大学化学(董彦杰)

为了贯彻全国教育大会和新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，我们组织教师编写了本教材。本书是高等学校“十四五”规划教材：内容包括无机化学部分、有机化学部分、分析化学部分和物理化学部分等内容，读者对象为非化学专业的本科生。

根据“专业本科教学质量国家标准”“专业认证”、生命科学学院和资源环境学院的教学要求，体现我校办学定位和办学理念，坚持“宽口径，厚基础、重实践”的方针，我们组织修订了“大学化学”，以适应高等学校加强内涵发展的新要求。

本教材的主要内容如下：无机化学部分主要包括气体、酸碱解离平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原反应、配位化合物、原子结构、分子结构等。分析化学部分主要包括定量分析化学概论、定量分析误差和分析数据的处理、重量分析法、滴定分析法、吸光光度法等。物理化学部分主要包括化学热力学基础、化学动力学基础、电化学基础、表面化学基础等。有机化学部分主要包括绪论、烷烃、脂环烃、烯烃、炔烃和二烯烃、芳烃、立体化学、卤代烃、醇酚醚、醛和酮、羧酸及羧酸衍生物等。

本教材主编为董彦杰、王钧伟，副主编为孙佳音、庞韬、王春花。无机化学部分由孙佳音负责；有机化学部分由庞韬负责；分析化学部分和附录由董彦杰负责；物理化学部分由王春花负责；郭畅老师参与了物理化学部分的审阅工作。本书由董彦杰、王钧伟统编。

本次编写参阅了兄弟院校已出版的相关材料及相关著作，从中借鉴和吸取了有益的内容，化学工业出版社的编辑为本教材的出版付出了辛勤的劳动，在此一并致以诚挚的感谢。

由于编者水平有限，教材中难免存在疏漏和不足之处，恳请广大读者批评指正。

董彦杰

2020年12月于安庆

《大学化学》由四部分组成,即无机化学篇、分析化学篇、物理化学篇和有机化学篇,各部分单独成篇,其中,无机化学部分包括气体、酸碱解离平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原反应、配位化合物、原子结构、分子结构;分析化学部分包括定量分析化学概论、定量分析误差和分析数据的处理、重量分析法、滴定分析法、吸光光度法;物理化学部分包括化学热力学基础、化学动力学基础、电化学基础和表面化学基础;有机化学部分包括绪论、烷烃、脂环烃、烯烃、炔烃和二烯烃、芳烃、立体化学、卤代烃、醇酚醚、醛和酮、羧酸及羧酸衍生物。在编写过程中,编者力求遵循学术规范原则,完整地正确表达化学的基本原理。为方便学生学习与检查学习效果,每章后均附有习题。

本书适合生命科学、生物工程、食品工程、环境监测、环境科学、环境工程等专业本科生使用,也可供相关人员研究参考之用。

董彦杰，安庆师范大学化学化工学院，教授，从事分析化学教学和研究近40年，主编出版了“分析化学”、“分析化学解题技巧”、“化学基础实验”等教材，发表教学、科研论文近200篇，其中SCI论文近40篇，获国家专利2项。主持参加国家自然科学基金项目8项，省级科研15项。

