《簡明工科基礎(chǔ)化學(xué)》(第三版)是為工科類各專業(yè)(化學(xué)化工除外)開設(shè)少學(xué)時基礎(chǔ)化學(xué)課程編寫的教材,密切聯(lián)系現(xiàn)代工程技術(shù)中遇到的問題,如材料的選擇和壽命、環(huán)境的污染與防護(hù)、能源的開發(fā)與利用、信息傳遞、生命科學(xué)發(fā)展等與化學(xué)有關(guān)的問題,深入淺出、生動有趣地介紹工科化學(xué)基礎(chǔ)理論知識。主要內(nèi)容包括物質(zhì)的聚集狀態(tài)、化學(xué)反應(yīng)原理、水溶液中的離子平衡、氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)基礎(chǔ)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、工程化學(xué)實驗。每章末附有科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示,可讀性強(qiáng),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時給以科學(xué)創(chuàng)新的啟發(fā)。每章后習(xí)題和思考與練習(xí)均附有答案。書后附錄匯集了相關(guān)的資料和需要的數(shù)據(jù)、諾貝爾化學(xué)獎獲獎情況表以及工程化學(xué)綜合測試題。《簡明工科基礎(chǔ)化學(xué)》(第三版)可作為高等院校工科類各專業(yè)開設(shè)基礎(chǔ)化學(xué)、大學(xué)化學(xué)、工程化學(xué)等課程的教材,也可供工程技術(shù)人員以及有興趣了解化學(xué)的讀者參考。
前言
《簡明工科基礎(chǔ)化學(xué)》(第三版)適合非化學(xué)化工專業(yè)的公共基礎(chǔ)化學(xué)課教學(xué)。本教材既符合公共基礎(chǔ)化學(xué)課教學(xué)大綱的要求,又深入淺出地將化學(xué)基礎(chǔ)理論知識與工程實際相結(jié)合,涉及諸如環(huán)境污染與保護(hù)、能源的開發(fā)與應(yīng)用、材料的選擇與壽命等工程技術(shù)中有關(guān)的化學(xué)問題。本教材有兩個突出特點,一是基礎(chǔ)理論中的一些定律,從另一個角度來定性給出,其中滲透科學(xué)家發(fā)現(xiàn)定律的科學(xué)思維方法,避免了繁雜的公式推導(dǎo)。二是突出化學(xué)學(xué)科中的人文精神,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣;瘜W(xué)與人類的在線課程新增視頻知識點,如手性藥物、催化材料和先進(jìn)電池材料等,可通過中國大學(xué)MOOC平臺或?qū)W銀在線進(jìn)行學(xué)習(xí)(中國大學(xué)MOOC平臺和學(xué)銀在線)。第三版教材不僅注重知識深度與廣度有機(jī)融合,而且更加注重培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、人生觀和價值觀。一是讓學(xué)生不僅熱愛祖國,增強(qiáng)民族自信,而且要奮發(fā)努力,為祖國的科技發(fā)展做貢獻(xiàn);二是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)精神、勇于探索的創(chuàng)新精神,使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)化學(xué)知識的基礎(chǔ)上,具有利用化學(xué)知識解決工程中的相關(guān)化學(xué)問題的能力。
第三版教材在編寫過程中全面貫徹黨的二十大精神,用心打造培根鑄魂、啟智潤心、適應(yīng)時代需求的優(yōu)秀教材,立足雙碳目標(biāo),尊重學(xué)科發(fā)展規(guī)律,探索高等教育創(chuàng)新路徑。在第一版和第二版的基礎(chǔ)上,第三版在每章科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示部分,增加了中外科學(xué)家近年來的研究成果。該部分不僅更新了當(dāng)代科學(xué)家精益求精的工匠精神案例,還增添了科學(xué)前沿、工程倫理案例、生活中的化學(xué)案例,旨在融理論知識、實踐應(yīng)用、職業(yè)素養(yǎng)于一體,嚴(yán)格落實立德樹人的根本任務(wù),該部分內(nèi)容由王靜和肖海燕撰寫。每章中的習(xí)題和思考與練習(xí)題通過掃二維碼可以查看答案。全書由李秋榮和謝丹陽統(tǒng)稿。
衷心希望教師和學(xué)生們在使用過程中,多提寶貴意見,以便我們及時更正。
編者
2024年12月
第一版前言
