本书着眼于面向未来人才培养的需要,直面现有大学教学体系的挑战,旨在通过“自上而下”的方式打开化学和科学的世界。全书各章均由“框架”“核心内容”“案例研究”三部分组成。“框架”展示宏观知识背景,阐述科学概念对于科学和技术在应对挑战中的关键作用;“核心内容”给出知识图谱后,介绍化学的基本概念,通常“先给出一个有待解决的、令人关注的问题”,再给出定义或者引入公式,从宏观到微观、从定性到定量,阐述现代物质科学中的基本概念及其关联;“案例研究”则将核心概念与全球背景联系起来,结合能源、环境、气候等方面的实例,提出问题并进行分析。学习本书后,希望读者了解化学和物理学原理在应对全球挑战中的核心作用,掌握核心概念,如能量与转换、热力学、动力学、酸碱和氧化还原反应、电化学、量子力学、催化、材料与核化学等,建立这些核心概念与更广泛的全球背景之间的直接联系。
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1985、1988和1991年在北京大学获得本科、硕士和博士学位,1995-1997年在德国亚琛工业大学做洪堡学者共发表文章500余篇,总被引次数超过35000次,H因子92
目录
中文版序
译者的话
原著前言
作者简介
1 能量——基本概念及其转化规律 001
框架 002
核心内容 007
知识图谱 007
能量作为科学概念的出现 009
能量、功和牛顿定律 011
能量守恒:追踪能量流动 015
分子层面的能量:微观和宏观形式的能量 017
表面动能和势能的相互转化 018
热功当量 020
分子尺度上的热与温度 022
电磁辐射在能量转化中的核心作用 026
能量与功率的重要区别 030
案例研究 1.1 能源与功率的定量关联:实例分析 034
案例研究1.2 当代系统中能量、功和功率的关联机制 037
案例研究1.3 建立能量和功率的标度 040
案例研究1.4 科学方法的应用——“紫外灾难” 044
案例研究1.5 当前和未来的全球能耗与功耗的计算 046
2 原子与分子结构 051
框架 051
核心内容 058
知识图谱 058
物质的原子观 059
电子的发现 060
原子核的发现 062
原子序数、质量数和原子符号 065
同位素 065
分子结构 066
化学式 069
化学式和分子模型 069
化学计量学 071
阿伏伽德罗常量 073
摩尔质量 073
化学方程式的配平 074
氧化还原反应 078
燃烧反应中的氧化和还原 080
不含氧的氧化还原反应 081
案例研究2.1 指数增长、指数衰减和“70 定律” 084
案例研究2.2 个人能量消耗计算与可选方案分析 087
案例研究2.3 计算化学键产生的能量:化石燃料化学 094
案例研究2.4 掌握氧化还原化学:能量和氧化还原反应 098
案例研究2.5 化石燃料起源及其化学性质 105
3 热化学—— 热力学第一定律的发展 111
框架 111
核心内容 115
知识图谱 115
热力学第一定律的发展 118
内能的概念 121
热力学中的状态变量 122
热和热容:如何根据温度变化计算热能(热)传递 129
焓 132
标准生成焓 134
赫斯定律 136
压强-体积功和热力学第一定律 138
等容、等压和等温过程 141
绝热过程 147
相变以及熔化、汽化和升华过程中的热力学 152
案例研究3.1 卡诺循环:自发、可逆和热机效率之间的联系 160
案例研究3.2 热力学、热泵和个人能量预算 168
案例研究3.3 高温地热能 172
案例研究3.4 全球尺度上的相关计算:“全球能源及电力50 问”第一部分 177
4 熵和热力学第二定律 183
框架 183
核心内容 190
知识图谱 190
在分子水平上确定概率 192
熵 195
玻尔兹曼与熵的微观表述 196
