第1章绪论
　　化学是一门试图了解物质的性质和物质发生变化的科学，它涉及存在于自然界的物质——地球上的矿物、空气中的气体、海洋里的水和盐、在动物身上找到的化学物质以及由人类创造的新物质，还涉及自然界的变化——因闪电而着火的树木、与生命有关的化学变化，以及人类发明和创造的新变化。
　　众所周知，世界是由物质组成的，物质是客观存在的，是化学研究的对象。化学以其特有的观点来研究和认识物质。物质可分为若干层次，目前大家公认的为三个层次：微观、宏观和宇观，其中每个层次又可分为若干亚层次。三个物质层次的情况如表1-1所示。
　　人类认识世界、认识物质总是从直接感知开始，并借助仪器和辩证思维不断扩展、深化。物质在不断运动之中，运动就是变化，物质的运动一般用能量来度量。各层次的物质运动都有相应于其特点的理论。人类对物质运动的认识没有完结，因此理论的发展也不会终结。人类首先认识的是宏观物质，牛顿力学是人类认识物质运动早期的基础；对宇观和微观层次的物质的认识是人类认识物质的扩大和深化，广义相对论和量子力学是研究这两个层次而出现的理论，是牛顿力学的发展和深化。化学研究的内容涉及宏观和微观两个层次交界处的一些亚层次物质。它是一门在原子、分子或离子层次上研究物质的组成、结构、性质等变化及其内在联系和外界变化条件的科学。
　　1.1历史的发展离不开化学
　　出于对自然界物质的好奇心，人们很早就开始从自然界分离得到纯粹化学物质。人们发现，可以从某些花卉和昆虫中提取颜料，并用来作画和染布。直到20世纪，化学家才弄清楚这些天然颜料的化学成分及其结构。人类很早就学会通过化学变化来制造新的物质，如肥皂和活性炭。
　　木材被加热时失去水分，生成活性炭。在这个过程中，木材中的纤维素——一种含有碳、氢和氧并全由化学键连接在一起的化合物发生了化学反应，使氢和氧化学键断裂生成水而失去，剩下的碳成为活性炭。但是，仅靠把活性炭和水混在一起，不能使这个过程反过来生成纤维素。因为氧原子和氢原子不能自发地与碳生成所需的化学键。
　　还有具有神秘色彩的“炼金术”和“炼丹术”，早期的这些“化学家们”的发现多属于偶然，而且在相当长的时间里，偶然性是发现的主要途径。偶然性对于发现至今仍然是重要的，但是随着人们化学知识的增长，现在可以通过设计来创造新的化学物质。
　　综上所述，化学研究的特点是化学变化及形成的新物质，相关学科的研究无不围绕这些方面进行。根据研究的对象和领域特色，化学分为无机化学、分析化学、有机化学和物理化学。对于初步涉猎化学学习的人而言，首先学习无机化学和分析化学。
　　1.1.1无机化学与分析化学的特点与近代化学
　　从1661年波义耳(Boyle)发表他的名著《怀疑派的化学家》起，到1869年门捷列夫(Meнделеев)建立元素周期系为止约200年的时间，可以作为近代化学由萌芽发展到比较成熟的时期。在近代化学的发展历程中，可以发现很多与无机化学与分析化学课程相关的内容：
　　(1)近代化学时期的到来首先要归功于天平的使用，它使化学的研究进入定量阶段。由此出现了一系列基本定律和原子、分子学说，如1748年罗蒙诺索夫(Ломоносов)的能量不灭定律；
　　(2)1777年拉瓦锡的氧化学说；
　　(3)18世纪末，普劳斯特(Proust)的定比定律；
　　(4)1802年，盖-吕萨克(Gay-Lussac)提出的盖-吕萨克定律；
　　(5)1803年开始，由道尔顿(Dalton)建立的倍比定律、气体分压定律、原子学说、相对原子质量概念；
　　(6)1811年，阿伏伽德罗(Avogadro)提出的阿伏伽德罗定律和分子概念。这些基本定律和原子、分子学说的产生使化学成为一门科学。1869年，门捷列夫把当时已知的60多种元素按相对原子质量和化学性质之间的递变规律排列起来，组成了一个元素周期系并找出了它们的规律——元素周期律，使化学科学提高到了辩证唯物主义的高度，充分体现了从量变到质变的客观规律。
　　1.1.2化学的现状
　　19世纪下半叶，物理学的热力学理论被引入化学，从宏观角度解决了化学平衡的问题。随着工业化的进程，建立了生产酸、碱、染料和合成氨等其他有机物的工厂，化学工业的发展促使化学科学进一步发展。由此化学形成了无机化学、分析化学、有机化学和物理化学四大基础化学学科。
