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化学应用基础(曹国庆)
《化学应用基础》为江苏省重点建设高职教材,该教材将传统的四大化学课程进行模块化整合,共分为化学反应速率与化学平衡、化工分析技术、物质结构和化合物基础、有机化合物、物质的聚集态和化学热力学基础五大模块,共19章及14个实训内容。全书在适当位置插入启发式、探究式的小问题,以促进学生思考,并将教材与生活、社会相结合。
《化学应用基础》重视化学技能的培养和化学在实际生活中的应用,适用于高职应用化工技术、精细化工、材料、环境工程、生物化工和制药等专业的学生和教师使用。 适读人群 :适用于高职应用化工技术、精细化工、材料、环境工程、生物化工和制药等专业的学生和教师使用。 在应用型人才的培养过程中,在强调应用型的同时,也不可能舍弃理论知识的教学。本书作者教授化学课程多年,有着丰富的经验。他将四大化学的重要的内容融入一本书,在知识点的选择和设置上都根据编者的教学经验精细设计;在理论知识之余还加入实训内容,使本书应用性强,符合应用型人才培养特点。
高职教育的目标是要培养具备高技能、有技术的应用型人才,现将这种理念应用到化学学科的教学。化学学习的根本就在于能将化学知识应用于生活、应用于生产和能为后续的专业课程服务。经过多年的高职化学教学的实践与探索,我们编写了这本《化学应用基础》教材。
本教材将传统的四大化学课程进行模块化整合,形成一本由“化学反应速率与化学平衡”、“化工分析技术”、“物质结构和化合物基础”、“有机化合物”、“物质的聚集态和化学热力学基础”五大模块组成,共19章及14个实训内容的综合性教材。本教材编写注意突出了以下几个特点: 1.模块化整合内容,重构课程体系 “化学应用基础”课程是应用化工技术、精细化工、材料、环境工程、生物化工和制药等专业的重要基础课程,该课程内容的设置和教学质量将直接影响到专业的培养目标。在编写该教材时,编者剔除了四大化学中理论性强又不实用的内容,根据各专业的培养目标,选择了四大化学中的部分内容并进行有机整合,形成了《化学应用基础》的五大模块内容,内容虽然庞大但又自成体系。 2.结合专业需求,灵活教学内容 由于不同专业培养目标和后续课程的不同,其对“化学应用基础”课程要求是不一样的。根据不同专业的要求,模块中的教学内容可作适当取舍,达到服务于专业、服务于培养目标的要求。譬如分析检验专业,因后续有更详细的定量化学分析和仪器分析课程,“化工分析技术”模块就可以不在此进行教学了;对于精细化工技术中涂料生产专业,“物质的聚集态和化学热力学基础”模块中增加了“胶体及应用”内容。 3.培养实训技能,应用于生活和生产 本教材的14个实训内容,有不少是物质的制备技术实训,培养学生在实验室进行生产试验的能力;也有与生活密切相关的实训,如水的pH测定、水的纯度测定等。体现教材服务生活和生产。 4.促进思考,培养兴趣 教材中有许多诸如“想一想”、“练一练”等思考内容,可促进学生在教学中当场思考,及时理解教学内容。教材章节后还有许多小资料可供学生在课后阅读,扩大学生的视野,培养学生学习兴趣。 5.拓展课外技能 用计算机绘制化学结构和进行实验数据处理也是高职学生应该要有的一项技能。在本教材中还介绍了ChemOffice化学结构软件的使用和用Excel软件进行实验数据处理的方法。 全书由南京科技职业学院、扬州工业职业技术学院有着多年高职教学经验的教师及企业科研人员合作编写而成。参加本书编写的有南京科技职业学院曹国庆(编写第1~4章)、胡智学(编写第14~16章)、雷玲(编写第17、18章)、朱云(编写第9~11章)、武亚明(编写第12、13章)、陈玉霞(编写第7、8、19章)和扬州工业职业技术学院王元有(编写第5、6章)。江苏中丹制药有限公司马锋高级工程师对本书的编写提出了许多宝贵意见和建议,在此表示感谢。本教材由南通大学石玉军教授担任主审,全书由曹国庆统稿和修改。 鉴于编者的知识和能力有限,书中难免存在缺点和不足之处,敬请读者和同行批评指正。 编者 2016年6月
