大學化學 基於全球視野與分子角度的前沿與基礎
ISBN：9787030804617
作者：（美）詹姆斯·G. 安德森（James G.Anderson） 著; 編;高松等 譯;
開本：16
裝幀：圓脊精裝
頁數：772
出版時間：2025年08月1日
出版社：科學出版社
內容介紹
本書著重於面向未來人才培養的需要，面對現有大學教學體系的挑戰，旨在透過「自上而下」的方式打開化學和科學的世界。全書各章皆由「框架」「核心內容」「案例研究」三個部分組成。 「框架」展示宏觀知識背景，闡述科學概念對於科學和技術在應對挑戰中的關鍵作用；「核心內容」給出知識圖譜後，介紹化學的基本概念，通常“先給出一個有待解決的、令人關注的問題”，再給出定義或引入公式，從宏觀到微觀、從定性到定量，闡述現代物質科學中的基本概念及其關聯；「案例研究」則將核心概念與全球背景聯繫起來，結合能源、環境、氣候等方面的實例，提出問題並進行分析。學習本書後，希望讀者了解化學和物理學原理在應對全球挑戰中的核心作用，掌握核心概念，如能量與轉換、熱力學、動力學、酸鹼和氧化還原反應、電化學、量子力學、催化、材料與核化學等，建立這些核心概念與更廣泛的全球背景之間的直接聯繫。
目錄
中文版序
譯者的話
原著前言
作者簡介
1 能量－基本概念及其轉換法則 001
框架 002
核心內容 007
知識圖譜 007
能量作為科學概念的出現 009
能量、功和牛頓定律 011
能量守恆：追蹤能量流動 015
分子層面的能量：微觀和宏觀形式的能量 017
表面動能和位能的相互轉換 018
熱功當量 020
分子尺度上的熱與溫度 022
電磁輻射在能量轉換中的核心作用 026
能量與功率的重要差異 030
案例研究 1.1 能源與功率的定量關聯：實例分析 034
案例研究1.2 當代系統中能量、功和功率的關聯機制 037
案例研究1.3 建立能量和功率的標度 040
案例研究1.4 科學方法的應用—「紫外線災難」 044
案例研究1.5 目前與未來的全球能耗與功耗的計算 046
2 原子與分子結構 051
框架 051
核心內容 058
知識圖譜 058
物質的原子觀 059
電子的發現 060
原子核的發現 062
原子序、質量數和原子符號 065
同位素 065
分子結構 066
化學式 069
化學式和分子模型 069
化學計量學 071
阿伏伽德羅常數 073
摩爾質量 073
化學方程式的配平 074
氧化還原反應 078
燃燒反應中的氧化和還原 080
不含氧的氧化還原反應 081
案例研究2.1 指數成長、指數衰減和「70 定律」 084
案例研究2.2 個人能量消耗計算與選用方案分析 087
案例研究2.3 計算化學鍵產生的能量：化石燃料化學 094
案例研究2.4 掌握氧化還原化學：能量和氧化還原反應 098
案例研究2.5 化石燃料起源及其化學性質 105
3 熱化學— 熱力學第一定律的發展 111
框架 111
核心內容 115
知識圖譜 115
熱力學第一定律的發展 118
內能的概念 121
熱力學中的狀態變數 122
熱和熱容：如何根據溫度變化計算熱能(熱)傳遞 129
焓 132
標準生成焓 134
赫斯定律 136
壓強-體積功與熱力學第一定律 138
等容、等壓和等溫過程 141
絕熱過程 147
相變以及熔化、汽化和昇華過程中的熱力學 152
案例研究3.1 卡諾循環：自發、可逆與熱機效率之間的關聯 160
案例研究3.2 熱力學、熱泵與個人能量預算 168
案例研究3.3 高溫地熱能 172
案例研究3.4 全球尺度上的相關計算：「全球能源及電力50 問」第一部分 177
4 熵與熱力學第二定律 183
框架 183
核心內容 190
知識圖譜 190
在分子層次確定機率 192
熵 195
波茲曼與熵的微觀表述 196
