目錄
中文版序
譯者的話
原著前言
作者簡(jiǎn)介
1 能量——基本概念及其轉(zhuǎn)化規(guī)律 001
框架 002
核心內(nèi)容 007
知識(shí)圖譜 007
能量作為科學(xué)概念的出現(xiàn) 009
能量、功和牛頓定律 011
能量守恒：追蹤能量流動(dòng) 015
分子層面的能量：微觀和宏觀形式的能量 017
表面動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化 018
熱功當(dāng)量 020
分子尺度上的熱與溫度 022
電磁輻射在能量轉(zhuǎn)化中的核心作用 026
能量與功率的重要區(qū)別 030
案例研究 1.1 能源與功率的定量關(guān)聯(lián)：實(shí)例分析 034
案例研究1.2 當(dāng)代系統(tǒng)中能量、功和功率的關(guān)聯(lián)機(jī)制 037
案例研究1.3 建立能量和功率的標(biāo)度 040
案例研究1.4 科學(xué)方法的應(yīng)用——“紫外災(zāi)難” 044
案例研究1.5 當(dāng)前和未來的全球能耗與功耗的計(jì)算 046
2 原子與分子結(jié)構(gòu) 051
框架 051
核心內(nèi)容 058
知識(shí)圖譜 058
物質(zhì)的原子觀 059
電子的發(fā)現(xiàn) 060
原子核的發(fā)現(xiàn) 062
原子序數(shù)、質(zhì)量數(shù)和原子符號(hào) 065
同位素 065
分子結(jié)構(gòu) 066
化學(xué)式 069
化學(xué)式和分子模型 069
化學(xué)計(jì)量學(xué) 071
阿伏伽德羅常量 073
摩爾質(zhì)量 073
化學(xué)方程式的配平 074
氧化還原反應(yīng) 078
燃燒反應(yīng)中的氧化和還原 080
不含氧的氧化還原反應(yīng) 081
案例研究2.1 指數(shù)增長、指數(shù)衰減和“70 定律” 084
案例研究2.2 個(gè)人能量消耗計(jì)算與可選方案分析 087
案例研究2.3 計(jì)算化學(xué)鍵產(chǎn)生的能量：化石燃料化學(xué) 094
案例研究2.4 掌握氧化還原化學(xué)：能量和氧化還原反應(yīng) 098
案例研究2.5 化石燃料起源及其化學(xué)性質(zhì) 105
3 熱化學(xué)—— 熱力學(xué)第一定律的發(fā)展 111
框架 111
核心內(nèi)容 115
知識(shí)圖譜 115
熱力學(xué)第一定律的發(fā)展 118
內(nèi)能的概念 121
熱力學(xué)中的狀態(tài)變量 122
熱和熱容：如何根據(jù)溫度變化計(jì)算熱能(熱)傳遞 129
焓 132
標(biāo)準(zhǔn)生成焓 134
赫斯定律 136
壓強(qiáng)-體積功和熱力學(xué)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、汽化和升華過程中的熱力學(xué) 152
案例研究3.1 卡諾循環(huán)：自發(fā)、可逆和熱機(jī)效率之間的聯(lián)系 160
案例研究3.2 熱力學(xué)、熱泵和個(gè)人能量預(yù)算 168
案例研究3.3 高溫地?zé)崮?172
案例研究3.4 全球尺度上的相關(guān)計(jì)算：“全球能源及電力50 問”第一部分 177
4 熵和熱力學(xué)第二定律 183
框架 183
核心內(nèi)容 190
知識(shí)圖譜 190
在分子水平上確定概率 192
熵 195
玻爾茲曼與熵的微觀表述 196
熵變的定性預(yù)測(cè)：確定ΔS的符號(hào) 199
熵的定量處理：計(jì)算體系的熵變?chǔ)�S 202
連接宏觀與微觀：計(jì)算熵變?chǔ)�S 206
熱力學(xué)第二定律 208
吉布斯自由能 208
吉布斯自由能和自發(fā)變化 210
熵的絕對(duì)值：熱力學(xué)第三定律 212
化學(xué)反應(yīng)熵變的計(jì)算 213
反應(yīng)吉布斯自由能的計(jì)算 214
案例研究4.1 熵、自由能和可從燃料電池獲取的最大功 220
案例研究4.2 最概然分布即為玻爾茲曼分布 221
案例研究4.3 能量儲(chǔ)存方式 223
5 平衡和自由能 229
框架 229
核心內(nèi)容 233
知識(shí)圖譜 233
化學(xué)平衡的概念 236
平衡常數(shù) 238
從特殊到一般的Kc 通用表達(dá)式的確定：從平衡表達(dá)式開始 241
平衡常數(shù)的調(diào)控 243
以濃度單位和壓強(qiáng)單位表示的平衡常數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 246
平衡移動(dòng) 248
勒夏特列原理 252