　　20世纪初，一系列的新发现(如电子、原子核、放射性等)以及量子力学的出现，使物质结构理论向前发展了一大步，化学在加深微观认识的基础上弄清了许多化合物的性质与结构的关系，给无机化合物和有机化合物的合成提供了指导作用，特别是合成出的有机化合物数量急剧上升。20世纪以来，随着实验技术的更新，化学知识越来越丰富，反应的能量问题、方向问题、机理问题都得到了广泛而深入的研究，从而进一步促进了化学理论的发展。原来的四大基础化学学科已经不能涵盖新的发展，从而衍生出新的学科分支，如生物化学、环境化学、材料化学、药物化学和地球化学等。化学学科对物理、地质、能源、材料、医学等学科的发展产生了巨大影响，尤其是对生命科学。20世纪生物化学的崛起给古老的生物学注入了新的活力，研究生物分子的化学结构和合成领域的科学家已经多次获得诺贝尔化学奖。例如，1980年，伯格(Berg)、桑格(Sanger)和吉尔伯特(Gilbert)在DNA分裂、重组和测序方面做出了巨大贡献；1982年，克鲁格(Klug)利用X射线衍射法测定了染色体的结构；1984年，梅里菲尔德(Merrified)发明了多肽固相合成技术；1989年，切赫(Cech)和奥尔特曼(Altman)发现核酶；1997年，斯科(Skou)发现了维持细胞中K+和Na+浓度平衡的酶及其有关机理等。现代科学中能源、环境、材料、生物、信息技术等学科无一例外地与化学密切相关，化学不愧是一门中心的、实用的、创造性的科学。
　　进入21世纪，化学学科向其他学科的渗透和交融趋势更明显。物理学科的发展使化学不但能够描述慢过程，而且能用激光、分子束和脉冲等技术跟踪超快过程。这些进步将有助于化学家在更深层次揭示物质的性质及物质变化的规律。数学的非线性理论和混沌理论也对化学多元复杂体系的研究产生了深远的影响。随着计算机技术的发展，化学科学与数学方法、计算机技术相结合，形成了化学计量学，实现了计算机模拟化学过程。应用量子力学方法处理分子结构与性质的关系，有可能按照预定性质要求设计新型分子。应用数学方法和计算机确定新型分子的合成路线，使分子设计摆脱纯经验的摸索，为材料科学指明了新的方向。
　　在日益加快步伐合成出来的新化合物中，有些正在考察作为新药物的可能性，另一些则被用于制造新材料，如有应用价值的塑料等。新近发明的化学反应用于生产药用化合物和其他化学物质时常表现出更高的效率。生物化学和分子生物学处于药学和生物学的边缘。现在科学家正在从事揭示生命与疾病的化学工作。利用这些信息，药物化学家可以设计新的药物。
　　一些化学家在做环境方面的工作，研究环境正在发生些什么(如使臭氧产生空洞的化学反应)和探索如何使制造过程有利于环境安全。开发对环境友好的过程是化学和制药工业的主要方向，现代工业应充分地考虑环境，从而成为“绿色化学”的一部分。
　　另外，化学提供的特殊材料使现代电子学成为可能，同时它也积极地使用计算机进行研究。计算化学领域应用现代化学理论对以下方面进行预测：①未知化学物质的性质；②未知化学物质应有的几何形状；③在还没有研究清楚的分子之间将发生的反应；④这些未知反应的反应速率；⑤能够用来有效地制造复杂新分子的合成路线。
　　面对生命科学、材料科学、信息科学等其他学科迅速发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求，化学正在不断地创造出新的物质，以满足人们日益增长的物质文化生活需要，造福国家，造福人类。当然，资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续性发展、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等向我国的科研工作者提出了一系列重大的挑战，迫切需要化学家在更高层次上进行化学的基础研究和应用研究，发现和创造出新的理论和方法。
　　1.2本教材的知识模块及特点
　　如前所述，化学领域各个方面的飞速发展为人类社会的发展提供了有效的工具。作为学生，必须了解这些学科发展的沿革，特别是学科发展的思想和逻辑，要对基础的概念和理论的应用有很好的理解及把握，因此必须打下良好的理论基础。无机化学与分析化学无疑是这个基础中的基石。
　　本教材包括无机化学与定量分析两部分内容，包括无机化学原理(化学原理模块、结构模块、氧化还原模块、平衡模块)、定量分析(定量分析概论、酸碱滴定、沉淀分析、配位滴定、氧化还原滴定)、元素化学三大部分。但化学原理的内容有很大一部分是属于物理化学的范畴，所以除了有机化学外，本教材基本涵盖或涉及三大基础化学的内容。另外，考虑到学生的化学基础和课时数以及授课年级(多为大学低年级)的特点，因此对有些内容的讲解以及要求做了一定的调整，大量应用高等数学进行推导的过程被弱化而强调思维过程的介绍，还有些结论直接给出让学生直接应用。这些是大学学习过程中的特点，需要教师和学生在教与学的过程中引起重视并适应。对于暂时未理解或部分理解的问题应该在后续的课程中进一步理解和分析以融会贯通，或者可以通过自学其他教材或课程进一步理解。教学就是在适当的螺旋式的非简单意义上的重复中获得更深刻的理解和启迪。
