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1热力学基本概念1

2热、功、内能、焓与热力学第一定律15

3状态函数的重要性：内能与焓41

4热化学63

5熵与热力学第二和第三定律79

6化学平衡115

7真实气体的性质155

8相图与固体、液体和气体的相对稳定性173

9理想与真实溶液199

10电解质233

11电化学电池、蓄电池和燃料电池249

12从经典到量子力学281

13薛定谔方程297

14量子力学假设319

15简单体系的量子力学处理327

16势箱中的粒子与真实世界345

17交换与非交换算符及纠缠的奇异结果365

18分子振动与转动的量子力学模型387

19双原子分子的振动与转动谱413

20氢原子445

21多电子原子463

22多电子原子的量子态与原子光谱487

23双原子分子的化学键517

24多原子分子的分子结构与能级547

25电子能谱575

26计算化学603

27分子对称性659

28核磁共振谱687

29概率719

30玻尔兹曼分布743

31系综与分子配分函数765

32统计热力学797

33气体运动论829

34输运现象851

35基础化学动力学883

36复杂反应机理929

附录A数学补充977

附录B数据表999

附录C点群特征表1017

附录D部分章尾习题答案1027

索引1043

1热力学基本概念1

1.1什么是热力学以及它为何有用？1

1.2描述热力学体系所需的基本定义2

1.3测温学4

1.4状态方程与理想气体定律6

1.5真实气体简介9

2热、功、内能、焓与热力学第一定律15

2.1内能与热力学第一定律15

2.2功16

2.3热19

2.4热容21

2.5状态函数与路径函数23

2.6平衡、变化与可逆性25

2.7可逆与非可逆过程的功26

2.8 △U的确定与焓的引入，新的状态函数30

2.9涉及理想气体过程的q， w， △U和△H的计算31

2.10可逆绝热膨胀与理想气体压缩35

3状态函数的重要性：内能与焓41

3.1状态函数的数学性质41

3.2 U对V和T的依赖关系46

3.3内能更强烈地依赖V还是T？48

3.4恒压时焓随温度的变化51

3.5 Cp与Cv如何关联？53

3.6恒温时焓随压力的变化54

3.7焦耳-汤姆孙实验57

3.8利用等焓膨胀来液化气体59

4热化学63

4.1化学键的储能在化学反应中的释放或吸收63

4.2化学反应的内能与焓的变化64

4.3基于焓状态函数的赫斯定律67

4.4反应焓的温度依赖性69

4.5实验测定化学反应的△U和△H71

4.6（补充材料）差示扫描量热法73

5熵与热力学第二和第三定律79

5.1宇宙变化的自然方向79

5.2热机与热力学第二定律80

5.3熵的引入85

5.4熵变化的计算86

5.5利用熵来计算封闭体系中的过程的自然方向89

5.6克劳修斯不等式91

5.7环境熵变与total=△S+△Ssurroundings92

5.8绝对熵与热力学第三定律94

5.9熵计算的标准态98

5.10化学反应中的熵变98

5.11（补充材料）热效率：热泵、冷冻机与真实的蒸汽机100

5.12（补充材料）依据熵是状态函数的事实来确定S对V和T的依赖性107

5.13（补充材料）熵对T和P的依赖性108

5.14（补充材料）热力学温标109

6化学平衡115

6.1吉布斯能与亥姆霍兹能116

6.2 U、 H、 A和G的微分形式120

6.3吉布斯与亥姆霍兹能对P、 V和T的依赖性121

6.4反应混合的吉布斯能124

6.5混合气体的吉布斯能125

6.6混合理想气体的吉布斯能计算126

6.7计算化学反应的△GoR127

6.8引入混合理想气体的平衡常数129

6.9计算混合理想气体的平衡分压131

6.10Kp随温度的变化132

6.11涉及理想气体和固相或液相的平衡134

6.12平衡常数的摩尔分数或摩尔浓度的表达式135

6.13ξeq对T和P的依赖性136

6.14（补充材料）实例：合成氨137

6.15（补充材料）只用可测量量来表达U和H及热容142

