簡明物理化學

第1章　熱力學第一定律/ 1
1.1 能量的轉換形式——熱與功 1
案例1.1 蒸汽機中的能量轉換 1
1.1.1 熱 2
1.1.2 功 3
1.2 熱力學第一定律與熱力學能 9
案例1.2 水升溫的兩種方式——加熱與做功 9
1.2.1 熱力學第一定律 9
1.2.2 熱力學能U的微觀理解 10
1.2.3 熱力學能變化ΔU的計算 10
1.3 焓與熱容 15
案例1.3 鳴笛水壺的熱量 15
1.3.1 焓 16
1.3.2 焓變ΔH的計算 16
1.3.3 Cp與CV的關系 18
1.4 熱化學與化學反應的焓變 21
案例1.4 優(yōu)異清潔燃料:甲烷還是丁烷? 21
1.4.1 化學反應的熱效應 21
1.4.2 化學反應的標準摩爾焓變的計算 23
1.4.3 基爾霍夫定律 27
習題1 30

第2章　熱力學第二定律/ 35
2.1 能量轉換的方向和熵判據(jù) 35
案例2.1 汽車的發(fā)動機效率是多少? 35
2.1.1 熱力學第二定律 36
2.1.2 熵 37
2.1.3 熵的本質 40
2.1.4 等溫過程熵變的計算 41
2.1.5 變溫過程熵變的計算 43
2.1.6 環(huán)境熵變的計算 44
2.2 規(guī)定熵與化學反應熵變的計算 47
案例2.2 反應H2(g) + Cl2(g)===2HCl(g)會自發(fā)進行嗎? 47
2.2.1 熱力學第三定律 47
2.2.2 規(guī)定熵 48
2.2.3 化學反應熵變的計算 48
2.3 亥姆霍茲自由能和吉布斯自由能判據(jù)及其計算 50
案例2.3 氫氣在空氣中的燃燒(生成液態(tài)水)是自發(fā)反應嗎? 50
2.3.1 亥姆霍茲自由能 50
2.3.2 吉布斯自由能 51
2.3.3 ΔG和ΔA的計算 52
2.4 各種熱力學函數(shù)間的關系 56
案例2.4 石墨什么條件下可以轉化為金剛石? 56
2.4.1 基本關系式 57
2.4.2 麥克斯韋關系式 58
2.4.3 基本關系式的推論 58
習題2 61

第3章　多組分系統(tǒng)熱力學/ 64
3.1 偏摩爾量 64
案例3.1 如何配制乙醇溶液? 64
3.1.1 偏摩爾量的概念 65
3.1.2 偏摩爾量的測量方法 68
3.1.3 吉布斯-杜亥姆方程 69
3.2 化學勢 71
案例3.2 為什么染料會擴散? 71
3.2.1 化學勢的概念 71
3.2.2 化學勢與壓力、溫度的關系 72
3.2.3 化學勢判據(jù) 73
3.3 氣體的化學勢與逸度 75
案例3.3 為什么鋼瓶中的壓力小于理論值? 75
3.3.1 純組分理想氣體的化學勢 75
3.3.2 混合組分理想氣體的化學勢 76
3.3.3 實際氣體的化學勢與逸度 76
3.4 理想液態(tài)混合物與理想稀溶液的熱力學 79
案例3.4-1 海洋中CO2組成標度的變化 79
3.4.1 兩個經(jīng)驗公式 79
3.4.2 理想液態(tài)混合物 82
3.4.3 理想稀溶液 88
3.4.4 稀溶液的依數(shù)性 90
案例3.4-2 雪天為什么向路上撒鹽? 90
3.5 真實液態(tài)混合物、真實溶液的熱力學 95
案例3.5 為什么NaOH溶液的蒸氣壓比理論值小? 95
3.5.1 真實液態(tài)混合物中任意組分B的化學勢、活度、活度因子 95
3.5.2 真實溶液中溶劑和溶質的化學勢、活度、活度因子 97
習題3 100