篇 无机化学

第1章　气体/2

1.1 理想气体状态方程 2

1.2 道尔顿分压定律 3

习题 5

第2章　酸碱解离平衡/7

2.1 酸碱理论 7

2.1.1 酸碱质子论 8

2.1.2 酸碱电子论 10

2.1.3 硬软酸碱(HSAB)规则 11

2.2 弱酸、弱碱的解离平衡 12

2.2.1 一元弱酸、弱碱的解离平衡 12

2.2.2 多元弱酸、弱碱的解离平衡 14

2.2.3 两性物质的解离平衡 15

2.2.4 同离子效应和盐效应 16

2.3 强电解质溶液 17

2.3.1 离子氛概念 17

2.3.2 活度和活度系数 18

2.4 缓冲溶液 19

2.4.1 缓冲作用原理和计算公式 19

2.4.2 缓冲容量和缓冲范围 21

习题 23

第3章　沉淀溶解平衡/25

3.1 溶度积和溶度积规则 25

3.1.1 溶度积 25

3.1.2 溶度积规则 27

3.2 沉淀的生成和溶解 27

3.2.1 沉淀的生成 27

3.2.2 沉淀的溶解 28

3.3 分步沉淀和沉淀的转化 30

习题 31

第4章　氧化还原反应/33

4.1 氧化还原反应的基本概念 33

4.1.1 氧化和还原 33

4.1.2 氧化数 34

4.2 氧化还原方程式配平 35

4.2.1 氧化数法 35

4.2.2 离子电子法 36

4.3 电极电势 37

4.3.1 原电池 37

4.3.2 电极电势 38

4.3.3 能斯特方程 41

4.3.4 原电池的电动势与ΔrG 的关系 42

4.4 电极电势的应用 43

4.4.1 计算原电池的电动势 43

4.4.2 判断氧化还原反应进行的方向 44

4.4.3 选择氧化剂和还原剂 46

4.4.4 判断氧化还原反应进行的次序 47

4.4.5 判断氧化还原反应进行的程度 47

4.4.6 测定某些化学常数 48

4.5 元素电势图及其应用 48

习题 51

第5章　配位化合物/53

5.1 配位化合物的组成和定义 53

5.2 配位化合物的类型和命名 55

5.2.1 配合物的类型 55

5.2.2 配合物的命名 56

5.3 配位化合物的异构现象 57

5.3.1 立体异构现象 57

5.3.2 结构异构现象 59

5.4 配位化合物的化学键本性 59

5.4.1 价键理论 60

5.4.2 晶体场理论 62

5.5 配位解离平衡 67

5.5.1 配位解离平衡和平衡常数 67

5.5.2 配位解离平衡的移动 68

5.6 配体对中心原子的影响和配体反应性 71

5.7 配合物在生物、医药等方面的应用 71

习题 72

第6章　原子结构/74

6.1 微观粒子的波粒二象性 74

6.1.1 氢光谱和玻尔理论 74

6.1.2 微观粒子的波粒二象性 76

6.1.3 不确定原理 76

6.2 氢原子核外电子的运动状态 77

6.2.1 波函数和薛定谔方程 77

6.2.2 波函数和电子云图形 79

6.2.3 四个量子数 82

6.3 多电子原子核外电子的运动状态 83

6.3.1 屏蔽效应和钻穿效应 83

6.3.2 原子核外电子排布 84

6.4 原子结构和元素周期律 89

6.4.1 核外电子排布和周期表的关系 89

6.4.2 原子结构与元素基本性质 90

习题 92

第7章　分子结构/95

7.1 离子键 95

7.1.1 离子键理论的基本要点 95

7.1.2 决定离子化合物性质的因素——离子的特征 96

7.1.3 晶格能 97

7.2 共价键 98

7.2.1 价键理论 98

7.2.2 共价键的特性 99

7.3 杂化轨道理论 100

7.3.1 杂化轨道理论的基本要点 100

7.3.2 杂化轨道的类型 100

7.4 价层电子对互斥理论 102

7.5 分子轨道理论简介 104

7.5.1 分子轨道理论的基本要点 104

7.5.2 能级图 105

7.5.3 应用举例 106

7.6 金属键 107

7.6.1 金属晶格 107

7.6.2 金属键 107

7.7 分子的极性和分子间力 108

7.7.1 分子的极性 108

7.7.2 分子间力 108

7.8 离子极化 110

7.9 氢键 111

7.10 晶体的内部结构 111

习题 112

第二篇 分析化学

第8章　定量分析化学概论/116

8.1 分析化学的任务和作用 116

8.1.1 分析化学的任务 116

8.1.2 分析化学的作用 116

8.2 定量分析方法的分类 117

8.3 分析化学的发展趋势 117

第9章　定量分析误差和分析数据的处理/119

9.1 误差的基本概念 119

9.1.1 准确度与误差 119

9.1.2 精密度与偏差 120

9.1.3 系统误差和偶然误差 122

9.2 偶然误差的正态分布 123

9.2.1 正态分布的数学表达式 123

9.2.2 正态分布曲线的讨论 123

9.2.3 标准正态分布 123

9.2.4 偶然误差的区间概率 124

9.3 有限测定数据的统计处理 126

9.3.1 t分布曲线 126

9.3.2 平均值的置信区间 127

9.3.3 显著性检验 128

9.3.4 可疑测定值的取舍  128

9.4 提高分析结果准确度的方法  129

9.4.1 选择适当的分析方法  129

9.4.2 减小测量的相对误差 129

9.5 有效数字及其运算规则 130

9.5.1 有效数字 130

9.5.2 数字修约规则 131

9.5.3 有效数字的运算规则 131

习题 132

第10章　重量分析法/133

10.1 重量分析法概述 133

10.1.1 对沉淀形式的要求 134

10.1.2 对称量形式的要求 134

10.2 沉淀的溶解度及其影响因素 134

10.2.1 沉淀的溶解度 135

10.2.2 影响沉淀溶解度的因素 136

10.3 沉淀的类型与沉淀的形成机理 137

10.3.1 沉淀的类型 137

10.3.2 沉淀的形成过程 137

10.3.3 沉淀条件对沉淀类型的影响 138

10.4 影响沉淀的纯度的因素 138