隨著21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,化學(xué)已深入到生命、材料和信息等各個領(lǐng)域,與人類生活休戚相關(guān),成為信息時代科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)學(xué)科之一。在高等學(xué)校,化學(xué)與數(shù)學(xué)、物理等同屬于自然科學(xué)基礎(chǔ)課。工程化學(xué)是高等工程教育中實施素質(zhì)教育的基礎(chǔ)課程,是高等工科學(xué)校大多數(shù)專業(yè)不可缺少的一門公共基礎(chǔ)課,是化學(xué)與工程技術(shù)間的橋梁,是造就基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高的迎接新世紀(jì)挑戰(zhàn)的高級科技人才所必需的課程。
本書從物質(zhì)的化學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)出發(fā),密切聯(lián)系現(xiàn)代工程技術(shù)中遇到的如材料的選擇和壽命、環(huán)境的污染與保護(hù)、能源的開發(fā)與利用、信息傳遞、生命科學(xué)發(fā)展等有關(guān)化學(xué)問題,深入淺出地介紹有現(xiàn)實應(yīng)用價值和潛在應(yīng)用價值的基礎(chǔ)理論和基本知識,使學(xué)生在今后實際工作中能有意識地運(yùn)用化學(xué)觀點去思考、認(rèn)識和解決問題。
針對非化學(xué)化工專業(yè)的化學(xué)課學(xué)時數(shù)少的特點及教師和學(xué)生對教材提出的反饋意見,我們在《工科基礎(chǔ)化學(xué)》的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改,希望在有限的學(xué)時內(nèi),使學(xué)生學(xué)到更多的知識,拓寬視野、增強(qiáng)運(yùn)用多學(xué)科知識解決問題的能力。
本書增加了實驗內(nèi)容(第7章為工程化學(xué)實驗)。工程化學(xué)實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)分為基礎(chǔ)實驗、開放實驗和課外科技活動,旨在通過實踐性教學(xué)環(huán)節(jié),讓學(xué)生在化學(xué)實驗過程中,驗證教學(xué)過程中學(xué)到的理論知識,加深對理論知識的理解,借助儀器試劑觀察在通常條件下難于發(fā)現(xiàn)和理解的自然現(xiàn)象和規(guī)律,培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)安全觀念、基本儀器的操作能力,為化學(xué)在工程中的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。工程化學(xué)實驗的開設(shè)激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識,工程化學(xué)課程結(jié)束以后,仍有部分學(xué)生與工程化學(xué)課程組教師聯(lián)系,積極地參與到教師的科研活動中來,還有的學(xué)生請工程化學(xué)課程組的教師幫助分析解決他們在工程實踐中遇到的疑難問題。
每章末附有科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示,學(xué)生在閱讀過程中通過了解本章中一些定律或定理的發(fā)現(xiàn)過程,不僅可以加深對內(nèi)容的理解,而且對其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常有益。這部分內(nèi)容告訴學(xué)生,一個人要在所研究領(lǐng)域有所發(fā)現(xiàn)和發(fā)明,除了天資和對科學(xué)研究的熱愛外,還要有百折不撓和堅韌不拔的毅力。
附錄中1901~2010年諾貝爾化學(xué)獎的獲獎科學(xué)家的介紹也會激發(fā)學(xué)生閱讀的興趣,本書更便于學(xué)生自學(xué)、自練和自檢等。學(xué)生只有主動去讀書,才會自覺接受教師所傳授的知識和思維方法。
全書共分7章,內(nèi)容包括物質(zhì)的聚集狀態(tài),化學(xué)反應(yīng)原理,水溶液中的離子平衡,氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)基礎(chǔ),物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),化學(xué)與人類的進(jìn)步,工程化學(xué)實驗。其中第1章、第3章和第7章由謝丹陽編寫,第2章、第5章和第6章由李秋榮編寫,第4章由喬玉卿編寫。全書由李秋榮教授統(tǒng)稿,高發(fā)明教授主審。由于編者的水平有限,書中的缺點在所難免,懇請讀者批評指正。