熵变的定性预测:确定ΔS的符号 199
熵的定量处理:计算体系的熵变ΔS 202
连接宏观与微观:计算熵变ΔS 206
热力学第二定律 208
吉布斯自由能 208
吉布斯自由能和自发变化 210
熵的绝对值:热力学第三定律 212
化学反应熵变的计算 213
反应吉布斯自由能的计算 214
案例研究4.1 熵、自由能和可从燃料电池获取的最大功 220
案例研究4.2 最概然分布即为玻尔兹曼分布 221
案例研究4.3 能量储存方式 223
5 平衡和自由能 229
框架 229
核心内容 233
知识图谱 233
化学平衡的概念 236
平衡常数 238
从特殊到一般的Kc 通用表达式的确定:从平衡表达式开始 241
平衡常数的调控 243
以浓度单位和压强单位表示的平衡常数之间的转换 246
平衡移动 248
勒夏特列原理 252
施加外来影响的平衡体系浓度的定量确定 254
多重平衡问题 256
平衡常数、自发过程和吉布斯自由能 258
非标准条件下的吉布斯自由能 260
其他温度(非298K)的ΔGy 263
热力学平衡常数与活度 265
评估非标准条件下的自发性 266
ΔGy和Keq随温度的变化关系 266
吉布斯自由能方程的运用总结 267
吉布斯自由能:可从化学过程中获取的最大功 268
案例研究5.1 生物燃料技术及其未来 273
案例研究5.2 乙醇、净能量生产与哈伯-博施过程 278
6 溶液平衡—— 生命系统的酸碱调控 283
框架 283
核心内容 289
知识图谱 289
引言 290
水的成键结构 291
酸碱反应理论 293
酸性溶液的平衡及其吉布斯自由能变化 296
碱性溶液:pOH和pKa的调控 298
中和反应:酸加入碱 300
强酸强碱反应 301
强碱弱酸反应 303
缓冲溶液 310
滴定反应 313
强碱滴定弱酸 314
强酸滴定弱碱 315
案例研究6.1 酸碱反应,海洋碳酸化学与气候调控 322
案例研究6.2 大气中二氧化碳的直接空气捕集 330
案例研究6.3 聚光太阳能发电 335
7 电化学——吉布斯自由能、电流及化学转化的综合运用 343
框架 343
核心内容 351
知识图谱 351
自由能,电流和电化学 353
原电池或伏打电池 358
半反应 360
标准氢电极 362
计算电池电动势 365
活性电极与非活性电极 369
原电池的符号:简写式 370
电池的最大功:吉布斯自由能 372
Keq,ΔGy和Ey
cell的关系 374
原电池的耗尽:能斯特方程 376
核心关系图 378
非自发反应:推动电化学电池不断进步 379
腐蚀:引发问题的氧化还原反应 382
案例研究7.1 电池里的电化学 387
案例研究7.2 细胞电化学与ATP 在生物供能中的作用 393
案例研究7.3 为交通运输行业提供动力的电力、磁力和电动机 397
案例研究7.4 全球尺度上的相关计算:“全球能源及电力50问”第二部分 402
案例研究7.5 酸碱反应、氧化还原和电化学的联系 408
8 量子力学,波粒二象性和单电子原子 413
框架 413
核心内容 417
知识图谱 417
波与粒子:从分立到统一 419
爱因斯坦,光子,普朗克理论和光电效应的统一 419
光子的动量 424
原子发射光谱 425
氢原子的玻尔模型 427
电子的德布罗意波长 434
波的本质和波动方程 435
势阱中的粒子:一个重要的范例 439
电子在势阱中位置的不确定性 444
薛定谔方程 447
氢原子 448
氢原子能级 451
确定薛定谔方程解中径向和角度函数的量子数 451
薛定谔波函数ψn,l,ml(r,θ,?)的物理含义 460
案例研究8.1 量子力学隧穿 467
案例研究8.2 太阳能发电的基本原理 473
9 多电子体系的量子力学,轨道结构和化学反应性的关联 481
框架 481