曹国庆,南京科技职业学院教研室主任,副教授。1987年7月至今于南京科技职业学院(原南京化工职业技术学院)任教。任教课程有无机化学、分析化学、有机化学、仪器分析等。
作者为“化学应用基础”院级精品课程主持人;主持的“化学应用基础”多媒体课件获江苏省高校团体二等奖。
第一模块化学反应速率与化学平衡
第1章化学反应速率与化学平衡2 1.1气体2 1.1.1气体的压力单位和压力表2 1.1.2高压气体钢瓶及标识3 1.1.3理想气体状态方程3 1.1.4气体分压定律4 1.2化学反应速率4 1.2.1化学反应速率的表示与测定5 1.2.2化学反应速率理论6 1.2.3影响化学反应速率的因素8 1.3化学平衡11 1.3.1化学平衡与平衡常数11 1.3.2化学平衡的有关计算14 1.3.3化学平衡的移动及应用14 习题17 第2章酸碱平衡19 2.1溶液浓度表示19 2.1.1浓度表示和计算19 2.1.2浓度换算20 2.1.3溶液配制20 2.2酸碱平衡21 2.2.1酸碱质子理论21 2.2.2强酸、强碱溶液酸碱度计算21 2.2.3弱电解质的解离平衡21 2.2.4缓冲溶液及配制23 2.3沉淀与溶解平衡26 2.3.1溶度积26 2.3.2溶度积规则及其应用28 2.3.3沉淀分离技术29 习题30 实训1缓冲溶液配制和pH的测定31 【阅读材料】pH值快速测定技术32 第3章氧化还原平衡33 3.1氧化还原反应33 3.1.1氧化还原反应概念33 3.1.2氧化还原反应方程式的配平34 3.2原电池的组成和设计35 3.2.1电对概念35 3.2.2原电池的组成与符号36 3.3电极电势37 3.3.1标准电极电势37 3.3.2非标准电极电势的计算39 3.3.3电极电势的应用40 习题43 第4章配位平衡44 4.1配合物的基本概念44 4.1.1配合物的组成44 4.1.2配合物的命名46 4.2配合物在溶液中的状况47 4.2.1配位平衡47 4.2.2配合物稳定常数的应用48 4.3配合物的应用49 习题51 第二模块化工分析技术 第5章物性参数测定技术54 5.1熔点测定技术54 5.1.1熔点54 5.1.2熔点测定的意义55 5.1.3熔点测定方法55 5.2电动势测定技术56 5.2.1电池电动势测定原理56 5.2.2SDC数字电位差综合测试仪56 5.3电导率测定技术56 5.3.1电导与电导率57 5.3.2摩尔电导率57 5.3.3电导的应用58 5.4液体黏度测定技术59 5.4.1液体黏度59 5.4.2黏度的测定59 习题61 实训2天然水及实验用水的纯度测定61 【阅读材料】机油黏度过大过小的危害63 第6章物质含量分析技术64 6.1分析技术基本概念64 6.1.1滴定分析法64 6.1.2标准溶液及配制方法66 6.1.3滴定分析的计算67 6.1.4误差与偏差68 6.1.5有效数字70 6.2酸碱滴定技术71 6.2.1酸碱指示剂71 6.2.2酸碱滴定原理72 6.2.3酸碱滴定的应用76 实训3食醋中总酸含量的测定76 6.3配位滴定技术78 6.3.1方法原理78 6.3.2金属指示剂81 6.3.3应用示例(水的总硬度测定)82 实训4EDTA标准溶液的标定和水的总硬度测定83 6.4氧化还原滴定技术85 6.4.1高锰酸钾法85 6.4.2碘量法86 实训5高锰酸钾标准溶液的标定和亚铁盐含量的测定87 6.5吸光度测定技术89 6.5.1物质对光的选择性吸收89 6.5.2朗伯-比尔定律90 实训6工业产品中微量铁含量的测定91 习题94 【技能拓展】Excel在化学实验数据处理中的应用95 第三模块物质结构和化合物基础 第7章物质结构100 7.1核外电子运动状态100 7.1.1电子云的概念101 7.1.2核外电子运动状态的描述101 7.1.3核外电子排布规律103 7.2元素周期表106 7.2.1电子结构与元素周期表106 7.2.2元素周期律107 7.3共价键和分子结构110 7.3.1共价键理论110 7.3.2杂化轨道理论113 7.3.3分子间作用力与氢键116 