大学化学(第3版科学出版社十三五普通高等教育本科规划教材)

绪论 化学与数学、物理等同属于自然科学基础课，是高等工程教育中实施素质教育的**基础课程，是高等工科学校大多数专业不可缺少的一门基础课，是化学与工程技术间的桥梁，是培养全面发展的现代工程技术人员知识结构和能力的重要组成部分，是造就“基础扎实、知识面宽、能力强、素质高”的迎接新世纪挑战的高级工程科技人才所必需的课程。 化学是一门古老而又年轻的科学，也是一门具有中心性、实用性和创造性的科学，是研究和创造物质的科学。若按照学科的研究对象由简单到复杂的程度可分为上、中、下游。数学、物理是上游，生物、医药和社会科学等是下游，化学是中游，是自然科学中一门承上启下的中心科学。上游学科研究的对象比较简单，但研究的程度很深。下游学科的研究对象比较复杂，除了用本门学科的方法外，如果移上游科学之花，接下游科学之木，往往能取得突破性的成就。 化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构、性能及其变化规律和变化过程中能量关系的学科。其研究的物质对象包括原子、分子、生物大分子、超分子和物质凝聚态（如宏观聚集态晶体、非晶体、流体、等离子体等，以及介观聚集态纳米、溶胶、凝胶、气溶胶等）等多个层次。若按研究对象或研究目的的不同，可将化学分为无机化学、有机化学、高分子化学、分析化学和物理化学五大分支学科（化学的二级学科）。 （1）无机化学是研究无机物的组成、结构、性质和无机化学反应与过程的化学。无机化学研究的动向主要在现代无机合成、配位化学、原子簇化学、超导材料、无机晶体材料、稀土化学、生物无机化学、无机金属与药物、核化学和放射化学等方面。 （2）有机化学是研究碳氢化合物及其衍生物的化学，也有人称之为“碳的化学”。世界上每年合成的近百万种新化合物中约70%以上是有机化合物。有机化学的迅速发展产生了不少分支学科（三级或四级学科），包括有机合成化学（如天然复杂有机分子的全合成、不对称合成等）、金属有机化学、有机催化、元素有机化学、天然有机化学（如天然产物的快速分离和结构分析、传统中草药的现代化研究、天然产物的衍生物和组合化学、生物技术等）、物理有机化学（如分子结构测定、反应机理、分子间的弱相互作用等）、生物有机化学、有机分析、有机立体化学等。 （3）高分子化学（包括高分子物理和高分子成型）研究链状大分子的合成、大分子的链结构和聚集态结构，以及大分子聚合物作为高分子材料的成型及应用。其研究领域有：高分子合成、高分子高级结构和尺度与性能的关系、高分子物理、高分子成型、功能高分子、通用高分子材料及合成高分子的原料。 （4）分析化学是测量和表征物质的组成和结构的学科。随着生命科学、信息科学和计算机技术的发展，分析化学进入一个崭新的阶段，它不只限于测定物质的组成和含量，而要对物质的状态（氧化还原态、各种结合态、结晶态）、结构（一维、二维、三维空间分布）、微区、薄层和表面的组成与结构以及化学行为和生物活性等进行瞬时追踪、无损和在线监测等分析及过程控制，甚至要求直接观察原子和分子的形态和排列。未来的分析方法应具有更高的灵敏度、更低的检测限，*终实现单分子（原子）检测；更好的选择性、更少的干扰，更高的准确度、更好的精密度，同时进行多元素、多组分（分析物）分析，更小的样品量、微损或无损分析，更大的应用范围，原位（in situ）、活体内（in vivo）和实时（real time）分析等特点。因此，分析化学的新生长点可能在光谱分析、电化学分析、色谱分析、质谱（MS）分析、核磁共振（NMR）、表面分析、放射性分析、单分子（原子）检测系统和仪器的研制等方面。 （5）物理化学是研究所有物质系统的化学行为的原理、规律和方法的学科。它是化学学科以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础。在物理化学发展过程中，逐步形成了若干分支学科：结构化学、化学热力学、化学动力学、界面化学、胶体化学、催化化学、电化学、量子化学等。 化学科学的发展，已经达到从宏观深入微观，从定性走向定量，从描述过渡到推理，从静态推进到动态，从平衡态拓宽到非平衡态，从线性研究到非线性研究，从体相外延到表相的新的发展阶段。一方面，19世纪形成的无机化学、分析化学、有机化学、物理化学四大学科的内部，在分化、综合、交叉、渗透发展中继续填平鸿沟、模糊界线；另一方面，化学与物理学、生命科学、材料科学、环境科学、信息科学及自然科学的其他学科乃至人文和社会科学等众多学科相互交叉、渗透、融合、促进，形成更大、更多的综合趋势。