熵變的定性預測：確定ΔS的符號 199
熵的定量處理：計算系統的熵變ΔS 202
連接宏觀與微觀：計算熵變ΔS 206
熱力學第二定律 208
吉布斯自由能 208
吉布斯自由能與自發變化 210
熵的絕對值：熱力學第三定律 212
化學反應熵變的計算 213
反應吉布斯自由能的計算 214
案例研究4.1 熵、自由能和可從燃料電池取得的…功 220
案例研究4.2 最概然分佈即為玻爾茲曼分佈 221
案例研究4.3 能量儲存方式 223
5 平衡與自由能 229
框架 229
核心內容 233
知識圖譜 233
化學平衡的概念 236
平衡常數 238
從特殊到一般的Kc 通用表達式的確定：從平衡表達式開始 241
平衡常數的調控 243
以濃度單位和壓強單位表示的平衡常數之間的轉換 246
平衡移動 248
勒夏特列原理 252
施加外在影響的平衡體系濃度的定量確定 254
多重平衡問題 256
平衡常數、自發過程和吉布斯自由能 258
非標準條件下的吉布斯自由能 260
其他溫度(非298K)的ΔGy 263
熱力學平衡常數與活度 265
評估非標準條件下的自發性 266
ΔGy和Keq隨溫度的變化關係 266
吉布斯自由能方程式的運用總結 267
吉布斯自由能：可從化學過程中獲得的…功 268
案例研究5.1 生物燃料技術及其未來 273
案例研究5.2 乙醇、淨能量生產與哈伯-博施過程 278
6 溶液平衡—— 生命系統的酸鹼調控 283
框架 283
核心內容 289
知識圖譜 289
引言 290
水的成鍵結構 291
酸鹼反應理論 293
酸性溶液的平衡及其吉布斯自由能變化 296
鹼性溶液：pOH和pKa的調控 298
中和反應：酸加入鹼 300
強酸強鹼反應 301
強鹼弱酸反應 303
緩衝溶液 310
滴定反應 313
強鹼滴定弱酸 314
強酸滴定弱鹼 315
案例研究6.1 酸鹼反應，海洋碳酸化學與氣候調控 322
案例研究6.2 大氣中二氧化碳的直接空氣捕捉 330
案例研究6.3 聚光太陽能發電 335
7 電化學－吉布斯自由能、電流及化學轉換的綜合運用 343
框架 343
核心內容 351
知識圖譜 351
自由能，電流和電化學 353
原電池或伏打電池 358
半反應 360
標準氫電極 362
計算電池電動勢 365
活性電極與非活性電極 369
原電池的符號：簡寫式 370
電池的…功：吉布斯自由能 372
Keq，ΔGy和Ey
cell的關係 374
原電池的耗盡：能斯特方程式 376
核心關係圖 378
非自發反應：推動電化學電池不斷進步 379
腐蝕：引發問題的氧化還原反應 382
案例研究7.1 電池裡的電化學 387
案例研究7.2 細胞電化學與ATP 在生物供能中的作用 393
案例研究7.3 為交通運輸業提供動力的電力、磁力和電動機 397
案例研究7.4 全球尺度上的相關計算：「全球能源及電力50問」第二部分 402
案例研究7.5 酸鹼反應、氧化還原和電化學的關聯 408
8 量子力學，波粒二象性與單電子原子 413
框架 413
核心內容 417
知識圖譜 417
波與粒子：從分立到統一 419
愛因斯坦，光子，普朗克理論和光電效應的統一 419
光子的動量 424
原子發射光譜 425
氫原子的玻爾模型 427
電子的德布羅意波長 434
波的本質和波動方程式 435
勢阱中的粒子：一個重要的範例 439
電子在勢阱中位置的不確定性 444
薛丁格方程式 447
氫原子 448
氫原子能階 451
確定薛丁格方程解中徑向和角度函數的量子數 451
薛丁格函數ψn,l,ml(r,θ,？)的物理意義 460
案例研究8.1 量子力學穿隧 467
案例研究8.2 太陽能發電的基本原理 473
9 多電子系統的量子力學，軌道結構與化學反應性的關聯 481
框架 481