核心内容 485
知识图谱 485
多电子原子 487
钻穿、屏蔽和有效核电荷 489
构建周期表 492
构建第三周期 494
构建第四周期 496
周期表的结构 497
周期性与化学反应性的联系 498
电子的屏蔽和钻穿 500
原子大小的周期趋势 501
电离能的周期趋势 503
电子亲和能的周期趋势 506
电离能与电子亲和能周期性联系 506
电负性:电离能与电子亲和能概念的整合 507
金属的化学行为趋势 508
案例研究9.1 多电子原子中电子结构和化学反应性的统一 512
案例研究9.2 稀土元素:应用、化学、资源和生产 519
案例研究9.3 计算个人碳足迹 528
10 分子成键理论Ⅰ——价电子构型、电子共享和分子形状预测 535
框架 536
核心内容 541
知识图谱 541
分子键的结构 543
化学键的类型 548
化学键中价电子的表示 550
离子键的路易斯结构 552
晶格能与离子晶体的形成 553
路易斯结构与共价键 554
共价键的路易斯结构 554
共价单键的路易斯结构:双原子分子 555
共价单键的路易斯结构:多原子分子 555
路易斯结构与键合特性 557
构建多原子分子化合物的路易斯结构 558
形式电荷法 562
路易斯理论的局限性 563
分子形状的确定:价层电子对互斥理论 565
分子的形状:键长和键能 571
案例研究10.1 用路易斯结构深刻理解化学反应性 576
案例研究10.2 美国风力发电的潜能 589
案例研究10.3 癌症、DNA和由氢键产生的结构 594
11 分子成键理论Ⅱ——基于量子力学的共价键理论 603
框架 603
核心内容 611
知识图谱 611
价键理论:轨道重叠与化学键的命名 613
分子结构与杂化键的概念 619
sp3杂化与甲烷的结构 620
sp2杂化与σ和π双键的形成 622
sp杂化与三键的形成 624
sp3d和sp3d2杂化轨道:三角双锥和八面体几何结构 627
分子轨道理论与电子离域 630
成键轨道和反键轨道 632
O2的分子轨道结构 635
分子轨道结构和势能结构 636
同核双原子的分子轨道 639
异核分子的分子轨道 641
苯的分子轨道:离域的核心作用 643
案例研究11.1 化学键、光谱学和分子运动 649
案例研究11.2 化学键、光谱学和气候控制 654
案例研究11.3 材料:从分子轨道理论到固态电子学 658
案例研究11.4 现代电子学基础:从p-n 结到光伏和LEDs 665
12 动力学——控制化学反应速率的原理 675
框架 675
核心内容 684
知识图谱 684
动力学 687
化学反应和分子碰撞 688
总反应与基元反应 690
化学反应速率的测定 691
反应速率常数的测定 693
反应速率级数:确定浓度对反应速率的影响 695
零级、一级、二级和三级反应动力学的行为 698
速率方程的积分式:定义浓度随时间变化的函数 702
稳态近似 707
阿伦尼乌斯公式:温度依赖性 711
分子运动与阿伦尼乌斯公式的关联 712
阿伦尼乌斯公式的数学变换 715
案例研究12.1 动力学、催化、自由基和南极臭氧空洞 720
案例研究12.2 氧气、光化学与地球生命形式的进化 726
13 核化学——能源、反应堆、成像和放射性碳测年 731
框架 731
核心内容 744
知识图谱 744
基本核粒子和反应 745
核反应:聚变 746
核稳定性:结合能 747
核反应:裂变 748
放射性年代测定法 750
附录 753
附录A 所选物质在标态的热力学参数值(298K) 753
附录B 物质的平衡常数 757
附录C 298K标准电极(半电池)电势 763
附录D 基本物理常数、SI前缀与换算关系 764
附录E 原子序数和原子量 765
附录F 元素周期表 767
索引 769