本書從生物醫學工程的角度，系統介紹物理化學的基本知識及其在生物醫學工程中的應用，其中包括作者多年來的部分研究成果。全書共12 章，其中第1 章為緒論，第2 章至第7 章主要為物理化學的基本知識，包括熱力學（第2 章）、化學勢與化學平衡（第3 章）、電化學（第4 章）、表面物理化學（第5 章）、膠體化學（第6 章）、化學動力學基本原理（第7 章）。
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 物理化學的內容和任務 1
1.2 物理化學的研究內容 1
1.2.1 化學變化的方向和限度 2
1.2.2 化學反應的速率和機理 2
1.2.3 物質結構和性能之間的關系 2
1.3 物理化學的發展歷史 2
1.4 生物醫學工程中的物理化學 3
第2章 熱力學概論 5
2.1 熱力學的定義 5
2.2 熱力學中的基本概念 5
2.2.1 系統和環境 5
2.2.2 系統的狀態和狀態函數 6
2.2.3 熱力學平衡狀態 7
2.2.4 過程和途徑 7
2.2.5 熱和功 7
2.2.6 功與過程的關系 8
2.2.7 準靜態過程與可逆過程 9
2.3 熱力學第一定律 10
2.3.1 熱平衡與熱力學第零定律 10
2.3.2 熱力學第一定律及其數學表達 11
2.3.3 焓與熱容 12
2.3.4 理想氣體的熱力學 13
2.3.5 化學反應的熱與焓 16
2.4 熱力學第二定律 20
2.4.1 自發過程與熱力學第二定律 20
2.4.2 卡諾循環與卡諾定理 21
2.4.3 熵的概念與計算 23
2.4.4 克勞修斯不等式與熵增原理 24
2.4.5 熵變的計算 25
2.4.6 熵的物理意義 28
2.5 化學反應的熵變與熱力學第三定律 30
2.5.1 熱力學第三定律 30
2.5.2 規定熵與標準熵 30
2.5.3 亥姆霍茲函數和吉布斯函數 31
2.5.4 化學反應的ΔG 34
第3章 化學勢與化學平衡 35
3.1 偏摩爾量 35
3.1.1 偏摩爾量的定義 35
3.1.2 偏摩爾量的集合公式 37
3.2 化學勢 37
3.2.1 化學勢的定義 37
3.2.2 化學勢判據及應用舉例 38
3.3 氣體的化學勢 40
3.3.1 理想氣體的化學勢 40
3.3.2 實際氣體的化學勢 41
3.4 理想溶液中物質的化學勢 41
3.4.1 拉烏爾定律 42
3.4.2 理想液態混合物的定義和特征 42
3.4.3 理想液態混合物中任一組分的化學勢 43
3.5 理想稀溶液中物質的化學勢 44
3.5.1 亨利定律 44
3.5.2 理想稀溶液的定義 44
3.5.3 理想稀溶液中溶劑和溶質的化學勢 45
3.6 不揮發性溶質稀溶液的依數性 46
3.6.1 蒸氣壓下降 46
3.6.2 凝固點降低 46
3.6.3 沸點升高 48
3.6.4 滲透壓 48
3.7 非理想溶液中物質的化學勢 49
3.7.1 活度與活度系數 49
3.7.2 活度求算 50
3.8 化學反應的方向和限度 50
3.8.1 反應系統的吉布斯函數 51
3.8.2 化學反應的平衡常數和等溫方程 52
3.9 反應的標準吉布斯自由能變化 53
3.10 平衡常數的各種表示法 54
3.10.1 氣相反應 55
3.10.2 液相反應 56
3.10.3 氣固復相反應 57
3.11 溫度對平衡常數的影響 57
3.12 其他因素對平衡常數的影響 58
3.12.1 壓力的影響 58
3.12.2 惰性氣體的影響 59
第4章 電化學 60
（一）電解質溶液 60
4.1 離子的遷移 60
4.1.1 電解質溶液的導電現象 60
4.1.2 法拉第定律 62
4.1.3 離子的電遷移 63
4.2 電解質溶液的電導 65
4.2.1 電導、電導率和摩爾電導率 65