核心內容 485
知識圖譜 485
多電子原子 487
鑽穿、屏蔽和有效核電荷 489
建構週期表 492
建構第三週期 494
建構第四週期 496
週期表的結構 497
週期性與化學反應性的關聯 498
電子的屏蔽和鑽穿 500
原子大小的周期趨勢 501
電離能的週期趨勢 503
電子親和能的週期趨勢 506
電離能與電子親和能週期性連結 506
電負性：電離能與電子親和能概念的整合 507
金屬的化學行為趨勢 508
案例研究9.1 多電子原子中電子結構和化學反應性的統一性 512
案例研究9.2 稀土元素：應用、化學、資源與生產 519
案例研究9.3 計算個人碳足跡 528
10 分子成鍵理論Ⅰ－價電子組態、電子共享與分子形狀預測 535
框架 536
核心內容 541
知識圖譜 541
分子鍵的結構 543
化學鍵的類型 548
化學鍵中價電子的表示 550
離子鍵的路易斯結構 552
晶格能與離子晶體的形成 553
路易斯結構與共價鍵 554
共價鍵的路易斯結構 554
共價單鍵的路易斯結構：雙原子分子 555
共價單鍵的路易斯結構：多原子分子 555
路易斯結構與鍵結特性 557
建構多原子分子化合物的路易斯結構 558
形式電荷法 562
路易斯理論的限制 563
分子形狀的決定：價層電子對互斥理論 565
分子的形狀：鍵長與鍵能 571
案例研究10.1 用路易斯結構深刻理解化學反應性 576
案例研究10.2 美國風力發電的潛能 589
案例研究10.3 癌症、DNA和由氫鍵產生的結構 594
11 分子成鍵理論Ⅱ－基於量子力學的共價鍵理論 603
框架 603
核心內容 611
知識圖譜 611
價鍵理論：軌道重疊與化學鍵的命名 613
分子結構與雜化鍵的概念 619
sp3雜化與甲烷的結構 620
sp2雜化與σ和π雙鍵的形成 622
sp雜化與三鍵的形成 624
sp3d和sp3d2雜化軌道：三角雙錐和八面體幾何結構 627
分子軌道理論與電子離域 630
成鍵軌道和反鍵軌道 632
O2的分子軌道結構 635
分子軌道結構與位能結構 636
同核雙原子的分子軌道 639
異核分子的分子軌道 641
苯的分子軌道：離域的核心作用 643
案例研究11.1 化學鍵、光譜學和分子運動 649
案例研究11.2 化學鍵、光譜學和氣候控制 654
案例研究11.3 材料：從分子軌道理論到固態電子學 658
案例研究11.4 現代電子學基礎：從p-n 結到光伏和LEDs 665
12 動力學－控制化學反應速率的原理 675
框架 675
核心內容 684
知識圖譜 684
動力學 687
化學反應和分子碰撞 688
總反應與基元反應 690
化學反應速率的測定 691
反應速率常數的測定 693
反應速率級數：確定濃度對反應速率的影響 695
零級、一級、二級和三級反應動力學的行為 698
速率方程式的積分式：定義濃度隨時間變化的函數 702
穩態近似 707
阿倫尼烏斯公式：溫度依賴性 711
分子運動與阿倫尼烏斯公式的關聯 712
阿倫尼烏斯公式的數學變換 715
案例研究12.1 動力學、催化、自由基和南極臭氧空洞 720
案例研究12.2 氧氣、光化學與地球生命體的演化 726
13 核化學—能源、反應器、影像和放射性碳定年 731
框架 731
核心內容 744
知識圖譜 744
基本核粒子與反應 745
核反應：聚變 746
核穩定性：結合能 747
核反應：裂變 748
放射性年代測定法 750
附錄 753
附錄A 所選物質在標態的熱力學參數值(298K) 753
附錄B 物質的平衡常數 757
附錄C 298K標準電極(半電池)電位 763
附錄D 基本物理常數、SI前綴與換算關係 764
附錄E 原子序數與原子量 765
附錄F 元素週期表 767
索引 769