7.4晶体结构与性能120 7.4.1分子晶体120 7.4.2离子晶体121 7.4.3原子晶体123 7.4.4金属晶体124 7.4.5晶体比较124 习题125 【阅读材料】揭秘晶体的常见用途125 第8章常见金属元素及其化合物128 8.1铬及其重要化合物128 8.1.1铬的元素电势图128 8.1.2单质及其性质129 8.1.3铬(Ⅲ)的化合物129 8.1.4铬(Ⅵ)的化合物130 8.1.5含铬废水的处理131 8.2锰及其重要化合物131 8.2.1锰的元素电势图132 8.2.2单质及其性质132 8.2.3锰(Ⅱ)的化合物132 8.2.4锰(Ⅳ)的化合物133 8.2.5锰(Ⅶ)的化合物133 8.2.6高锰酸钾的应用134 8.3铁及其重要化合物134 8.3.1铁的元素电势图135 8.3.2单质及其性质135 8.3.3铁的氧化物和氢氧化物135 8.3.4铁(Ⅱ)盐136 8.3.5铁(Ⅲ)盐136 8.3.6铁的配位化合物137 8.3.7重铬酸钾容量法测定铁矿石中的全铁138 8.4锌族元素及其化合物138 8.4.1锌族的元素电势图138 8.4.2锌族元素单质138 8.4.3氧化物和氢氧化物139 8.4.4盐类139 8.4.5配合物141 8.4.6化学沉淀法处理废水中的汞141 8.5铜族元素及其化合物142 8.5.1铜族的元素电势图142 8.5.2铜族元素单质142 8.5.3氧化物143 8.5.4氢氧化物144 8.5.5盐类144 8.5.6配合物147 8.5.7从废液中回收银148 实训7硫酸亚铁铵的制备和产品质量检测148 习题150 【阅读材料】合金材料151 第四模块有机化合物 第9章认识有机化合物154 9.1烃的结构与命名154 9.1.1烷烃结构与命名154 9.1.2烯烃结构与命名158 9.1.3炔烃的结构与命名163 9.1.4芳烃的结构与命名164 9.1.5卤代烃的结构与命名167 9.2含氧有机化合物的结构与命名169 9.2.1醇的结构与命名169 9.2.2酚的结构与命名171 9.2.3醚的结构与命名172 9.2.4醛和酮的结构与命名173 9.2.5羧酸及其衍生物的结构与命名174 9.3含氮及杂环有机化合物的结构与命名177 9.3.1胺的结构与命名177 9.3.2偶氮及重氮化合物的结构与命名178 9.3.3杂环有机化合物的结构与命名178 习题180 【技能拓展】化学软件ChemOffice的应用(物质结构、反应方程式、反应装置的绘制)183 第10章烃186 10.1烷烃186 10.1.1物性概述186 10.1.2烷烃的取代反应和应用188 10.1.3烷烃的来源和制备190 10.1.4环烷烃的结构与性质191 10.2烯烃193 10.2.1物性概述193 10.2.2烯烃的加成反应和应用193 10.2.3烯烃的取代反应和应用197 10.2.4烯烃的氧化反应与应用197 10.2.5双烯合成反应199 10.2.6烯烃的制备199 10.2.7烯烃的聚合物200 10.3炔烃201 10.3.1物性概述201 10.3.2炔烃的加成反应和应用201 10.3.3炔烃的氧化反应和应用203 10.3.4端基炔烃的反应与应用204 10.3.5炔烃的制备204 习题205 【阅读材料】塑料制品及性能207 第11章芳烃210 11.1物性概述211 11.2芳烃的取代反应和应用211 11.2.1苯环上的取代反应211 11.2.2苯环侧链上的反应214 11.2.3苯环上亲电取代反应的历程215 11.3芳烃的定位规律和应用215 11.3.1两类定位基215 11.3.2二取代苯的定位规律216 11.3.3定位规律的应用217 11.4对二甲苯的制备与应用217 习题218 【阅读材料】可燃气体爆炸极限及防爆措施219 第12章卤代烃221 12.1卤代烃的分类和物性概述221 12.1.1卤代烃的分类221 12.1.2卤代烃的物理性质222 12.2卤代烷的化学反应及应用223 12.2.1取代反应223 