.2.2离子选择性电极的分类305
14.2.3电位分析法308
14.3氧化还原滴定法309
14.3.1氧化还原反应平衡309
14.3.2氧化还原反应进行的程度310
14.3.3氧化还原反应的速率与影响因素311
14.3.4氧化还原滴定曲线及终点的滴定312
14.3.5氧化还原滴定指示剂313
14.3.6高锰酸钾法314
14.3.7重铬酸钾法315
14.3.8碘量法316
第15章吸光光度法319
15.1吸光光度法基本原理319
15.1.1物质对光的选择性吸收320
15.1.2光的吸收基本定律321
15.1.3朗伯-比耳定律321
15.2光度计及其基本部件322
15.2.1分光光度计的主要部件322
15.2.2吸光度的测量原理323
15.3显色反应及显色条件的选择323
15.3.1显色反应和显色剂323
15.3.2显色反应条件的选择324
15.3.3吸光度测量条件的选择326
15.4吸光光度法的应用326
15.4.1定量分析326
15.4.2配合物组成和酸碱离解常数的测定328
15.4.3酸碱离解常数的测定328
15.5紫外吸收光谱法简介329
15.5.1基本原理330
15.5.2紫外可见分光光度计332
15.5.3紫外可见吸收光谱法的应用333
第16章色谱336
16.1色谱基础理论336
16.1.1色谱法的分类336
16.1.2色谱法基础知识及术语337
16.1.3色谱动力学基础理论339
16.2气相色谱344
16.2.1气相色谱固定相345
16.2.2典型的气相色谱检测器347
16.3液相色谱与高效液相色谱349
16.3.1高效液相色谱仪350
16.3.2高效液相色谱的固定相、流动相353
16.4色谱-质谱联用354
16.5毛细管电泳355
第17章有机化合物的分类、命名、结构和物理性质357
17.1有机化合物的分类357
17.1.1按照碳的骨架分类357
17.1.2按官能团分类358
17.2有机化合物的表示方法359
17.3有机化合物的命名359
17.3.1俗名和普通命名法360
17.3.2衍生物命名法360
17.3.3系统命名法360
17.4有机化合物的同分异构370
17.4.1同分异构观象370
17.4.2构造异构371
17.5有机化合物物理性质及与结构的关系371
17.5.1沸点与分子结构的关系371
17.5.2熔点与分子结构的关系372
17.5.3溶解度与分子结构的关系373
第18章基本有机化合物374
18.1饱和烃374
18.1.1链烷烃374
18.1.2环烷烃381
18.1.3饱和烃的主要来源和用途386
18.2不饱和烃387
18.2.1单烯烃388
18.2.2炔烃398
18.2.3二烯烃404
18.3芳烃408
18.3.1单环芳烃409
18.3.2多环芳烃422
18.3.3芳香性,休克尔(Hückel)规则427
18.3.4芳烃的来源、制法与应用429
18.4立体化学430
18.4.1异构体的分类430
18.4.2对映异构430
18.4.3偏振光和比旋光度432
18.4.4分子的手性和对称因素435
18.4.5含一个手性碳的化合物436
18.4.6构型和构型标记437
18.4.7含两个手性碳原子化合物438
18.4.8环状化合物的立体异构439
18.4.9不含手性碳原子化合物的旋光异构440
18.4.10旋光异构在研究反应历程中的应用441
18.4.11立体专一性445
18.5卤代烃445
18.5.1卤代烃的分类与结构445
18.5.2物理性质446
18.5.3化学性质446
18.5.4不饱和卤代烃和卤代芳烃461
18.5.5重要的卤代烃463
18.6有机化合物的波谱分析466
18.6.1核磁共振波谱466
18.6.2红外吸收光谱472
18.7醇、酚、醚和环氧化合物477
18.7.1醇478
18.7.2酚490
18.7.3醚和环氧化合物497
18.8醛和酮503
18.8.1醛、酮的定义和分类503
18.8.2羰基的结构503
18.8.3醛、酮的物理性质504
18.8.4醛、酮的化学性质505
18.8.5醛和酮的制法520
18.9羧酸及羧酸衍生物521
18.9.1羧酸521
18.9.2羧酸衍生物530
18.10有机含氮化合物539
18.10.1硝基化合物539
18.10.2胺类543
18.10.3重氮及偶氮化合物554
18.11杂环化合物562
18.11.1杂环化合物的分类562
18.11.2单杂环化合物的结构与芳香性563
18.11.3单杂环化合物的化学性质564
18.11.4重要五元杂环及衍生物569
第19章元素化学571
19.1氢、氢能源571
19.1.1氢原子的性质及其成键特征571
19.1.2氢气的物理性质与化学性质572
19.1.3氢气的制备573
19.1.4氢能源574
19.2ⅠA、ⅡA族元素及其化合物577
19.2.1概述577
19.2.2单质的性质578
19.2.3重要化合物579
19.2.4盐类582
19.2.5对角线规则583
19.3ⅢA-ⅦA族元素及其化合物584
19.3.1硼族元素的特性584
19.3.2碳族元素590
19.3.3氮族元素597
19.3.4氧族元素605
19.3.5卤族元素618
19.4稀有气体628
19.4.1稀有气体的存在、结构、性质和用途629
19.4.2稀有气体化合物630
19.5ⅠB、ⅡB族元素及其常见化合物632
19.5.1铜族(ⅠB)元素632
19.5.2锌族(ⅡB)元素636
19.6过渡元素及其常见化合物641
19.6.1过渡元素概述641
19.6.2钛族、钒族元素644
19.6.3铬族元素648
19.6.4锰族元素652
19.6.5铁系元素和铂系元素654
19.7稀土元素660
19.7.1镧系元素概述661
19.7.2镧系元素的重要化合物663
19.7.3镧系元素的提取664
19.7.4稀土元素的应用665
参考文献