化學第 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

章節概要

Chemistry 2e 是 OpenStax 為兩學期普通化學課程編寫的教材，PDF 約1,200頁，共21章，另有13個資料附錄（A–M）和一份答案。各章結構一致：開頭是一段簡短的情境引入，隨後是以學習目標開篇的編號小節，穿插帶有「Check Your Learning」練習的例題（Example），章末依次是關鍵術語、關鍵公式、逐節小結和習題。

第1章：基本概念（Essential Ideas）

課程從化學的範圍和方法、物質的分類與性質講起，然後進入測量：國際單位制、不確定度與有效數字、準確度與精密度，以及用於單位換算的因次分析。

第2–4章：原子、分子和離子；物質與溶液的組成；化學反應的化學計量

第2章梳理從道爾頓到拉塞福和查德威克的原子理論發展，接著講同位素、化學式、對週期表的初步介紹、離子化合物與分子化合物以及命名法。第3章引入莫耳、實驗式與分子式、體積莫耳濃度及其他濃度單位。第4章講化學方程式的配平，把反應分為沉澱、酸鹼和氧化還原三類，並把化學計量應用於限量反應物、產率、滴定和重量分析。

第5章：熱化學

討論能量、熱與功、比熱容和熱量測定，然後講焓：標準生成焓和蓋斯定律。涉及熵和自由能的更完整的熱力學留到第16章。

第6–8章：電子結構與元素的週期性質；化學鍵與分子幾何；共價鍵的進階理論

第6章從電磁輻射、黑體輻射和光電效應講到波耳模型、薛丁格方程與量子數、電子組態和週期性規律。第7章涵蓋離子鍵和共價鍵、電負性、路易斯結構、形式電荷與共振、鍵的強度（包括波恩–哈伯循環）以及 VSEPR 分子構型與極性。第8章補充價鍵理論、混成軌域、多重鍵和分子軌域理論，並用分子軌域理論解釋氧為何具有順磁性。

第9–11章：氣體；液體和固體；溶液和膠體

這三章討論物質的狀態。第9章講氣體壓力、氣體定律與理想氣體定律、氣體化學計量與分壓、逸散與擴散、氣體動力論以及非理想行為；第10章講分子間作用力、液體的性質、相變、相圖和晶體固體，包括晶胞與 X 光繞射；第11章講溶解過程、電解質、溶解度、依數性和膠體。

第12章：化學動力學

討論反應速率及其影響因素、由實驗測定的速率方程、積分速率方程與半衰期、碰撞理論與阿瑞尼斯方程、反應機構和催化。

第13–15章：平衡的基本概念；酸鹼平衡；其他類型反應的平衡

第13章定義反應商和平衡常數，應用勒沙特列原理，並建立用於計算的 ICE 表方法。第14章在此基礎上展開布忍斯特–洛瑞酸鹼化學：pH 與 pOH、酸鹼的相對強度與解離常數、鹽的水解、多元酸、緩衝溶液和滴定曲線。第15章把平衡推廣到溶度積、路易斯酸鹼及配離子的生成常數，以及耦合平衡。

第16–17章：熱力學；電化學

第16章介紹自發性、熵（既作為微觀狀態數，也作為可逆熱）、熱力學第二和第三定律以及吉布斯自由能，並把自由能與平衡常數聯繫起來。第17章先複習氧化還原化學，再討論伽凡尼電池、標準電極電位、電池電位與自由能和平衡的關係、能斯特方程、電池與燃料電池、腐蝕和電解。

第18–19章：主族金屬、類金屬和非金屬；過渡金屬與配位化學

這是描述化學的兩章。第18章共12節，先概述主族元素的週期性，然後從氫到惰性氣體，講主族金屬、類金屬和非金屬的存在、製備和化合物。第19章討論過渡金屬、配位化合物（配位基、螯合物、異構現象），並用晶體場理論解釋它們的光譜和磁性。

第20–21章：有機化學；核化學

第20章用一章的篇幅概覽有機化合物：烴、醇和醚、羰基化合物、胺和醯胺。第21章講原子核的穩定性與結合能、核反應方程、放射性衰變與半衰期、核分裂與核融合、放射性同位素的應用以及輻射的生物效應。

核心概念

第1–5章：基礎、化學計量與熱化學

• 莫耳與莫耳質量：把以克計的質量與原子、分子的數目聯繫起來的單位。
• 限量反應物與產率：最先耗盡的反應物決定理論產量，實際產量與之比較。
• 蓋斯定律：焓變沿任何途徑都可以相加，因此可以用生成焓資料表計算反應焓。

第6–8章：原子與化學鍵

• 量子數與電子組態：對原子中電子的描述，用來解釋原子半徑、游離能和電子親和能的週期性規律。
• VSEPR 理論：根據中心原子周圍電子密度區域的數目預測分子形狀。
• 分子軌域理論：原子軌域的成鍵與反鍵組合，用來解釋鍵級和磁性。