6.16（补充材料）单个RNA分子解折叠的△G测量146

6.17（补充材料）混合在确定化学反应平衡中的作用147

7真实气体的性质155

7.1真实气体与理想气体155

7.2真实气体的状态方程及其应用范围156

7.3压缩因子160

7.4对应状态的定律163

7.5真实气体的逸度与平衡常数166

8相图与固体、液体和气体的相对稳定性173

8.1什么决定固体、液体和气体的相对稳定性？173

8.2压力-温度相图176

8.3相律181

8.4压力-体积与压力-体积-温度相图182

8.5 P-T相图的理论基础184

8.6利用克劳修斯-克拉珀龙方程计算蒸汽压与T的函数关系185

8.7纯物质的蒸汽压依赖于外压188

8.8表面张力189

8.9（补充材料）超临界流体中的化学192

8.10（补充材料）液晶显示器193

9理想与真实溶液199

9.1定义理想溶液200

9.2气相和液相中某一组分的化学势201

9.3利用理想溶液模型处理二元溶液202

9.4温度-组分相图与分馏206

9.5吉布斯-杜安方程208

9.6依数性210

9.7凝固点下降与沸点上升210

9.8渗透压213

9.9真实溶液偏离拉乌尔定律214

9.10理想稀溶液217

9.11标准态下的活度定义219

9.12亨利定律与气体在溶剂中的溶解度222

9.13溶液的化学平衡223

9.14部分混溶液体形成的溶液体系227

9.15 固体-溶液平衡228

10电解质233

10.1溶液中离子形成的焓、熵和吉布斯能234

10.2离子形成与溶剂化的热力学理解236

10.3电解质溶液的活度与活度系数238

10.4利用德拜-休克尔理论计算γ±241

10.5电解质溶液中的化学平衡245

11电化学电池、蓄电池和燃料电池249

11.1电动势对荷电物种化学势的影响250

11.2电化学中的传统与标准态251

11.3可逆电池电势的测量254

11.4电化学电池中的化学反应与能斯特方程254

11.5结合标准电极电势来确定电池电势256

11.6从电池电势来获取反应吉布斯能与反应熵257

11.7电池电动势与平衡常数的关系258

11.8利用电化学电池来确定E°与活度系数260

11.9电池术语与电化学电池种类260

11.10电化学序262

11.11蓄电池与燃料电池的热力学263

11.12常用蓄电池的电化学263

11.13燃料电池265

11.14（补充材料）原子尺度的电化学267

11.15（补充材料）利用电化学进行纳米尺度机械加工273

11.16（补充材料）绝对半电池电势274

12从经典到量子力学281

12.1为什么研究量子力学？281

12.2量子力学来源于实验与理论的相互影响281

12.3黑体辐射282

12.4光电效应283

12.5粒子的波动性287

12.6双缝衍射287

12.7原子光谱与氢原子玻尔模型291

13薛定谔方程297

13.1什么决定一个体系是否需要采用量子力学来描述？297

13.2经典波与非弥散波方程302

13.3波可以方便表达为复函数305

13.4量子力学波与薛定谔方程307

13.5解薛定谔方程：算符、可观测量、本征函数与本征值308

13.6量子力学算符的本征函数是正交的310

13.7量子力学算符的本征函数构成完备集313

13.8新概念的总结314

14量子力学假设319

14.1与波函数相关联的物理含义320

14.2每个可观测量都有一个对应算符321

14.3单次测量的结果321

14.4期望值322

14.5量子力学体系的时间演化325

15简单体系的量子力学处理327

15.1自由粒子327

15.2一维势箱中的粒子329

15.3二维和三维势箱333

15.4利用假设来理解势箱中的粒子及其反情形334

16势箱中的粒子与真实世界345

16.1有限深度势箱中的粒子345

16.2芯电子和价电子重叠中的差异346

16.3共轭体系的电子可处理为势箱中的自由移动347

16.4为何钠可导电而金刚石是绝缘体？348

16.5穿越势垒的隧穿350

16.6扫描隧穿显微镜351

16.7化学反应中的隧穿354

16.8（补充材料）量子阱与量子点355