第4章　相平衡/ 103
4.1 相與相律 103
案例4.1 冷凍干燥是如何實現(xiàn)的? 103
4.1.1 相 104
4.1.2 相律 105
4.2 單組分系統(tǒng) 108
案例4.2 為什么棒冰在口腔中會融化? 108
4.2.1 單組分系統(tǒng)的相圖 108
4.2.2 水的相圖 110
4.2.3 克勞修斯-克拉貝龍方程 111
4.3 二組分理想液態(tài)混合物的氣-液平衡相圖 114
案例4.3 如何分離煤焦油中的苯和甲苯? 114
4.3.1 二組分理想液態(tài)混合物的壓力-組成圖 115
4.3.2 二組分理想液態(tài)混合物的溫度-組成圖 117
4.3.3 蒸餾與精餾原理 119
4.4 二組分真實溶液的氣-液相圖 121
案例4.4 在汞面上加一層水能降低汞的蒸氣壓嗎? 121
4.4.1 二組分完全互溶真實溶液的氣-液平衡相圖 121
4.4.2 二組分部分互溶真實溶液的液-液平衡相圖 124
4.4.3 二組分不互溶雙液系的氣-液平衡相圖 127
4.5 二組分固態(tài)不互溶系統(tǒng)的液-固相圖 130
案例4.5 為什么感覺棒冰越吃越不甜? 130
4.5.1 簡單低共熔混合物系統(tǒng)的相圖 130
4.5.2 有化合物生成的系統(tǒng) 132
4.6 二組分固態(tài)互溶系統(tǒng)的液-固相圖 136
案例4.6 如何制備高純度材料? 136
4.6.1 形成完全互溶的固溶體系統(tǒng) 136
4.6.2 形成部分互溶的固溶體系統(tǒng) 137
4.7 三組分系統(tǒng) 141
案例4.7 工業(yè)上怎樣制取無水乙醇? 141
4.7.1 三組分系統(tǒng)的圖解表示法 142
4.7.2 一對液體部分互溶的三液平衡相圖 143
4.7.3 二鹽一水相圖 144
習題4 146

第5章　化學平衡/ 153
5.1 化學反應的平衡條件 153
案例5.1 為什么夏天雞蛋殼會比較薄? 153
5.1.1 化學反應的平衡條件 154
5.1.2 化學反應等溫方程和標準平衡常數(shù) 155
5.2 標準平衡常數(shù)及平衡組成的計算 159
案例5.2 如何使金屬不被空氣氧化? 159
5.2.1 各類反應的標準平衡常數(shù) 159
5.2.2 相關化學反應標準平衡常數(shù)之間的關系 164
5.2.3 標準平衡常數(shù)K的測定 165
5.2.4 由ΔrGm計算標準平衡常數(shù)K 166
5.2.5 平衡組成的計算 167
5.3 影響化學平衡的因素 171
案例5.3 為什么蛋清煮的時候會變性，但在常溫下保持液態(tài)? 171
5.3.1 溫度對化學平衡的影響 171
5.3.2 壓力和惰性氣體對化學平衡的影響 173
5.3.3 組成對化學平衡的影響 176
習題5 177