10.4.1 共沉淀现象 138

10.4.2 后沉淀现象 139

10.4.3 提高沉淀纯度的措施 139

10.5 沉淀条件的选择 140

10.5.1 晶形沉淀的沉淀条件 140

10.5.2 无定形沉淀的沉淀条件 141

10.5.3 均匀沉淀法 141

10.6 有机沉淀剂 141

10.6.1 生成螯合物的沉淀剂 141

10.6.2 生成缔合物沉淀剂 142

10.7 重量分析结果的计算 142

习题 142

第11章　滴定分析法/144

11.1 酸碱滴定法 145

11.1.1 酸碱质子理论 145

11.1.2 水溶液中弱酸(碱)各型体分布 147

11.1.3 酸碱溶液中氢离子浓度的计算 150

11.1.4 酸碱缓冲溶液 155

11.1.5 酸碱指示剂 157

11.1.6 强酸(碱)和一元弱酸(碱)的滴定 160

11.1.7 多元酸(碱)的滴定 165

11.1.8 酸碱滴定法的应用 167

11.2 络合滴定法 171

11.2.1 概述 171

11.2.2 溶液中各级络合物型体的分布 173

11.2.3 络合滴定中的副反应和条件形成常数 176

11.2.4 EDTA滴定曲线及其影响因素 179

11.2.5 络合滴定指示剂 181

11.2.6 提高络合滴定选择性的方法 186

11.2.7 络合滴定的方式和应用 188

11.3 氧化还原滴定法 189

11.3.1 氧化还原平衡 189

11.3.2 氧化还原反应的速率 192

11.3.3 氧化还原滴定曲线 193

11.3.4 氧化还原法滴定前的预处理 196

11.3.5 常用的氧化还原滴定方法 197

11.3.6 氧化还原滴定结果的计算 201

11.4 沉淀滴定法 202

11.4.1 概述 202

11.4.2 确定终点的方法 202

11.4.3 沉淀滴定法应用示例 205

习题 205

第12章　吸光光度法/208

12.1 吸光光度法基本原理 208

12.1.1 物质对光的选择性吸收 208

12.1.2 朗伯-比耳定律 210

12.2 吸光光度法的仪器 211

12.2.1 基本部件 211

12.2.2 分光光度计的类型 212

12.3 显色反应及其影响因素 212

12.3.1 显色反应和类型及要求 212

12.3.2 影响显色反应的因素 213

12.4 吸光度的测量及误差控制 215

12.4.1 测量波长和参比溶液的选择 215

12.4.2 朗伯-比耳定律的偏离 215

12.4.3 吸光度测量的误差 216

12.5 吸光光度分析方法 217

12.6 吸光光度的应用 218

12.6.1 定量分析 218

12.6.2 物理化学常数的测定 219

习题 220

第三篇 物理化学

第13章　化学热力学基础/224

13.1 化学热力学研究内容及其特点 224

13.2 化学热力学基本概念 224

13.2.1 系统和环境 224

13.2.2 敞开系统、封闭系统、孤立系统 225

13.2.3 热力学平衡状态 225

13.2.4 状态函数 226

13.2.5 等温过程、等压过程、绝热过程、循环过程 226

13.2.6 热量、功 226

13.2.7 内能 227

13.3 热力学定律 227

13.4 功的计算 227

13.5 热的计算 228

13.5.1 等容热 229

13.5.2 等压热 229

13.6 理想气体的热力学能和焓 229

13.7 热力学第二定律 230

13.7.1 自发过程的方向和限度 230

13.7.2 热量和功的转换不等价性 230

13.7.3 自发过程的共同特征 231

13.7.4 卡诺定理 231

13.7.5 熵增加原理 231

13.7.6 Helmholtz函数判据 231

13.7.7 Gibbs函数判据 232

13.8 化学平衡 233

习题 234

第14章　化学动力学基础/236

14.1 化学反应速率 236

14.2 反应速率与浓度的关系 237

14.2.1 基元反应 237

14.2.2 反应分子数 237

14.2.3 反应速率方程 237

14.2.4 质量作用定律 237

14.2.5 反应级数 237

14.2.6 速率系数 238

14.2.7 一级反应 238

14.2.8 二级反应 239

14.2.9 零级反应 240

14.3 反应速率与温度的关系 240

14.3.1 Van't Hoff经验规则 240

14.3.2 Arrhenius公式 240

14.3.3 催化剂对反应速率的影响 241

14.4 典型的复杂反应 241

14.4.1 对峙反应 241

14.4.2 平行反应 241

14.4.3 连续反应 241

习题 242

第15章　电化学基础/244

15.1 电化学的基本概念 244

15.1.1 原电池和电解池 244

15.1.2 正极、负极,阴极、阳极 244

15.1.3 法拉第定律 244

15.1.4 离子的电迁移率和迁移数 245

15.1.5 电导、电导率、摩尔电导率 245

15.2 可逆电池和可逆电极 245

15.2.1 组成可逆电池的必要条件及其研究意义 245

15.2.2 可逆电极的类型 246

15.2.3 可逆电池的书面表示法 247

15.2.4 可逆电池电动势的测定 247

15.2.5 可逆电池电动势的应用 247

15.2.6 能斯特方程 248

15.3 极化作用和极化曲线 249

15.3.1 极化作用 249

15.3.2 极化曲线 249

15.4 化学电源 250

15.4.1 化学电源的发展简史 250

15.4.2 锂离子电池的诞生历程 251

15.4.3 锂离子电池的基本构成及其工作原理 252

习题 254

第16章　表面化学基础/256

16.1 表面分子的特殊性 256

16.2 表面功 257

16.3 表面能 258

16.4 表面张力 258

16.5 弯曲表面下的附加压力 260

16.6 杨-拉普拉斯公式 2