12.2.2消除反应225 12.2.3与金属镁反应——格氏试剂的生成226 12.3卤代烯烃和卤代芳烃227 12.3.1卤代烯烃与卤代芳烃的分类227 12.3.2不同结构的卤代烯烃和卤代芳烃反应活性的差异228 12.3.3双键位置对卤原子活泼性影响的理论解释228 12.4卤代烃的制备230 12.4.1烃类的卤代230 12.4.2不饱和烃与卤素或卤化氢的加成230 12.4.3由醇制备231 12.4.4芳环上的氯甲基化231 习题231 第13章醇、酚、醚233 13.1醇酚醚的分类和物性概述233 13.1.1醇的分类233 13.1.2醇的物性概述234 13.1.3酚的分类235 13.1.4酚的物性概述236 13.1.5醚的分类237 13.1.6醚的物性概述237 13.2醇的化学反应及应用238 13.2.1醇与活泼金属的反应——醇的酸性239 13.2.2羟基被卤原子取代的反应239 13.2.3酯化反应240 13.2.4脱氢和氧化241 13.2.5脱水反应243 13.3酚的化学反应及应用244 13.3.1酚羟基的反应244 13.3.2芳环上的取代反应246 13.3.3氧化和加氢反应248 13.4醚的化学反应及应用249 习题250 【阅读材料】一种相转移剂——冠醚251 第14章醛和酮253 14.1物性概述253 14.2羰基的加成反应和应用254 14.2.1与氢氰酸(HCN)的加成254 14.2.2与NaHSO3的加成255 14.2.3与格利雅试剂的加成256 14.2.4与醇的加成256 14.2.5与氨的衍生物加成257 14.3醛、酮的α-H原子反应和应用259 14.3.1卤代与卤仿反应259 14.3.2羟醛缩合反应259 14.4醛、酮的氧化还原反应和应用261 14.4.1氧化反应261 14.4.2还原反应261 14.4.3歧化反应[康尼查罗(Cannizzaro)反应]263 习题263 【阅读材料】家装中甲醛的污染与预防265 第15章羧酸及其衍生物266 15.1物性概述266 15.2羧酸的酸性及变化267 15.2.1羧酸的酸性268 15.2.2羧酸的αH卤代反应270 15.2.3脱羧反应271 15.2.4还原反应271 15.3羧酸衍生物的制备271 15.3.1酰卤的生成271 15.3.2酸酐的生成272 15.3.3酯的生成273 15.3.4酰胺的生成273 15.4羧酸衍生物的性质和应用274 15.4.1水解274 15.4.2醇解274 15.4.3氨解275 15.4.4还原反应275 15.4.5酰胺的特殊反应275 15.5乙酰乙酸乙酯、丙二酸二乙酯合成法和应用276 15.5.1乙酰乙酸乙酯合成法和应用276 15.5.2丙二酸二乙酯合成法和应用278 习题279 【阅读材料】百特事件——塑料增塑剂的利与弊280 第16章含氮及杂环有机化合物282 16.1胺类化合物283 16.1.1胺的性质及应用283 16.1.2季铵盐和季铵碱及应用287 16.1.3重要的胺287 16.2重氮和偶氮化合物288 16.2.1重氮化合物的制备289 16.2.2重氮盐的性质及其在有机合成上的应用289 16.3五元杂环化合物291 16.3.1含一个杂原子的五元杂环291 16.3.2含两个杂原子的五元杂环化合物293 16.4六元杂环化合物295 16.4.1含一个杂原子的六元杂环295 16.4.2含两个杂原子的六元杂环297 16.5氨基酸与味精298 16.5.1氨基酸298 16.5.2味精299 习题299 实训81溴丁烷的制备301 实训9乙酸乙酯的制备303 实训10环己酮的制备305 实训11乙酰苯胺的制备306 实训12肥皂的制备308 第五模块物质的聚集态和化学热力学基础 第17章化学热力学基础312 17.1热力学基本概念312 17.1.1系统和环境312 17.1.2系统的性质313 17.1.3状态和状态函数313 17.1.4热力学平衡态314 17.1.5变化过程314 