4.2.2 電導的測定及應用 67
4.2.3 電導率、摩爾電導率與濃度的關系 68
4.2.4 離子獨立運動定律和離子的摩爾電導率 69
4.3 電導率的應用 70
4.3.1 計算弱電解質的解離度和解離平衡常數 70
4.3.2 計算難溶電解質的溶解度 71
4.3.3 電導滴定 72
4.4 強電解質溶液的活度和活度系數 73
4.4.1 活度和活度系數 74
4.4.2 影響離子平均活度系數的因素 75
（二）可逆電池及其應用 76
4.5 可逆電池 76
4.5.1 可逆電池的概念 76
4.5.2 可逆電極的種類 77
4.5.3 電池的表示式 79
4.5.4 電池電動勢的測定 80
4.6 可逆電池的熱力學 82
4.6.1 能斯特方程 82
4.6.2 電動勢及其溫度系數與電池反應熱力學量的關系 83
4.7 電極和電池電動勢 84
4.7.1 電池電動勢產生的機理 84
4.7.2 電池電動勢 87
4.7.3 電極電勢 87
4.7.4 電池電動勢的計算 89
4.8 電極電勢及電池電動勢的應用 91
4.8.1 判斷氧化還原反應的方向 91
4.8.2 化學反應標準平衡常數和難溶鹽的溶度積的計算 92
4.8.3 電解質的平均活度系數的計算 93
4.8.4 溶液的pH的計算 94
4.9 濃差電池和液體接界電勢 95
4.9.1 濃差電池 95
4.9.2 液體接界電勢 96
（三）不可逆電極過程及其應用 97
4.10 電極的極化 97
4.10.1 分解電壓 97
4.10.2 極化作用與超電勢 98
4.11 電解時電極上的競爭反應 100
4.11.1 電極反應速率 100
4.11.2 電極反應的競爭 101
4.12 電化學的應用 103
4.12.1 金屬的電化學腐蝕 103
4.12.2 金屬的電化學防腐 104
4.12.3 化學電源 107
第5章 表面物理化學 113
5.1 表面吉布斯函數和表面張力 113
5.2 純液體的表面現象 115
5.2.1 彎曲液面的附加壓力 115
5.2.2 彎曲液面的蒸氣壓 116
5.3 溶液的表面吸附 117
5.3.1 溶液的表面能 117
5.3.2 溶液的表面吸附作用 118
5.3.3 表面活性劑 119
5.4 表面的潤濕 122
5.4.1 潤濕作用 122
5.4.2 鋪展系數與黏附功 122
5.4.3 接觸角與楊氏方程 123
第6章 膠體化學 125
6.1 引言 125
6.2 膠體的基本性質和分類 126
6.2.1 膠體的基本性質 126
6.2.2 膠體的分類 127
6.3 溶膠的動力性質 128
6.3.1 布朗運動 128
6.3.2 擴散和滲透壓 130
6.3.3 沉降和沉降平衡 131
6.4 溶膠的光學性質 132
6.4.1 丁鐸爾效應 133
6.4.2 瑞利散射定律 134
6.5 溶膠的電性質 135
6.5.1 電動現象 135
6.5.2 膠體粒子帶電的原因 136
6.5.3 膠體粒子的雙電層 138
6.5.4 膠體粒子的結構 141
6.6 溶膠的穩定性 142
6.6.1 膠體穩定性理論 142
6.6.2 影響溶膠穩定性的因素 144
6.7 溶膠的制備與純化 145
6.7.1 溶膠的制備 145
6.7.2 溶膠的純化 146
第7章 化學動力學基本原理 148
7.1 引言 148
7.2 化學反應速率 150
7.2.1 化學反應速率的表示法 150
7.2.2 化學反應速率的測定 151
7.2.3 化學反應的速率方程 152
7.2.4 反應級數與反應分子數 154
7.2.5 質量作用定律 154
7.2.6 阿倫尼烏斯方程 155
7.3 具有簡單級數的反應 156
7.3.1 一級反應 156
7.3.2 二級反應 157
