《21世紀高等院校教材：工程化學（第3版）》是在獲得上海市優秀教材二等獎的《工程化學》（第二版）的基礎上修訂而成，針對非化類專業化學課程教學時數少以及卓越工程師計劃強調實際應用能力的特點，濃縮化學的基本原理和應用，強調理論聯系實際、學科交叉，強化了化學在工程科學上的應用。全書分為三大部分，共10章。第1章和第2章，重點論述化學的基本原理及其平衡過程的應用；第3章到第5章，側重從物質結構的角度討論物質的性能；第6章到第10章，介紹化學在能源、機械工程材料、信息和環境工程領域的應用以及危險化學品的安全管理。
《21世紀高等院校教材：工程化學（第3版）》可作為高等學校非化學化工專業以及卓越工程師計劃專業化學基礎課程的教材以及工程技術人員的參考書。
《工程化學（第3版）》按化學基本原理、物質結構與性能、化學應用展開，可作為卓越工程師人才培養教材。全書分為三大部分，共10章。第1章和第2章，重點論述化學的基本原理及其平衡過程的應用；第3章到第5章，側重從物質結構的角度討論物質的性能；第6章到第10章，介紹化學在能源、機械工程材料、信息和環境工程領域的應用以及危險化學品的安全管理。精煉教學內容，注重化學應用，適合30～40學時的教學。本書配套實驗和學習指導教材，便于組織教學和學生自學。
第三版前言
第二版前言
第1章 化學反應的調控與應用
1.1 化學反應的基本概念與常用術語
1.1.1 系統和環境
1.1.2 過程和途徑
1.1.3 狀態和狀態函數
1.1.4 熱和功
1.1.5 熱力學能
1.2 化學反應的能量關系
1.2.1 熱力學第一定律
1.2.2 熱化學和赫斯定律
1.2.3 熱力學的標準狀態與生成焓
1.2.4 鍵能
1.3 化學反應的自發性及其判據
1.3.1 化學反應的自發性
1.3.2 熵
1.3.3 吉布斯函數
1.4 化學反應的限度及其轉化率提高
1.4.1 可逆反應與化學平衡
1.4.2 標準平衡常數
1.4.3 依據平衡常數的計算
1.4.4 化學平衡的移動
1.5 化學平衡的應用
1.5.1 酸堿溶液中pH的計算與控制
1.5.2 沉淀的生成與溶解
1.5.3 配合物的生成與解離
1.6 化學反應的速率及其控制
1.6.1 化學反應速率及其表示法
1.6.2 影響化學反應速率的因素
思考題與習題
第2章 電化學基礎與應用
2.1 原電池與電極電勢
2.1.1 原電池
2.1.2 電極電勢
2.2 電極電勢的應用
2.2.1 能斯特方程式
2.2.2 濃度對電極電勢的影響
2.2.3 電極電勢的應用
2.3 化學電源
2.3.1 一次電池
2.3.2 二次電池
2.3.3 燃料電池
2.3.4 綠色電池
2.4 電解技術
2.4.1 電解原理
2.4.2 電解電壓
2.4.3 電解產物
2.4.4 電解食鹽水
2.4.5 電化學技術
2.5 金屬的腐蝕與防護
2.5.1 電化學腐蝕
2.5.2 金屬防腐技術
思考題與習題
第3章 物質的微觀結構及其鍵合
3.1 原子結構和元素周期系
3.1.1 核外電子運動狀態的量子力學描述
3.1.2 基態原子中電子的分布原則
3.1.3 原子的電子層結構
3.1.4 元素周期系
3.2 原子的鍵合與分子中的電子運動
3.2.1 現代價鍵理論
3.2.2 共價鍵的鍵參數
3.2.3 分子間力和氫鍵
3.3 配合物結構的價鍵理論
3.3.1 價鍵理論的基本要點
3.3.2 配合物的幾何構型
3.3.3 外軌配鍵與內軌配鍵
3.3.4 配合物的穩定性與磁性
思考題與習題
第4章 物質的聚集與分散
4.1 氣態
4.1.1 理想氣體
4.1.2 實際氣體
4.1.3 氣體的液化與儲運
4.2 液態
4.2.1 液體的溶解性
4.2.2 液體的表面張力
4.2.3 液體的毛細現象
4.3 溶液