17交换与非交换算符及纠缠的奇异结果365

17.1对易关系365

17.2施特恩-格拉赫实验367

17.3海森伯测不准原理370

17.4（补充材料）标准差表达的海森伯测不准原理373

17.5（补充材料）三维势箱中粒子的想象实验376

17.6（补充材料）纠缠态、远程传输与量子计算机378

18分子振动与转动的量子力学模型387

18.1用于量子力学谐振子的薛定谔方程求解387

18.2用于二维转动的薛定谔方程求解392

18.3用于三维转动的薛定谔方程求解395

18.4角动量的量子化397

18.5球形谐函数399

18.6（选读综述）经典谐振子402

18.7（选读综述）角平动与经典刚性转子406

18.8（补充材料）空间量子化407

19双原子分子的振动与转动谱413

19.1谱学引论413

19.2吸收、自发发射与受激发射415

19.3振动谱引论417

19.4选律起源420

19.5红外吸收光谱422

19.6转动光谱425

19.7（补充材料）傅里叶变换红外光谱430

19.8（补充材料）拉曼光谱432

19.9（补充材料）态间跃迁速率是如何依赖频率的？434

20氢原子445

20.1薛定谔方程的公式化445

20.2氢原子的薛定谔方程求解446

20.3总能量的本征值与本征函数447

20.4氢原子轨道453

20.5径向几率分布函数455

20.6原子壳层模型的有效性459

21多电子原子463

21.1氦：最小的多电子原子463

21.2引入电子自旋465

21.3波函数必须反映电子的不可区分性466

21.4利用变分法求解薛定谔方程470

21.5哈特里-福克自洽场方法472

21.6根据哈特里-福克计算来理解周期表中的趋势479

22多电子原子的量子态与原子光谱487

22.1好的量子数、谱项、能级与态488

22.2组态的能量依赖于轨道和自旋角动量489

22.3旋-轨耦合将谱项分解为能级496

22.4原子光谱要素497

22.5基于原子光谱的分析技术500

22.6多普勒效应502

22.7氦-氖激光器503

22.8激光同位素分离507

22.9俄歇电子与X射线光电子能谱508

22.10激发态的选择化学：O（3P）与O（1D）511

22.11（补充材料）配对和未配对电子自旋的组态能量不同511

23双原子分子的化学键517

23.1最简单的单电子分子：H+2517

23.2基态H+2的分子波函数519

23.3 H+2分子波函数？g和？u的对应能量520

23.4 H+2分子波函数？g和？?u的细察523

23.5原子轨道结合为分子轨道526

23.6同核双原子分子的分子轨道530

23.7多电子分子的电子结构534

23.8键级、键能与键长537

23.9异核双原子分子539

23.10分子静电势540

24多原子分子的分子结构与能级547

24.1路易斯结构与VSPER模型547

24.2利用杂化来描述甲烷、乙烯和乙炔的局域键550

24.3构建非等价配体的杂化轨道553

24.4利用杂化来描述化学键556

24.5用定性分子轨道理论来预测分子结构558

24.6局域和离域键合模型如何不同？561

24.7共轭与芳香分子的定性分子轨道理论：休克尔模型563

24.8从分子到固体568

24.9室温下将半导体变为导体570

25电子能谱575

25.1电子跃迁能量575

25.2分子项符号576

25.3双原子分子电子态间跃迁579

25.4双原子分子电子态间跃迁的振动精细结构580

25.5多原子分子的紫外-可见光吸收582

25.6基态和激发态间的跃迁584

25.7单线态-单线态跃迁：吸收与荧光585

25.8系间窜越与磷光587

25.9荧光光谱与分析化学588

25.10紫外光电子能谱589

25.11单分子谱591

25.12荧光共振能量转移（FRET）593

25.13线性与圆二色性597

25.14（补充材料）双原子分子的项的+和-符号归属599

26计算化学603

26.1计算化学的希望603

26.2势能面604

26.3哈特里-福克分子轨道理论：薛定谔方程的直接派生608

26.4有限哈特里-福克模型的性质610