17.1.6状态函数法315 17.2热力学第一定律315 17.2.1热与功315 17.2.2热力学能316 17.2.3热力学第一定律316 17.2.4焦耳实验317 17.3体积功的计算317 17.3.1体积功计算通式317 17.3.2不同过程的功318 17.4恒容热、恒压热及焓319 17.4.1恒容热(QV)319 17.4.2恒压热(Qp)及焓319 17.4.3热容320 17.4.4显热计算321 17.5热力学第一定律对理想气体的应用321 17.5.1理想气体内能和焓322 17.5.2热力学第一定律对理想气体pVT变化过程的应用322 17.5.3热力学第一定律对相变过程的应用324 17.6化学反应热325 17.6.1反应进度325 17.6.2化学反应热326 17.6.3热化学方程式327 17.7标准摩尔反应焓变的计算328 17.7.1盖斯定律328 17.7.2由标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变328 17.7.3由标准摩尔燃烧焓计算标准摩尔反应焓变329 17.8熵和熵变330 17.8.1熵函数与熵增原理331 17.8.2熵变的计算331 17.9吉布斯函数335 17.10化学反应方向的判断336 17.10.1化学反应方向判据式336 17.10.2标准摩尔反应吉布斯函数336 17.10.3标准摩尔生成吉布斯函数337 实训13燃烧热的测定337 习题339 第18章溶液及相平衡342 18.1拉乌尔定律和亨利定律342 18.1.1拉乌尔定律343 18.1.2亨利定律343 18.1.3理想稀溶液344 18.2稀溶液的依数性345 18.2.1蒸气压下降345 18.2.2沸点升高345 18.2.3凝固点降低346 18.2.4渗透压347 18.3理想液态混合物348 18.3.1理想液态混合物348 18.3.2理想双液系气液平衡时蒸气总压及气液组成349 18.4相平衡基本概念350 18.4.1相和相数350 18.4.2物种数和组分数350 18.4.3自由度和自由度数351 18.4.4相律351 18.5单组分系统的相图352 18.5.1单组分系统相律分析352 18.5.2水的相图分析353 18.5.3纯物质两相平衡时压力与温度的关系353 18.6二组分理想溶液的气液平衡相图355 18.6.1二组分理想溶液的蒸气压组成图355 18.6.2二组分理想溶液的沸点组成图357 18.6.3杠杆规则357 18.7二组分实际溶液的气液平衡相图358 18.7.1具有一般正(负)偏差的系统358 18.7.2具有最大正偏差的系统358 18.7.3具有最大负偏差的系统359 18.7.4精馏原理359 18.8液态完全不互溶双液系的蒸气压360 18.8.1液态完全不互溶双液系的蒸气压360 18.8.2水蒸气蒸馏361 【知识拓展】分配定律362 实训14双液系的气液平衡相图的绘制362 习题364 第19章胶体及应用367 19.1胶体及其主要特性367 19.1.1胶体的分类367 19.1.2胶团的结构368 19.1.3溶胶的光学性质368 19.1.4溶胶的动力学性质369 19.1.5溶胶的电学性质370 19.1.6溶胶的聚沉作用371 19.1.7胶体的性质与意义372 19.2乳状液372 19.2.1乳状液的定义及分类372 19.2.2乳状液的不稳定性373 19.2.3乳状液的应用374 习题375 【阅读材料】胶体化学的发展前景375 附录 附录1常见物质的热力学数据377 附录2弱酸、弱碱的离解常数(298.15K)379 附录3难溶化合物的溶度积常数(298.15K)379 附录4标准电极电势(298.15K)380 附录5常见配离子的稳定常数(298.15K)382 附录6常见化合物的相对分子质量表382 参考文献384 元素周期表
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