7.3.3 三級反應 159
7.3.4 零級反應 161
7.4 典型的復雜反應 162
7.4.1 對峙反應 162
7.4.2 平行反應 164
7.4.3 連續反應 166
7.5 鏈反應 168
7.5.1 直鏈反應 168
7.5.2 支鏈反應 170
7.6 基元反應速率理論 171
7.6.1 碰撞理論 171
7.6.2 過渡態理論 173
第8章 氣體表面吸附與檢測 177
8.1 氣體在材料表面的吸附 177
8.1.1 固體表面的特點 177
8.1.2 氣固吸附的類型 178
8.1.3 吸附量與吸附平衡 179
8.1.4 吸附曲線 179
8.2 氣固吸附的本質 185
8.2.1 氣固吸附的作用力 185
8.2.2 吸附熱 187
8.2.3 影響氣固吸附的主要因素 188
8.3 氣體傳感與檢測 188
8.3.1 氣體傳感器 188
8.3.2 氣體傳感陣列 199
8.4 氣體傳感與檢測在生物醫學工程中的應用 205
參考文獻 208
第9章 電化學傳感器 210
9.1 電化學傳感器的基本概念 210
9.2 電化學傳感器的工作原理 210
9.2.1 電流式傳感器 210
9.2.2 電位式傳感器 211
9.2.3 電導式傳感器 212
9.3 電化學傳感器的分類 213
9.3.1 電化學核酸傳感器 213
9.3.2 電化學酶傳感器 214
9.3.3 電化學免疫傳感器 215
9.3.4 電化學組織傳感器 216
9.3.5 電化學微生物傳感器 216
9.4 電化學傳感器在生物醫學工程方面的應用 216
9.4.1 遺傳病和傳染病的診斷 217
9.4.2 致病微生物的檢測 217
9.4.3 生物標志物的檢測 218
9.4.4 藥物研究 220
9.4.5 紙芯片 221
9.4.6 可穿戴式傳感器 223
參考文獻 224
第10章 生物材料的表面修飾 226
10.1 生物材料表面修飾的意義 226
10.2 生物材料的表面修飾方法 227
10.3 基于物理沉積的表面修飾方法 227
10.3.1 吸附法 227
10.3.2 氣相沉積 227
10.3.3 等離子噴涂 228
10.3.4 溶膠凝膠法 228
10.4 基于化學偶聯的表面修飾方法 229
10.4.1 傳統的化學改性法 229
10.4.2 表面接枝 231
10.5 生物芯片的表面修飾 232
10.5.1 生物芯片與圖案化修飾 232
10.5.2 常見的表面圖案化方法簡介 233
第11章 膠體材料與生物分析 238
11.1 引言 238
11.2 納米粒子的結構和性質 239
11.3 納米粒子的制備 240
11.3.1 制備納米粒子的物理方法 240
11.3.2 制備納米粒子的化學方法 241
11.3.3 制備納米粒子的物理化學方法 243
11.4 納米粒子的自組裝 244
11.4.1 納米粒子自組裝的驅動力 244
11.4.2 納米粒子自組裝的類型 246
11.4.3 納米粒子自組裝的方法 247
11.5 膠體晶體在生物分析中的應用 253
11.5.1 基于膠體晶體的有序結構 254
11.5.2 基于膠體晶體的生物分析 256
參考文獻 263
第12章 貴金屬納米粒子合成及動力學調控 267
12.1 引言 267
12.2 金屬的表面等離子共振性質 267
12.3 貴金屬納米粒子的合成方法 269
12.4 貴金屬納米粒子的形貌調控 271
12.4.1 成核與生長 271
12.4.2 貴金屬納米粒子形貌的熱力學調控 274
12.4.3 貴金屬納米粒子形貌的動力學調控 276
參考文獻 283
索引 285
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