化学 第2版

引用

Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, W. R. (2019). Chemistry 2e (2nd ed.). OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/chemistry-2e

章节概要

Chemistry 2e 是 OpenStax 为两学期普通化学课程编写的教材，PDF 约1,200页，共21章，另有13个数据附录（A–M）和一份答案。各章结构一致：开头是一段简短的情境引入，随后是以学习目标开篇的编号小节，穿插带有“Check Your Learning”练习的例题（Example），章末依次是关键术语、关键公式、逐节小结和习题。

第1章：基本概念（Essential Ideas）

课程从化学的范围和方法、物质的分类与性质讲起，然后进入测量：国际单位制、不确定度与有效数字、准确度与精密度，以及用于单位换算的量纲分析。

第2–4章：原子、分子和离子；物质与溶液的组成；化学反应的化学计量

第2章梳理从道尔顿到卢瑟福和查德威克的原子理论发展，接着讲同位素、化学式、对周期表的初步介绍、离子化合物与分子化合物以及命名法。第3章引入摩尔、实验式与分子式、物质的量浓度及其他浓度单位。第4章讲化学方程式的配平，把反应分为沉淀、酸碱和氧化还原三类，并把化学计量应用于限量反应物、产率、滴定和重量分析。

第5章：热化学

讨论能量、热与功、比热容和量热法，然后讲焓：标准生成焓和盖斯定律。涉及熵和自由能的更完整的热力学留到第16章。

第6–8章：电子结构与元素的周期性质；化学键与分子几何；共价键的进阶理论

第6章从电磁辐射、黑体辐射和光电效应讲到玻尔模型、薛定谔方程与量子数、电子排布和周期性规律。第7章涵盖离子键和共价键、电负性、路易斯结构、形式电荷与共振、键的强度（包括玻恩–哈伯循环）以及 VSEPR 分子构型与极性。第8章补充价键理论、杂化轨道、重键和分子轨道理论，并用分子轨道理论解释氧为何具有顺磁性。

第9–11章：气体；液体和固体；溶液和胶体

这三章讨论物质的状态。第9章讲气体压强、气体定律与理想气体定律、气体化学计量与分压、泻流与扩散、分子动理论以及非理想行为；第10章讲分子间作用力、液体的性质、相变、相图和晶体固体，包括晶胞与 X 射线衍射；第11章讲溶解过程、电解质、溶解度、依数性和胶体。

第12章：化学动力学

讨论反应速率及其影响因素、由实验测定的速率方程、积分速率方程与半衰期、碰撞理论与阿伦尼乌斯方程、反应机理和催化。

第13–15章：平衡的基本概念；酸碱平衡；其他类型反应的平衡

第13章定义反应商和平衡常数，应用勒夏特列原理，并建立用于计算的 ICE 表方法。第14章在此基础上展开布朗斯特–劳里酸碱化学：pH 与 pOH、酸碱的相对强度与电离常数、盐的水解、多元酸、缓冲溶液和滴定曲线。第15章把平衡推广到溶度积、路易斯酸碱及配离子的生成常数，以及耦合平衡。

第16–17章：热力学；电化学

第16章介绍自发性、熵（既作为微观状态数，也作为可逆热）、热力学第二和第三定律以及吉布斯自由能，并把自由能与平衡常数联系起来。第17章先复习氧化还原化学，再讨论原电池、标准电极电势、电池电势与自由能和平衡的关系、能斯特方程、电池与燃料电池、腐蚀和电解。

第18–19章：主族金属、准金属和非金属；过渡金属与配位化学

这是描述化学的两章。第18章共12节，先概述主族元素的周期性，然后从氢到稀有气体，讲主族金属、准金属和非金属的存在、制备和化合物。第19章讨论过渡金属、配位化合物（配体、螯合物、异构现象），并用晶体场理论解释它们的光谱和磁性。

第20–21章：有机化学；核化学

第20章用一章的篇幅概览有机化合物：烃、醇和醚、羰基化合物、胺和酰胺。第21章讲原子核的稳定性与结合能、核反应方程、放射性衰变与半衰期、核裂变与核聚变、放射性同位素的应用以及辐射的生物效应。

核心概念

第1–5章：基础、化学计量与热化学

• 摩尔与摩尔质量：把以克计的质量与原子、分子的数目联系起来的单位。
• 限量反应物与产率：最先耗尽的反应物决定理论产量，实际产量与之比较。
• 盖斯定律：焓变沿任何途径都可以相加，因此可以用生成焓数据表计算反应焓。

第6–8章：原子与化学键

• 量子数与电子排布：对原子中电子的描述，用来解释原子半径、电离能和电子亲和能的周期性规律。
• VSEPR 理论：根据中心原子周围电子密度区域的数目预测分子形状。
• 分子轨道理论：原子轨道的成键与反键组合，用来解释键级和磁性。