施加外來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(shù)、自發(fā)過程和吉布斯自由能 258
非標(biāo)準(zhǔn)條件下的吉布斯自由能 260
其他溫度(非298K)的ΔGy 263
熱力學(xué)平衡常數(shù)與活度 265
評(píng)估非標(biāo)準(zhǔn)條件下的自發(fā)性 266
ΔGy和Keq隨溫度的變化關(guān)系 266
吉布斯自由能方程的運(yùn)用總結(jié) 267
吉布斯自由能：可從化學(xué)過程中獲取的最大功 268
案例研究5.1 生物燃料技術(shù)及其未來 273
案例研究5.2 乙醇、凈能量生產(chǎn)與哈伯-博施過程 278
6 溶液平衡—— 生命系統(tǒng)的酸堿調(diào)控 283
框架 283
核心內(nèi)容 289
知識(shí)圖譜 289
引言 290
水的成鍵結(jié)構(gòu) 291
酸堿反應(yīng)理論 293
酸性溶液的平衡及其吉布斯自由能變化 296
堿性溶液：pOH和pKa的調(diào)控 298
中和反應(yīng)：酸加入堿 300
強(qiáng)酸強(qiáng)堿反應(yīng) 301
強(qiáng)堿弱酸反應(yīng) 303
緩沖溶液 310
滴定反應(yīng) 313
強(qiáng)堿滴定弱酸 314
強(qiáng)酸滴定弱堿 315
案例研究6.1 酸堿反應(yīng)，海洋碳酸化學(xué)與氣候調(diào)控 322
案例研究6.2 大氣中二氧化碳的直接空氣捕集 330
案例研究6.3 聚光太陽能發(fā)電 335
7 電化學(xué)——吉布斯自由能、電流及化學(xué)轉(zhuǎn)化的綜合運(yùn)用 343
框架 343
核心內(nèi)容 351
知識(shí)圖譜 351
自由能，電流和電化學(xué) 353
原電池或伏打電池 358
半反應(yīng) 360
標(biāo)準(zhǔn)氫電極 362
計(jì)算電池電動(dòng)勢(shì) 365
活性電極與非活性電極 369
原電池的符號(hào)：簡(jiǎn)寫式 370
電池的最大功：吉布斯自由能 372
Keq，ΔGy和Ey
cell的關(guān)系 374
原電池的耗盡：能斯特方程 376
核心關(guān)系圖 378
非自發(fā)反應(yīng)：推動(dòng)電化學(xué)電池不斷進(jìn)步 379
腐蝕：引發(fā)問題的氧化還原反應(yīng) 382
案例研究7.1 電池里的電化學(xué) 387
案例研究7.2 細(xì)胞電化學(xué)與ATP 在生物供能中的作用 393
案例研究7.3 為交通運(yùn)輸行業(yè)提供動(dòng)力的電力、磁力和電動(dòng)機(jī) 397
案例研究7.4 全球尺度上的相關(guān)計(jì)算：“全球能源及電力50問”第二部分 402
案例研究7.5 酸堿反應(yīng)、氧化還原和電化學(xué)的聯(lián)系 408
8 量子力學(xué)，波粒二象性和單電子原子 413
框架 413
核心內(nèi)容 417
知識(shí)圖譜 417
波與粒子：從分立到統(tǒng)一 419
愛因斯坦，光子，普朗克理論和光電效應(yīng)的統(tǒng)一 419
光子的動(dòng)量 424
原子發(fā)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(zhì)和波動(dòng)方程 435
勢(shì)阱中的粒子：一個(gè)重要的范例 439
電子在勢(shì)阱中位置的不確定性 444
薛定諤方程 447
氫原子 448
氫原子能級(jí) 451
確定薛定諤方程解中徑向和角度函數(shù)的量子數(shù) 451
薛定諤波函數(shù)ψn,l,ml(r,θ,？)的物理含義 460
案例研究8.1 量子力學(xué)隧穿 467
案例研究8.2 太陽能發(fā)電的基本原理 473
9 多電子體系的量子力學(xué)，軌道結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性的關(guān)聯(lián) 481
框架 481
核心內(nèi)容 485
知識(shí)圖譜 485
多電子原子 487
鉆穿、屏蔽和有效核電荷 489
構(gòu)建周期表 492
構(gòu)建第三周期 494
構(gòu)建第四周期 496
周期表的結(jié)構(gòu) 497
周期性與化學(xué)反應(yīng)性的聯(lián)系 498
電子的屏蔽和鉆穿 500
原子大小的周期趨勢(shì) 501
電離能的周期趨勢(shì) 503
電子親和能的周期趨勢(shì) 506
電離能與電子親和能周期性聯(lián)系 506
電負(fù)性：電離能與電子親和能概念的整合 507
金屬的化學(xué)行為趨勢(shì) 508
案例研究9.1 多電子原子中電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性的統(tǒng)一 512