4.3.1 溶液的濃度及其計算
4.3.2 物質的溶解度及其影響因素
4.3.3 溶液的蒸氣壓
4.3.4 稀溶液的依數性
4.4 固態
4.4.1 晶體和非晶體
4.4.2 晶體的類型
4.5 膠體
4.5.1 溶膠的制備
4.5.2 膠體的特性
4.5.3 膠體的結構與穩定性
4.5.4 膠體的聚沉
4.5.5 氣溶膠
思考題與習題
第5章 元素及其化合物的性質與變化規律
5.1 物質的熔點與沸點
5.1.1 離子晶體的熔、沸點與晶格能之間的關系
5.1.2 離子極化對固體熔、沸點的影響
5.1.3 分子晶體的熔、沸點與分子間力的關系
5.2 化合物的溶解性
5.2.1 分子晶體的溶解性及其規律
5.2.2 離子化合物的溶解性及其規律
5.2.3 pH和配位作用對溶解性的影響
5.3 無機物的顏色及其變化規律
5.3.1 常見無機物的顏色
5.3.2 無機物顯色的原因
5.4 酸堿性
5.4.1 化合物的酸堿性
5.4.2 酸堿的應用
5.5 氧化還原性
5.5.1 單質的氧化還原性
5.5.2 化合物的氧化還原性
5.5.3 常用的氧化劑和還原劑
5.6 化合物的熱穩定性
5.6.1 鹵化物的熱穩定性規律
5.6.2 含氧酸鹽的熱穩定性
思考題與習題
第6章 能源工程中的化學
6.1 能源概論
6.1.1 能量及其能量轉化
6.1.2 能源的定義與分類
6.1.3 新能源的概念
6.2 化石燃料的有效利用和清潔生產
6.2.1 化石燃料的定義、分類和組成
6.2.2 煤的氣化、液化和干餾
6.3 氫能的開發與利用
6.3.1 氫氣的制備
6.3.2 氫氣的儲存
6.3.3 氫氣的應用
6.4 可再生能源的開發
6.4.1 生物質能源的利用
6.4.2 太陽能利用
思考題與習題
第7章 機械和建筑工程中的化學
7.1 工程材料的結構與性能
7.1.1 工程材料的分類
7.1.2 工程材料的鍵合特征
7.1.3 工程材料的性能特征
7.2 工程材料的腐蝕與防護
7.2.1 金屬的腐蝕與防護
7.2.2 鋼筋混凝土的腐蝕與防護
7.2.3 高分子材料的腐蝕與防護
7.3 材料的摩擦與潤滑
7.3.1 機械與化學拋光
7.3.2 納米潤滑劑
7.3.3 高分子摩擦材料
7.4 材料的清洗與表面處理
7.4.1 材料的表面處理技術
7.4.2 鋼的表面強化的化學方法
7.4.3 高分子材料表面處理的化學方法
7.5 建筑材料中的助劑化學
7.5.1 水泥外加劑的種類
7.5.2 化學外加劑的發展
思考題與習題
第8章 信息工程中的化學
8.1 信息感知化學
8.1.1 溫度傳感器
8.1.2 氣體傳感器
8.1.3 濕度的表示與濕度傳感器
8.2 信息轉換功能材料
8.2.1 壓電轉換材料
8.2.2 光電轉換材料
8.2.3 熱電轉換材料
8.3 信息存儲材料
8.3.1 信息記錄與存儲的一般原理
8.3.2 磁記錄材料
8.3.3 光信息存儲材料
8.4 信息傳輸材料
8.4.1 光纖的結構
8.4.2 石英光纖
8.4.3 塑料光纖（POF）
思考題與習題
第9章 環境工程中的化學
9.1 大氣污染及其防治
9.1.1 大氣污染物
9.1.2 大氣污染的防治
9.1.3 CO2的排放與循環利用
9.2 水體污染及其防治
9.2.1 水體污染
9.2.2 水體污染的防治
9.3 土壤污染及其防治
9.3.1 土壤的主要污染物
9.3.2 土壤污染的防治
思考題與習題
第10章 危險化學品的管理與消防
10.1 危險化學品安全管理基礎知識
10.1.1 危險化學品的分類與特性
10.1.2 危險化學品的儲存和運輸
10.2 危險化學品事故的預防和事故處理
10.2.1 操作時的預防
10.2.2 常用危險化學品事故處置
10.3 危險化學品的消防