第9–12章：物质的状态、溶液与动力学

• 理想气体定律：PV = nRT，玻意耳定律、查理定律、阿蒙东定律和阿伏伽德罗定律都是它的特例。
• 分子间作用力：色散力、偶极–偶极作用和氢键，用来解释沸点和溶解度。
• 速率方程与活化能：由实验确定的反应速率对浓度的依赖关系，以及由阿伦尼乌斯方程描述的能垒。

第13–17章：平衡、热力学与电化学

• 平衡常数与勒夏特列原理：平衡混合物的组成，以及受到扰动时平衡如何移动。
• 缓冲溶液：弱酸与其共轭碱组成、能抵抗 pH 变化的混合物，用亨德森–哈塞尔巴尔赫方程处理。
• 吉布斯自由能：在恒温恒压下以其符号判断自发性的状态函数，与 K 和电池电势相联系。

第18–21章：描述化学、有机化学与核化学

• 晶体场理论：配体使 d 轨道发生分裂，从而解释配合物的颜色和磁性。
• 结合能与半衰期：由质量亏损释放的能量，以及所有放射性同位素都遵循的一级衰变。

评析

优点

• 例题设计统一。 近三百道编号例题逐步展示解法，并以附答案的 Check Your Learning 练习收尾，每项技能都在讲授之处就得到练习。
• 免费覆盖标准内容。 目录遵循从测量到核化学的常规两学期顺序，全书可在线或以 PDF 形式在 CC BY-NC-SA 许可下免费使用；正如序言所说，这一许可也允许教师重新排序或改编章节。
• 自带参考数据。 附录提供习题所需的数据：热力学数据、电离常数、溶度积、生成常数、标准电极电势和半衰期，另有一个“Essential Mathematics”附录讲解科学记数法、对数和一元二次方程求根公式。
• 提供背景的专栏。 44个“Chemistry in Everyday Life”专栏、19个“How Sciences Interconnect”专栏和10篇“Portrait of a Chemist”人物介绍（包括莱纳斯·鲍林和罗莎琳德·富兰克林）补充了背景，又不打断核心内容。

局限

• 有意以代数为基础。 凡需用到微积分之处，书中只给出结果：浓度曲线的斜率被说成超出本章范围，积分速率方程则作为未展示的积分的结果给出。想看推导的学生需要另一类教材。
• 有机化学偏薄。 有机化学只有按化合物类别组织的一章、共四节，取代反应和加成反应按反应类型而非反应机理介绍；它只是预览，不足以为有机化学课程做准备。
• 只有奇数题的答案。 答案部分只覆盖奇数编号的章末习题，偶数题答案仅提供给教师。
• 部分背景材料较旧。 一些背景材料依据的是较旧的数据，例如热化学一章以2012年美国能源消费数据开篇。

在课程中的定位

在本清单的普通化学书目中，Chemistry 2e 是对应标准代数型课程的免费开放许可选项。与它最接近的商业教材是 Brown 等人的 Chemistry: The Central Science 和 Petrucci 等人的 General Chemistry: Principles and Modern Applications，两者都是涵盖类似顺序的综合性教材；Chemistry 2e 可以替代其中任何一本，也可以与其中一本配合使用，以获得更多讲解和例题。

清单中另外两本书适合想更进一步的学生。Atkins 等人的 Chemical Principles 以微积分为基础、从物理原理构建化学，补上了 Chemistry 2e 省略的推导。Keeler 和 Wothers 的 Chemical Structure and Reactivity 放弃了有机、无机、物理化学的常规划分，把轨道理论、热力学和动力学讲得更深，是化学专业学生自然的下一步。

如何使用本书

本书面向修读两学期普通化学课程的一年级学生。实际需要的预备知识是中学代数、指数和科学记数法；附录 B 对此作了复习，第1章则讲授全书通用的量纲分析。

按章节顺序的典型划分如下：

• 第一学期： 第1–10章（测量、原子、化学计量、热化学、电子结构、化学键、气体、液体和固体）。
• 第二学期： 第11–17章（溶液、动力学、三章平衡、热力学、电化学）。第14章和第15章通篇沿用第13章的方法。
• 选读： 第18–21章。第18章和第19章是描述性概览，可以有选择地阅读；第19章适合在无机化学课程之前阅读，第20章适合在有机化学之前阅读，若课程涉及核化学则读第21章。

自学时，应先做完所有 Check Your Learning 练习，再做奇数编号的习题并对照答案检查。由于本书会回到前面的主题，读第16章前宜复习第5章，读第17章前宜复习4.2节。“Link to Learning”指向 PhET 模拟等互动材料，其中关于原子结构、理想气体定律、物质状态和反应速率的模拟值得使用，部分章末习题也以它们为基础。

版本与来源

本指南依据 Chemistry 2e（OpenStax，2019年2月首次出版，主要撰稿作者为 Paul Flowers、Klaus Theopold、Richard Langley 和 William R. Robinson），所用版本为 https://openstax.org/details/books/chemistry-2e 提供的官方免费 PDF（当前版本，CC BY-NC-SA 4.0）。指南参考了序言、完整目录和附录列表，以及全部21章的开篇引言、每个小节标题和逐节小结，并对部分小节作了更细致的阅读。