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Physical Chemistry: Understanding our Chemical World(物理化学:理解我们身边的化学世界) cover

化学

化学

Physical Chemistry: Understanding our Chemical World(物理化学:理解我们身边的化学世界)

Paul M. S. Monk

英文原名: Physical Chemistry: Understanding our Chemical World

一本为大一本科生编写的物理化学入门教材,每个原理都先从日常情境引入,再展开理论。内容涵盖气体、化学键、热力学、相平衡、酸碱、电化学、动力学、光谱与光化学以及表面和胶体,并附有自我测评题。

需要的基础: 中学化学和数学;书中会复习所用到的代数和简单微积分。

难度等级
入门
学术层次
本科
physical chemistrythermodynamicskineticselectrochemistry教科书

01 / 导读

导读

引用

Monk, P. M. S. (2004). Physical Chemistry: Understanding our Chemical World. Wiley.

章节概要

全书约620页,共10章,每章分为若干编号小节。出版社把本书的写法概括为"例子先行":先呈现一个日常情境或应用,再展开解释它所需的化学与数学理论。书前有"词源导论"(Etymological Introduction)、符号表和标准词头表;书末附自测题(SAQ)答案和参考书目。篇幅最长的是讲电化学和动力学的第7章与第8章,各约70页。

第1章:物理化学导论

开篇一章先从变量、关系和定律的角度追问什么是物理化学,再转向热力学测量的实际做法。气体性质和气体定律放在这一章中讲,而不单独成章;本章最后对能量作进一步讨论。

第2章:相互作用与化学键导论

本章从物理相互作用和分子间相互作用出发,接着讨论如何定量描述这些相互作用及其影响,最后讲到正式化学键的形成。这是全书讲化学键的主要章节;书中没有单独讲原子结构或量子力学的章。

第3章:能量与热力学第一定律

正式的热力学从内能开始,然后是焓,再到无法直接测量的变化如何间接求得焓。

第4章:反应的自发性与热力学变化的方向

本章引入熵作为物理化学变化方向的判据,随后依次讨论熵随温度的变化、吉布斯函数、压力对热力学变量的影响、热力学与反应进度的关系,以及温度的影响。

第5章:相平衡

在从能量角度引入之后,本章先定性、再定量地讨论单组分体系在压力和温度变化时的行为,然后通过分配、依数性和涉及蒸气压的平衡进入双组分体系。

第6章:酸与碱

布朗斯特–劳里酸碱、"强"与"弱"酸碱的区分、滴定分析、pH缓冲溶液和酸碱指示剂。这部分内容与许多院系在分析化学中讲授的范围相重叠。

第7章:电化学

本章从原电池的术语和背景入手,介绍半电池与电极电势、活度、能斯特方程、浓差电池和迁移现象,最后讲实用电池。

第8章:化学动力学

先给出定义,再定性讨论浓度如何变化,然后是积分速率方程、复杂反应的动力学处理,最后是动力学的热力学一面:活化能、绝对反应速率和催化。

第9章:与光有关的物理化学:光谱学与光化学

光谱学与光化学合为一章,内容包括光子吸收与波长的影响、光化学和光谱学选律、光物理中的发射与能量耗散过程,以及其他光学效应。

第10章:吸附与表面、胶体与胶束

最后一章先定义吸附,然后讨论胶体与界面科学、胶体稳定性以及缔合胶体(胶束)。

核心概念

第1–2章:基础

  • 气体定律:描述气体压力、体积、温度和物质的量之间关系的定律,在第1章引入。
  • 分子间相互作用:分子之间的作用力;本书先对其作定量描述,再转入正式的化学键。

第3–5章:热力学与相平衡

  • 内能与焓:体系的能量以及恒压下交换的热,是第一定律所处理的量。
  • 熵与吉布斯函数:决定自发变化方向的量度。
  • 分配:溶质在两个互不相溶的相之间的分布,是本书进入双组分平衡的切入点。
  • 依数性:只取决于溶质的量、而与溶质种类无关的溶液性质。

第6–7章:酸碱与电化学

  • 缓冲溶液与指示剂:能抵抗pH变化的溶液,以及以颜色显示pH的物质。
  • 电极电势与能斯特方程:半电池电势如何随相关物种的活度而变化。
  • 活度:在非理想溶液中取代简单浓度的有效浓度。