第9–12章：物質的狀態、溶液與動力學

• 理想氣體定律：PV = nRT，波以耳定律、查理定律、阿蒙東定律和亞佛加厥定律都是它的特例。
• 分子間作用力：色散力、偶極–偶極作用和氫鍵，用來解釋沸點和溶解度。
• 速率方程與活化能：由實驗確定的反應速率對濃度的依賴關係，以及由阿瑞尼斯方程描述的能壘。

第13–17章：平衡、熱力學與電化學

• 平衡常數與勒沙特列原理：平衡混合物的組成，以及受到擾動時平衡如何移動。
• 緩衝溶液：弱酸與其共軛鹼組成、能抵抗 pH 變化的混合物，用韓德森–哈塞爾巴赫方程處理。
• 吉布斯自由能：在恆溫恆壓下以其符號判斷自發性的狀態函數，與 K 和電池電位相聯繫。

第18–21章：描述化學、有機化學與核化學

• 晶體場理論：配位基使 d 軌域發生分裂，從而解釋錯合物的顏色和磁性。
• 結合能與半衰期：由質量虧損釋放的能量，以及所有放射性同位素都遵循的一級衰變。

評析

優點

• 例題設計統一。 近三百道編號例題逐步展示解法，並以附答案的 Check Your Learning 練習收尾，每項技能都在講授之處就得到練習。
• 免費涵蓋標準內容。 目錄遵循從測量到核化學的常規兩學期順序，全書可線上或以 PDF 形式在 CC BY-NC-SA 許可下免費使用；正如序言所說，這一許可也允許教師重新排序或改編章節。
• 自帶參考資料。 附錄提供習題所需的資料：熱力學資料、解離常數、溶度積、生成常數、標準電極電位和半衰期，另有一個「Essential Mathematics」附錄講解科學記數法、對數和一元二次方程式求根公式。
• 提供背景的專欄。 44個「Chemistry in Everyday Life」專欄、19個「How Sciences Interconnect」專欄和10篇「Portrait of a Chemist」人物介紹（包括萊納斯·鮑林和羅莎琳德·富蘭克林）補充了背景，又不打斷核心內容。

局限

• 有意以代數為基礎。 凡需用到微積分之處，書中只給出結果：濃度曲線的斜率被說成超出本章範圍，積分速率方程則作為未展示的積分的結果給出。想看推導的學生需要另一類教材。
• 有機化學偏薄。 有機化學只有按化合物類別組織的一章、共四節，取代反應和加成反應按反應類型而非反應機構介紹；它只是預覽，不足以為有機化學課程做準備。
• 只有奇數題的答案。 答案部分只涵蓋奇數編號的章末習題，偶數題答案僅提供給教師。
• 部分背景材料較舊。 一些背景材料依據的是較舊的資料，例如熱化學一章以2012年美國能源消費資料開篇。

在課程中的定位

在本清單的普通化學書目中，Chemistry 2e 是對應標準代數型課程的免費開放許可選項。與它最接近的商業教材是 Brown 等人的 Chemistry: The Central Science 和 Petrucci 等人的 General Chemistry: Principles and Modern Applications，兩者都是涵蓋類似順序的綜合性教材；Chemistry 2e 可以替代其中任何一本，也可以與其中一本配合使用，以獲得更多講解和例題。

清單中另外兩本書適合想更進一步的學生。Atkins 等人的 Chemical Principles 以微積分為基礎、從物理原理建構化學，補上了 Chemistry 2e 省略的推導。Keeler 和 Wothers 的 Chemical Structure and Reactivity 放棄了有機、無機、物理化學的常規劃分，把軌域理論、熱力學和動力學講得更深，是化學專業學生自然的下一步。

如何使用本書

本書面向修讀兩學期普通化學課程的一年級學生。實際需要的預備知識是中學代數、指數和科學記數法；附錄 B 對此作了複習，第1章則講授全書通用的因次分析。

按章節順序的典型劃分如下：

• 第一學期： 第1–10章（測量、原子、化學計量、熱化學、電子結構、化學鍵、氣體、液體和固體）。
• 第二學期： 第11–17章（溶液、動力學、三章平衡、熱力學、電化學）。第14章和第15章通篇沿用第13章的方法。
• 選讀： 第18–21章。第18章和第19章是描述性概覽，可以有選擇地閱讀；第19章適合在無機化學課程之前閱讀，第20章適合在有機化學之前閱讀，若課程涉及核化學則讀第21章。

自學時，應先做完所有 Check Your Learning 練習，再做奇數編號的習題並對照答案檢查。由於本書會回到前面的主題，讀第16章前宜複習第5章，讀第17章前宜複習4.2節。「Link to Learning」指向 PhET 模擬等互動材料，其中關於原子結構、理想氣體定律、物質狀態和反應速率的模擬值得使用，部分章末習題也以它們為基礎。

版本與來源

本指南依據 Chemistry 2e（OpenStax，2019年2月首次出版，主要撰稿作者為 Paul Flowers、Klaus Theopold、Richard Langley 和 William R. Robinson），所用版本為 https://openstax.org/details/books/chemistry-2e 提供的官方免費 PDF（目前版本，CC BY-NC-SA 4.0）。指南參考了序言、完整目錄和附錄列表，以及全部21章的開篇引言、每個小節標題和逐節小結，並對部分小節作了更細緻的閱讀。