第6章　化學反應動力學/ 181
6.1 化學反應速率與濃度的關系 181
案例6.1 強效漂白劑還是普通漂白劑? 181
6.1.1 化學反應速率 182
6.1.2 化學反應速率的測定 183
6.1.3 化學反應的速率方程 185
6.2 簡單級數(shù)反應的動力學規(guī)律 188
案例6.2 古文物年代的確認 188
6.2.1 一級反應 189
6.2.2 二級反應 191
6.2.3 零級反應 193
6.2.4 n 級反應 194
6.3 反應級數(shù)的確定和反應速率常數(shù)的計算 198
案例6.3 為什么在工業(yè)中乙烯催化加氫的反應速率會隨著乙烯濃度的增加而減慢? 198
6.3.1 反應級數(shù)的確定 198
6.3.2 反應速率常數(shù)的計算 205
6.4 復合反應的動力學 207
案例6.4-1 為何砷是有毒的? 207
6.4.1 平行反應 207
案例6.4-2 工業(yè)合成氨為什么要在高溫高壓條件下進行? 209
6.4.2 對峙反應 210
案例6.4-3 醒酒的奧秘 213
6.4.3 連續(xù)反應 213
案例6.4-4 煤氣為什么會發(fā)生爆炸? 216
6.4.4 鏈反應 216
6.5 溫度對反應速率的影響 222
案例6.5 為什么要在冰箱中儲存食物? 222
6.5.1 阿倫尼烏斯公式 222
6.5.2 活化能 223
6.6 基元反應速率理論 227
案例6.6 為什么烹飪都需要加熱? 227
6.6.1 碰撞理論 227
6.6.2 過渡態(tài)理論 228
6.7 溶劑對反應速率的影響 231
案例6.7 為何泡沫滅火器用溶解的硫酸鋁和碳酸氫鈉,而不用固態(tài)硫酸鋁和碳酸鈉? 231
6.7.1 溶劑的籠效應 231
6.7.2 溶劑自身性質對反應速率的影響 233
6.8 催化劑對反應速率的影響 235
案例6.8 稻谷降解過程的差異 235
6.8.1 催化劑 235
6.8.2 催化反應的基本原理 236
6.8.3 幾種經(jīng)典的催化反應 237
6.9 光化學反應動力學 241
案例6.9 為什么在陽光強烈的夏、秋季,天空中會出現(xiàn)一種極淡藍色的“煙霧”? 241
6.9.1 光化學反應基本定律及量子效率 241
6.9.2 分子的光化學過程 242
6.9.3 光反應動力學 243
習題6 244

第7章　電化學/ 250
7.1 電解質溶液 250
案例7.1 為什么將鋁箔放進嘴里會感覺到疼痛? 250
7.1.1 原電池和電解池 251
7.1.2 電解質溶液的電導 252
7.1.3 電解質溶液的離子活度 256
7.2 可逆電池的電動勢及其應用 259
案例7.2 新型“水鋰電”可使電動車行程達400km? 259
7.2.1 可逆電池 259
7.2.2 可逆電池的熱力學 261
7.2.3 電池電動勢的產(chǎn)生 263
7.2.4 電極電勢 264
7.2.5 電動勢測定的應用 267
7.3 電解與極化 271
案例7.3 如何生產(chǎn)彩色(氧化)鋁? 271
7.3.1 電解與分解電壓 271
7.3.2 極化作用 271
7.3.3 電解時電極的競爭反應 274
7.4 電化學的應用 276
案例7.4 電鰻是如何產(chǎn)生電流的? 276
7.4.1 金屬的電化學腐蝕 276
7.4.2 化學電源 278
7.4.3 電化學在處理環(huán)境污染物方面的應用 279
習題7 280

第8章　膠體與表面化學/ 284
8.1 界面現(xiàn)象及界面自由能 284
案例8.1 為什么氣泡、小液滴都呈球形? 284
8.1.1 界面現(xiàn)象與界面特征 285
8.1.2 表面能與表面張力 285
8.1.3 彎曲表面上的附加壓力 286
8.1.4 彎曲表面上的蒸氣壓 289
8.1.5 表面鋪展和潤濕 290
8.2 溶液的界(表)面吸附 293
案例8.2 為什么生活中很多食物會產(chǎn)生泡沫? 293
8.2.1 溶液的界面吸附 293
8.2.2 表面活性劑 295
8.3 固體的界(表)面吸附 297
案例8.3 水蒸氣如何液化到玻璃上? 297
8.3.1 吸附作用 297
8.3.2 吸附曲線 298
8.4 膠體性質和結構 301
案例8.4 為什么在空氣清新時能看見藍天白云? 301
8.4.1 膠體分散系統(tǒng) 301
8.4.2 膠體的結構 302
8.4.3 膠體的動力學和光學性質 303
8.4.4 溶膠的電動現(xiàn)象 304
8.4.5 溶膠的穩(wěn)定性和聚沉作用 305
習題8 307

參考文獻/310