10.3.1 燃燒的條件
10.3.2 危險化學品火災防治措施
10.3.3 滅火方法與滅火劑
思考題與習題
參考文獻
附錄
附表1 一些常見弱酸、弱堿的標準解離常數（298.15K）
附表2 水溶液中的標準電極電勢（298.15K）
附表3 一些物質的溶度積常數（298.15K）
附表4 一些常見配離子的穩定常數Kθ穩
附表5 一些物質的熱力學函數值（298.15K）
第1章 化學反應的調控與應用
化學反應是化學研究的中心內容。化學工作者在研究一個特定化學反應時，最關心的問題主要有下面四個方面：
（1）這個化學反應能否自發進行？除了進行化學實驗之外，能不能從理論上加以判斷？這就要研究反應自發性的理論根據，即反應判據或反應方向問題。這一問題主要涉及化學反應的能量關系。
（2）如果反應能夠進行，就要知道反應能進行到什么程度？反應物轉變為產物的最大限度是多少？這就要研究該反應中的質量關系，其中很重要的是要研究反應限度或化學平衡問題。
（3）化學反應進行的速率如何？反應的歷程（反應的中間步驟）是怎樣的？如果反應本質上是能夠進行的，但實際進行反應的速率很慢，就需要去尋找適當的催化劑，以加快反應的速率。
（4）進一步了解物質的結構和性能之間的關系，深入探討化學反應的本質。前兩個問題屬于化學熱力學的研究范疇，速率問題屬于化學動力學的研究范疇，最后一個問題屬于物質結構的研究范疇。
本章主要討論前三個問題，即化學反應的方向、限度和速率；并在此基礎上探討化學平衡的應用。
1.1 化學反應的基本概念與常用術語
1.1.1 系統和環境
熱力學通常從宏觀的角度研究化學問題，為了研究方便總是習慣于把研究對象與周圍環境區分開來。被劃作研究對象的這一部分稱為系統；而系統以外，與系統密切相關的部分稱為環境。例如，如果我們要研究NaCl溶液與AgNO3溶液之間的反應，就把溶液看作系統，而溶液周圍的其他東西如燒杯及其上方的空氣等看作環境。
根據系統與環境的關系，熱力學的系統分為以下三種情況。
（1）敞開系統：系統與環境之間既有物質交換又有能量交換。
（2）封閉系統：系統與環境之間沒有物質交換，只有能量交換。
（3）孤立系統：系統和環境之間既沒有物質交換，也沒有能量交換。在化學反應和化工工程中，我們通常遇到的是封閉系統。
1.1.2 過程和途徑
當系統的狀態發生變化時，我們把這種變化稱為過程，完成這個過程的具體步驟則稱為途徑。熱力學上經常遇到的過程主要有下列幾種：
（1）等壓過程――系統的壓力始終恒定不變（Δp＝0）。在敞口容器中進行的反應，可看作等壓過程，因系統始終經受相同的大氣壓力。
（2）等容過程――系統的體積始終恒定不變（ΔV＝0）。在容積不變的密閉容器中進行的過程，就是等容過程，也稱恒容過程。
（3）等溫過程――系統溫度始終恒定不定（ΔT＝0）。
1.1.3 狀態和狀態函數
一個系統的狀態是由一系列物理量所確定的。例如，用來表明氣體狀態的物理量有壓力、體積、溫度和各組分的物質的量等。當這些物理量都有確定值時，我們就說該氣體系統處于一定的狀態。如果其中一個物理量發生改變，則系統的狀態隨之而變。我們把這些決定系統狀態的物理量稱為狀態函數。
乍看起來，要確定一個系統的狀態，似乎要先確定所有的狀態函數。其實不然。由于狀態函數之間彼此是相互關聯，相互制約的，通常只要知道其中幾個狀態函數，其余的狀態函數也就隨之而定了。例如，確定某一氣體的狀態，只需在壓力、體積、溫度和物質的量這四個狀態函數中確定任意三個，因為第四個狀態函數可以通過氣體狀態方程式（pV＝nRT）來確定。
狀態函數具有如下性質：
（1）系統的一種狀態函數代表系統的一種性質，對于每一種狀態它都有確定的值，而與系統形成的途徑無關。例如，現有一杯溫度為300K的水，300K是該系統狀態函數T的一個確定值，不管這杯水是由冷水加熱而來還是由沸水冷卻而來，結果都是300K。