第8–10章:动力学、光与表面

  • 积分速率方程:对某一反应级数给出浓度随时间变化的表达式。
  • 活化能与催化:反应的能垒以及催化剂改变反应速率的方式。
  • 选律:决定哪些光谱跃迁和光化学跃迁是允许的规则。
  • 胶束:表面活性剂分子在溶液中形成的聚集体,即最后一章所讲的缔合胶体。

评析

优点

  • 应用先于理论。 出版社声明的写法是先给出现实生活中的例子和应用,再讲理论,并采用篇幅短、相对独立的章节。对于不喜欢抽象推导的学生,这种顺序让他们在公式出现之前就有理由关心每个主题。
  • 书评认可其可读性。 出版社引用的书评摘录称本书有趣、易读、让这门学科变得好懂(Journal of Chemical Education,2006年5月),称作者处理这门学科中的"棘手问题"时没有故弄玄虚(Clinical Chemistry,2005年6月),并称其写法新颖、令人耳目一新(Chemistry and Industry,2004年9月)。
  • 内置自测。 自测题的答案附在书末,读者无需另购题解即可逐节检查理解程度。
  • 核心内容联系实际。 滴定、缓冲溶液、指示剂、电池、胶体和胶束都设有专门小节,因此与理论先行的教材相比,本书更多地把物理化学与实验室和日常材料联系起来。

局限

  • 没有量子化学和统计热力学。 目录中没有量子力学、原子结构或统计力学的章节;化学键只在第2章中处理,光谱学也只占与光化学合用的一章。包含这些内容的课程需要另配教材。
  • 只有2004年一版。 本书未曾修订,因此像电池一节这样的应用反映的是21世纪初的技术和数据。
  • 重广度轻深度。 十章覆盖了从气体到胶体的整个入门课程范围,每个主题都只是入门性的处理;继续深入学习物理化学的学生需要更完整的教材来学习推导、练习难题。

在课程中的定位

在本课程书单中,Monk是最平易的一本完整教材。Peter Atkins的 Physical Chemistry: A Very Short Introduction 几乎不用公式,简明地勾勒出这门学科的核心思想;先读它可以得到全局地图,再由Monk提供实际运算用的公式和SAQ练习。Raymond Chang的 Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences 是一本面向化学和生物学学生的易读教材,也涵盖量子概念和分子结构,因此是学习Monk未涉及主题的自然下一步。

Atkins、de Paula和Keeler合著的 Physical Chemistry 是覆盖整套物理化学课程、包括量子力学和统计力学的综合性主教材,数学要求较高;Monk很适合作为其热力学、平衡、电化学和动力学各章的预习或配套读物。McQuarrie和Simon的 Molecular Thermodynamics 通过统计力学从分子层面讲热力学,应放在更晚的阶段,在牢固掌握Monk第3–5章的经典热力学之后再读。

如何使用本书

出版社将本书定位为面向修读第一门物理化学课程的本科生,并称其从基本原理讲起。它适合化学专业一年级学生、只需修一门物理化学的相邻专业(生物学、环境科学、材料、药学)学生,以及希望借助熟悉情境重新学习这门学科的读者。既然出版社说本书从基本原理讲起,具备中学化学和数学基础应当就可以开始。

实用的阅读计划:

  • 核心顺序: 依次读第1、3、4、5章。它们建立起全书其余部分所依赖的热力学(能量、焓、熵、吉布斯函数);第4章关于压力、温度和反应进度的几节是通往平衡的桥梁。
  • 其次: 第8章动力学。其最后一节通过活化能和绝对反应速率把速率与热力学联系起来,因此应在第4章之后阅读。
  • 按课程侧重选读: 涉及溶液平衡和电化学的课程读第6、7章;想初步了解光谱学和光化学读第9章;材料、制剂或药学方向的学生读第10章。
  • 第2章 可以早读,作为从普通化学过渡的桥梁;近期学过化学键的学生也可以跳过。

SAQ应在出现时随即完成,而不是留到章末,并对照书末答案检查。由于本书止步于量子化学和统计力学之前,课程进入这些内容时应配合Chang或Atkins、de Paula和Keeler的教材,并用这些书的章末习题做更难的练习。