編者
2011年2月于秦皇島
第二版前言
化學(xué)的發(fā)展,給人們的生活帶來了日新月異的變化,社會進(jìn)步的各種需求都與化學(xué)相關(guān)聯(lián),從衣食住行到健康保健、從生存環(huán)境到新材料,化學(xué)與人類生活息息相關(guān),化學(xué)就在我們身邊。
《簡明工科基礎(chǔ)化學(xué)》(第二版)以化學(xué)原理為經(jīng),以化學(xué)在生活和工程實際中的應(yīng)用為緯,注重知識的系統(tǒng)性和完整性。
在第一版的基礎(chǔ)上,再版內(nèi)容把原有第6章化學(xué)與人類的進(jìn)步改為線上學(xué)習(xí),由燕山大學(xué)李秋榮教授負(fù)責(zé)的化學(xué)與人類在中國大學(xué)MOOC平臺和學(xué)銀在線(中國大學(xué)MOOC平臺https://www.icourse163.org/spoc/course/YSU-1206871801和學(xué)銀在線https://www.xueyinonline.com/searchapi/sarchresult?searchword=化學(xué)與人類)上,有需要的讀者可以進(jìn)行學(xué)習(xí)、觀看。
第7章實驗內(nèi)容改為第6章,肖海燕對實驗內(nèi)容進(jìn)行了修改,將實驗2固體氯化銨生成焓的測定改為深受學(xué)生喜歡的實驗手工皂的制備。謝丹陽和董海峰對工程化學(xué)綜合測試題進(jìn)行了修改,增加了主觀題內(nèi)容。全書由謝丹陽和李秋榮統(tǒng)稿,高發(fā)明教授主審。衷心希望教師和學(xué)生們在使用過程中,多提寶貴意見,以便我們及時更正。
修訂版的教材強(qiáng)調(diào)專業(yè)教育與通識教育融合,知識深度與廣度融合,更適合教師在教學(xué)過程中采用線上線下混合式教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)。
由于編者水平有限,書中的疏漏在所難免,懇請讀者批評指正。
編者
2020年2月
第1章 物質(zhì)的聚集狀態(tài) 1
1.1 化學(xué)的基本概念 1
1.1.1 分子、原子及團(tuán)簇 1
1.1.2 元素 3
1.1.3 系統(tǒng)、環(huán)境及相 3
1.1.4 狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù) 5
1.1.5 物質(zhì)的量 5
1.2 氣體和等離子體 6
1.2.1 理想氣體和實際氣體 6
1.2.2 大氣相對濕度 8
1.2.3 等離子體 9
1.2.4 大氣污染及其防治 10
1.3 液體 13
1.3.1 水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 14
1.3.2 稀溶液的依數(shù)性 17
1.3.3 水污染及其防治 21
1.4 固體 22
1.4.1 晶體和非晶體 22
1.4.2 晶體的基本類型 23
1.4.3 過渡型晶體 26
1.4.4 混合鍵型晶體 27
1.4.5 固體廢物的污染及治理 28
科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示 29
習(xí)題 31
第2章 化學(xué)反應(yīng)原理 32
2.1 化學(xué)反應(yīng)的能量變化 32
2.1.1 熱力學(xué)第一定律 32
2.1.2 化學(xué)反應(yīng)中的能量變化 33
2.1.3 反應(yīng)熱效應(yīng)的測量 35
2.1.4 反應(yīng)熱效應(yīng)的計算 36
2.2 化學(xué)反應(yīng)的方向與限度 40
2.2.1 自發(fā)過程 40
2.2.2 熵變與反應(yīng)的方向 41
2.2.3 吉布斯函數(shù)變與反應(yīng)自發(fā)性的判斷 43
2.2.4 化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度化學(xué)平衡 47
2.3 化學(xué)反應(yīng)的速率 50
2.3.1 反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系 50
2.3.2 溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響 53
2.3.3 催化劑對反應(yīng)速率的影響 56
科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示 57
習(xí)題 59
第3章 水溶液中的離子平衡 62
3.1 可溶弱電解質(zhì)的單相離子平衡 62
3.1.1 酸堿理論概述 62
3.1.2 水溶液中單相離子平衡 65
3.1.3 酸堿平衡的應(yīng)用人體血液酸堿平衡 72
3.2 難溶強(qiáng)電解質(zhì)的多相離子平衡 73