26.5理论模型与理论模型化学615

26.6超越哈特里-福克理论616

26.7高斯基底函数621

26.8理论模型的选择624

26.9图形模型637

26.10结论645

27分子对称性659

27.1对称元素、对称操作与点群659

27.2分子的点群归属661

27.3水分子与C2v点群663

27.4对称算符表示、表示基与特征表668

27.5表示的维度670

27.6用C2v表示来构建H2O分子轨道674

27.7分子振动的简正模式对称性676

27.8选律与红外及拉曼活性680

27.9（补充材料）用投影算符法来生成不可约表示基的MOs681

28核磁共振谱687

28.1内禀原子核角动量与磁矩687

28.2磁场中非零核自旋的原子核的能量689

28.3孤立原子的化学位移691

28.4嵌在分子中的原子的化学位移692

28.5邻位基团的电负性与化学位移693

28.6邻位基团的磁场与化学位移694

28.7自旋-自旋耦合引起NMR峰的多重裂分695

28.8两个以上自旋耦合时的多重裂分700

28.9 NMR谱的峰宽702

28.10固态NMR704

28.11 NMR成像704

28.12（补充材料）实验室中的NMR实验与旋转坐标706

28.13（补充材料）傅里叶变换NMR谱708

28.14（补充材料）二维NMR712

29概率719

29.1为何用概率？719

29.2基本的概率理论720

29.3斯特灵近似728

29.4概率分布函数729

29.5离散和连续变量的概率分布731

29.6分布函数的表征734

30波尔兹曼分布743

30.1微观态与构型743

30.2波尔兹曼分布的偏差749

30.3波尔兹曼分布的主导754

30.4波尔兹曼分布定律的物理含义756

30.5 β的定义757

31系综与分子配分函数765

31.1正则系综765

31.2 Q与理想气体q的关联767

31.3分子能级769

31.4平动配分函数769

31.5转动配分函数：双原子772

31.6转动配分函数：多原子780

31.7振动配分函数781

31.8能量均分定理787

31.9电子配分函数788

31.10综述791

32统计热力学797

32.1能量797

32.2能量与分子能量自由度801

32.3热容806

32.4熵810

32.5余熵815

32.6其它热力学函数816

32.7化学平衡820

33气体运动论829

33.1气体移动的运动理论与压力829

33.2一维速率分布832

33.3分子速度的麦克斯韦分布836

33.4速度分布的对比值：Vave、 Vmp和Vrms838

33.5气体泄漏840

33.6分子碰撞842

33.7平均自由程846

34输运现象851

34.1什么是输运？851

34.2传质：扩散853

34.3浓度梯度的时间演化856

34.4（补充材料）扩散的统计观858

34.5热导860

34.6气体粘度864

34.7粘度测量866

34.8液体中的扩散与液体粘度868

34.9（补充材料）沉降与离心870

34.10离子传导873

35基础化学动力学883

35.1动力学引论884

35.2反应速率885

35.3速率定律886

35.4反应机理892

35.5速率定律的积分表达式893

35.6（补充材料）数值法897

35.7串联一级反应899

35.8平行反应904

35.9速率常数的温度依赖性906

35.10可逆反应与平衡908

35.11（补充材料）扰动-弛豫法911

35.12（补充材料）水的自电离：一个T-跳跃的例子913

35.13势能面914

35.14扩散控制的反应916

35.15 活化络活物理论918

36复杂反应机理929

36.1反应机理与速率定律929

36.2预平衡近似931

36.3林德曼机理933

36.4催化935

36.5自由基链式反应946

36.6自由基链式聚合949

36.7爆炸950

36.8光化学925

36.9电子转移963

附录A数学补充977

附录B数据表999

附录C点群特征表1017

附录D部分章尾习题答案1027

索引1043