案例研究9.2 稀土元素：應(yīng)用、化學(xué)、資源和生產(chǎn) 519
案例研究9.3 計(jì)算個(gè)人碳足跡 528
10 分子成鍵理論Ⅰ——價(jià)電子構(gòu)型、電子共享和分子形狀預(yù)測(cè) 535
框架 536
核心內(nèi)容 541
知識(shí)圖譜 541
分子鍵的結(jié)構(gòu) 543
化學(xué)鍵的類型 548
化學(xué)鍵中價(jià)電子的表示 550
離子鍵的路易斯結(jié)構(gòu) 552
晶格能與離子晶體的形成 553
路易斯結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵 554
共價(jià)鍵的路易斯結(jié)構(gòu) 554
共價(jià)單鍵的路易斯結(jié)構(gòu)：雙原子分子 555
共價(jià)單鍵的路易斯結(jié)構(gòu)：多原子分子 555
路易斯結(jié)構(gòu)與鍵合特性 557
構(gòu)建多原子分子化合物的路易斯結(jié)構(gòu) 558
形式電荷法 562
路易斯理論的局限性 563
分子形狀的確定：價(jià)層電子對(duì)互斥理論 565
分子的形狀：鍵長和鍵能 571
案例研究10.1 用路易斯結(jié)構(gòu)深刻理解化學(xué)反應(yīng)性 576
案例研究10.2 美國風(fēng)力發(fā)電的潛能 589
案例研究10.3 癌癥、DNA和由氫鍵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu) 594
11 分子成鍵理論Ⅱ——基于量子力學(xué)的共價(jià)鍵理論 603
框架 603
核心內(nèi)容 611
知識(shí)圖譜 611
價(jià)鍵理論：軌道重疊與化學(xué)鍵的命名 613
分子結(jié)構(gòu)與雜化鍵的概念 619
sp3雜化與甲烷的結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 635
分子軌道結(jié)構(gòu)和勢(shì)能結(jié)構(gòu) 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(xué)鍵、光譜學(xué)和分子運(yùn)動(dòng) 649
案例研究11.2 化學(xué)鍵、光譜學(xué)和氣候控制 654
案例研究11.3 材料：從分子軌道理論到固態(tài)電子學(xué) 658
案例研究11.4 現(xiàn)代電子學(xué)基礎(chǔ)：從p-n 結(jié)到光伏和LEDs 665
12 動(dòng)力學(xué)——控制化學(xué)反應(yīng)速率的原理 675
框架 675
核心內(nèi)容 684
知識(shí)圖譜 684
動(dòng)力學(xué) 687
化學(xué)反應(yīng)和分子碰撞 688
總反應(yīng)與基元反應(yīng) 690
化學(xué)反應(yīng)速率的測(cè)定 691
反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定 693
反應(yīng)速率級(jí)數(shù)：確定濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響 695
零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的行為 698
速率方程的積分式：定義濃度隨時(shí)間變化的函數(shù) 702
穩(wěn)態(tài)近似 707
阿倫尼烏斯公式：溫度依賴性 711
分子運(yùn)動(dòng)與阿倫尼烏斯公式的關(guān)聯(lián) 712
阿倫尼烏斯公式的數(shù)學(xué)變換 715
案例研究12.1 動(dòng)力學(xué)、催化、自由基和南極臭氧空洞 720
案例研究12.2 氧氣、光化學(xué)與地球生命形式的進(jìn)化 726
13 核化學(xué)——能源、反應(yīng)堆、成像和放射性碳測(cè)年 731
框架 731
核心內(nèi)容 744
知識(shí)圖譜 744
基本核粒子和反應(yīng) 745
核反應(yīng)：聚變 746
核穩(wěn)定性：結(jié)合能 747
核反應(yīng)：裂變 748
放射性年代測(cè)定法 750
附錄 753
附錄A 所選物質(zhì)在標(biāo)態(tài)的熱力學(xué)參數(shù)值(298K) 753
附錄B 物質(zhì)的平衡常數(shù) 757
附錄C 298K標(biāo)準(zhǔn)電極(半電池)電勢(shì) 763
附錄D 基本物理常數(shù)、SI前綴與換算關(guān)系 764
附錄E 原子序數(shù)和原子量 765
附錄F 元素周期表 767
索引 769