3.2.1 溶度積 73
3.2.2 溶度積規(guī)則 76
3.2.3 溶度積規(guī)則的應(yīng)用牙膏中為什么要加氟? 80
3.3 配位化合物的離子平衡 80
3.3.1 配位化合物的基本概念 80
3.3.2 配位化合物的組成 82
3.3.3 配合物的命名 82
3.3.4 配合物在水溶液中的穩(wěn)定性 83
3.3.5 配位反應(yīng)的應(yīng)用 85
科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示 87
習(xí)題 88
第4章 氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)基礎(chǔ) 90
4.1 氧化還原反應(yīng) 90
4.1.1 氧化數(shù) 90
4.1.2 氧化劑與還原劑 91
4.1.3 氧化還原電對 91
4.1.4 氧化還原反應(yīng)方程式的配平 92
4.2 原電池 94
4.2.1 原電池的組成 94
4.2.2 電極反應(yīng) 95
4.2.3 原電池的符號表示式 95
4.2.4 常用電極類型 96
4.3 電極電勢及應(yīng)用 97
4.3.1 雙電層理論 97
4.3.2 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢 98
4.3.3 原電池的電動勢與電池反應(yīng)的摩爾吉布斯函數(shù)變 99
4.3.4 能斯特方程式 100
4.3.5 電極電勢的應(yīng)用 102
4.4 電解及應(yīng)用 105
4.4.1 分解電壓和超電勢 105
4.4.2 電解產(chǎn)物的判斷 106
4.4.3 電解的應(yīng)用 107
4.5 金屬的腐蝕與防護(hù) 110
4.5.1 腐蝕機(jī)理 110
4.5.2 金屬腐蝕的防護(hù) 113
科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示 114
習(xí)題 116
第5章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 118
5.1 核外電子的運(yùn)動狀態(tài) 118
5.1.1 玻爾的氫原子結(jié)構(gòu)理論 118
5.1.2 電子運(yùn)動的特性 120
5.1.3 波函數(shù) 122
5.1.4 電子云 125
5.2 多電子原子結(jié)構(gòu)和周期系 128
5.2.1 多電子原子軌道的能級 128
5.2.2 核外電子排布與周期系 130
5.3 化學(xué)鍵和分子間相互作用力 134
5.3.1 化學(xué)鍵及其類型 134
5.3.2 分子的極性 140
5.3.3 分子間相互作用力 141
科學(xué)家的貢獻(xiàn)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的啟示 143
習(xí)題 146
第6章 工程化學(xué)實驗 149
實驗1 水質(zhì)檢驗及自來水硬度的測定 149
實驗2 混合堿液中組分含量的測定(雙知識指示劑法) 153
實驗3 氧化還原反應(yīng)與電化學(xué) 155
實驗4 乙酰水楊酸(阿司匹林)的制備 158
實驗5 手工皂的制備 159
附錄 161
附錄1 國際單位制 161
附錄2 常見物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、標(biāo)準(zhǔn)摩準(zhǔn)摩爾生成吉布斯函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵爾熵的數(shù)據(jù) 162
附錄3 水溶液中某些水合物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵的數(shù)據(jù) 165
附錄4 常見弱電解質(zhì)在水溶液中的解離常數(shù)(298.15K) 166
附錄5 常見難溶電解質(zhì)的溶度積常數(shù)常數(shù)(298.15K) 167
附錄6 常見配離子在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的穩(wěn)定常數(shù)(298.15K) 167
附錄7 常見氧化還原電對的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢電勢(298.15K) 168
附錄8 常用化學(xué)試劑的等級標(biāo)準(zhǔn) 169
附錄9-1 常用酸堿指示劑 170
附錄9-2 常用金屬指示劑 170
附錄10 元素的原子序數(shù)、元素符號及中英文名稱 171
附錄11 1901~2024年諾貝爾化學(xué)獎獲獎情況表 174
綜合測試題 187
參考文獻(xiàn) 196