化学化工及其相关产品已成为国际市场上仅次于电子产品的第二大竞争产品，是国力竞争的重要因素。 美国著名化学家G.C.Pimentel在《化学中的机会——今天和明天》一书中精辟地指出，化学正在成为“一门满足社会需要的中心学科”。当今人类面临的能源、粮食、环境、人口、资源等五大全球性问题无不与化学密切相关。化学已深深地渗透到机械、电气、热力、能源、材料、信息、生命等各个科技领域之中。化学家唐有祺院士在《中国科学院院士谈21世纪科学技术》一书中指出，“物质和运动是同一个统一体的两个侧面，它们理当分属化学和物理两个学科。因此，比较全面的提法显然是，化学与物理合在一起在自然科学中形成了一个轴心。”机械学设计及理论、摩擦学专家谢友柏院士指出，“我们搞润滑理论，如果只在力学中转圈子，不管润滑油的材料，不管摩擦的材料，那是很难做出什么在技术上有意义的结果的。实际上，很多技术上的进展，都与材料制备技术的突破分不开，而其中很大一部分是与化学的发展有关的。化学常常为解决难题提供超乎想象的可能性。例如，在电磁轴承系统中辅助轴承占的空间太大，我们就在磁铁表面做一层涂层巧妙地把它代替了。”地质专家刘宝君院士指出，“地质学家在研究物质成分方面都尽可能使用化学的方法，包括尽可能使用*先进的测试仪器。在理论的建立方面，化学原理是极其重要的支撑。”仪器科学与技术学科专家黄尚廉教授指出，“工程是各种各样的，但其基础仍是相通的。化学已深入信息工程中。精密仪器及机械学科的特点就是多学科相互交叉、渗透、融合。它是在基础学科（物理、化学、数学、生物）与应用学科（材料、机械、电子、自控、计算机）发展的基础上形成的一门综合性学科。工科大学中的基础化学教育是需要的，不能只看局部、眼前而就事论事。”土木工程专家赵国藩教授指出，“化学作为基础科学很重要。化学在工程中的应用很多、很广泛。土木工程中应用化学的有很多方面，如建筑材料，给水、排水，污水处理等。材料的腐蚀是我们搞工程的务必关注的重要问题之一。例如，钢筋的腐蚀对工程影响很大，如何防止腐蚀的问题我们也要解决。”金属材料与热处理专家雷廷权院士指出，“有些人认为，上述六大基础（指能源、信息、材料、粮食、环境和生命）中，信息*不需要化学。其实信息需要的化学知识也很多，因为信息离不开载体和介质，而载体和介质的组成和化学状态对信息有很大影响，如计算机硅片、大规模集成电路的制备及其质量保证都离不开化学，而这些都是保证计算机性能和正常运转的必要条件。”上述这些都体现了化学学科的基础性和巨大的渗透力。因此，实施高教层次的化学教育是十分必要的，它将有力地提高我国高级人才对科学信息的评价、决策和分析、创新能力。 发达国家的高等教育对化学教育相当重视。例如，美国麻省理工学院所有的系都开设化学方面的课程。美国麻省理工学院及圣地亚哥州立大学机械系教学计划中“普通化学”均列为必修课，学分为5分。美国大学中电气工程与计算机科学系一般均把“大学普通化学”列为公共必修基础课，学分为5分。英、美教育界把化学称为“中心科学”。重视理工科专业基础化学教育，已引起众多有识之士的共鸣，非化学化工类专业的大学化学教育正呈现一片勃勃生机。 大学化学课程简明地反映了化学学科的一般原理，学生通过学习本课程，能提高其对物质世界和人类社会及其相互关系的认识。能用化学观点，即从分子或原子层次出发并深入电子运动、扩展到聚集状态的观点，来理解宏观物质变化及其伴随能量变化的原因和规律。以化学在物理学、生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、能源科学、海洋科学、空间科学等领域中的应用为实例，帮助非化学化工类学生明确学习化学原理、应用化学原理的方法，培养学生正确的科学观，并突出科学思维方法和创新能力的培养，把化学的理论、方法与工程技术的观点结合起来，培养高级工程科技人才，逐步树立辩证唯物主义世界观。 大学化学课程的教学内容主要分为三大部分。 （1）理论化学：包括化学热力学、化学动力学、化学平衡、氧化还原和物质结构基础。 （2）应用化学：包括化学与能源、环境、材料、信息、生命和健康，以及与人文社会科学的关系和相互渗透等。 （3）实验化学：主要是性质或理论的验证，重要数据的测定，结合工程、社会生活的应用化学实验和设计性实验，并训练实验基本操作和现代化仪器的使用等。 上篇　化学基本原理