（2）當系統的狀態發生變化時，狀態函數也隨之改變，并且其變化值只與系統的始態和終態有關，與變化的途徑無關。例如，把25℃的水升溫至35℃可以通過如下的途徑達到：直接升溫至35℃；先冷卻至0℃然后升溫至35℃等，但其狀函數（溫度T）的改變量卻相同，即ΔT＝T（終態）-T（始態）＝10℃。這是因為狀態一定時，狀態函數就有一個確定值；始態和終態一定時，狀態函數的改變量只有唯一的數值。
態，
1.1.4 熱和功
系統能量的改變可以由許多方式來實現，從大的方面看共有三種，熱、功和輻射。熱力學僅考慮前兩種能量變化。
當兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱的要變冷，冷的要變熱，在兩者之間發生了能量的交換。這種由于溫差而引起的能量傳遞稱為熱，用符號Q表示，單位為J或kJ。通常規定，系統從環境吸收熱，Q為正值，即Q＞0；系統向環境釋放熱，Q為負值，即Q＜0。
在熱力學中，系統和環境之間除了熱以外，其他各種被傳遞的能量都稱為功，用符號W表示，單位為J或kJ。并規定：系統對環境做功，W為負值，即W＜0；環境對系統做功，W為正值，即W＞0。功有多種形式，通常分為體積功和非體積功兩大類。由于系統體積變化反抗外力所做的功稱為體積功，其他功如電功、表面功等都稱為非體積功。
當系統反抗外界壓力而發生體積變化時，就產生體積功，如圖1.1。若活塞的位置從l1→l2位移了Δl（Δl＝l2-l1）的距離，則筒內氣體反抗恒定外壓膨脹做功，系統失功：W＝-FΔl＝-p×S（l2-l1）＝-p×（Sl2-Sl1）＝-p×（V2-V1）＝-p×ΔV（1-1）
應該特別強調的是，熱和功都是在系統和環境之間被傳遞的能量，它們只在系統發生變化時才表現出來。沒有過程，系統的狀態沒有變化，系統和環境之間無法交換能量，也就沒有功和熱。由此可見，功和熱不是狀態函數。
在一般情況下，化學反應中系統只做體積功。因此，本章下面的討論都局限于系統只做體積功的情況。
1.1.5 熱力學能
熱力學系統內部的能量稱為熱力學能，用符號U表示，單位為J（或kJ）。它包括系統內部分子的能量（平動能、振動能、轉動能等），分子間的勢能，分子內原子、電子的能量等。熱力學能是系統內部能量的總和，它是系統本身的性質，由系統的狀態決定，系統的狀態一定，它具有確定的值，也就是說熱力學能是系統的狀態函數。當系統從一種狀態變化到另一種狀態時，熱力學能的增量ΔU只與系統的始態和終態有關而與變化的途徑無關。
由于物質結構的復雜性和內部相互作用的多樣性，至今無法知道系統熱力學能的絕對值。但當系統狀態發生改變時，系統和環境有能量的交換，即有功和熱的傳遞，據此可確定系統熱力學能的變化值。
1.2 化學反應的能量關系
1.2.1 熱力學第一定律
“自然界中一切物質都具有能量，能量有各種不同的形式，它能從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，而在傳遞和轉化的過程中能量的總值不變。”這就是眾所周知的能量守恒和轉化定律。將其應用到熱力學系統，就得到了熱力學第一定律，即在孤立系統中，能量的形式可以轉化，但能量的總值不變。
由熱力學第一定律可知，若一封閉系統由狀態Ⅰ變化到狀態Ⅱ，則其熱力學能U的改變量就等于在系統變化過程中，系統和環境之間傳遞的熱量和所做功的代數和，即ΔU＝Q+W（1-2）式（1-2）是熱力學第一定律的數學表達式，給出了系統的熱力學能、熱和功之間相互轉化的數量關系。在應用式（1-2）時，要特別注意每個物理量的符號規定及意義。
……
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