　　1.3研究化学的方法与本课程的学习
　　实践是认识世界的基础，是衡量真理的最高标准。毫无疑问，人们要想认识物质世界，必须实践。物质世界中千变万化的化学现象都是通过生活和有关的实验观察到的，而化学科学中的一些学说和定律既是在实验的基础上经综合、归纳而得到的，也是在实验的鉴别中修正、发展而成熟的。可见，实验在化学发展中具有特殊的重要作用。从这个意义上说，人们把化学科学看成是一门实验性科学。对于从事化学研究工作的人员，不论是研究应用化学的，还是研究理论化学的，都应该高度重视化学实验，否则将无法正确认识化学世界。
　　1.3.1离开实验就没有发现——理论学习一定要与实验相结合
　　与其他自然科学相比，化学更显示出它对实验的依赖关系，任何化学的原理、定律以及规律无一不是从实验中得出的结论。因此，只有那些思维活跃、求知欲望强烈，同时具有良好实验习惯和动手能力，并能注意观察现象的人才有可能成为化学研究的成功者。
　　居里(Curie)夫人是一位伟大的化学家，也是实验工作的典范。1898年，居里夫人在研究元素铀的放射性时发现，铀矿石的放射性比提纯后的铀化合物的放射性更强。于是预言在未提纯的铀矿石中肯定有一种新的元素比铀的放射性更强。然而当时的化学家中有相当一部分人对此持怀疑态度，他们要求居里夫人提供新元素的相对原子质量。为此在1899～1902年整整4年时间里，居里夫妇夜以继日地工作，从8t沥青铀矿中提炼出0.1g的新元素氯化物，并以这少量的纯化合物测出了新元素的相对原子质量为225，即新元素——镭。居里夫妇为此获得了诺贝尔化学奖。
　　许多新的发明也是在大量实验基础上才得以问世的。例如，合成氨催化剂历经几百个配方、上万次的试验才成功，这也说明成功的背后是大量辛勤的劳动。
　　1.3.2科技的不断进步是化学发展的关键
　　古人云“工欲善其事，必先利其器”。化学实验工作往往离不开测量，因此实验手段的进步，特别是实验仪器的开发对化学研究有重要的作用。19世纪，精密天平的出现曾为化学研究开创了一个新的局面。19世纪初期，曾有人提出“任何原子的质量都是氢原子质量的倍数”。此学说是否可信依赖于对各种元素的称重测定。后来由于测到了氯元素的相对原子质量并非氢原子的整倍数，该学说就受到怀疑并被摒弃。英国科学家瑞利(Rayleigh)发现，从空气中得到的N2和从氨分解中得到的N2两者的密度不一样，由此而想到空气来源的N2中是否还有没除净的物质，结果发现了稀有元素氩(Ar)。
　　近代化学实验手段的飞跃发展更是将化学研究推进到一个新的时代。各种波谱，特别是红外光谱、紫外光谱、核磁共振等技术的发展，使化学物质的结构研究有了明亮的“眼睛”。
　　

目录
第三版前言
第二版前言
第一版前言
第1章 绪论 1
1.1 历史的发展离不开化学 1
1.1.1 无机化学与分析化学的特点与近代化学 2
1.1.2 化学的现状 2
1.2 本教材的知识模块及特点 3
1.3 研究化学的方法与本课程的学习 4
1.3.1 离开实验就没有发现——理论学习一定要与实验相结合 4
1.3.2 科技的不断进步是化学发展的关键 4
第2章 化学热力学 6
2.1 热力学基础 7
2.1.1 基本概念 7
2.1.2 热力学第一定律 9
2.1.3 不同途径的功 10
2.2 热化学 12
2.2.1 化学反应的热效应和状态函数——焓 12
2.2.2 化学反应进度与热化学方程式 14
2.3 化学反应热效应的计算 16
2.3.1 赫斯定律 16
2.3.2 标准摩尔生成焓 17
2.3.3 标准摩尔燃烧焓 19
2.3.4 从键能估算反应热 21
2.4 状态函数——熵 22
2.4.1 熵和混乱度 22
2.4.2 标准熵和热力学第三定律 23
2.4.3 熵判据和热力学第二定律 23
2.5 状态函数——吉布斯自由能 24
2.5.1 吉布斯自由能判据 24
2.5.2 标准生成吉布斯自由能 26
2.6 化学反应的可逆性和化学平衡 29
2.7 平衡常数 29
2.7.1 经验平衡常数 29
2.7.2 平衡常数与化学反应的程度 31
2.7.3 标准平衡常数 32
2.8 标准平衡常数*与*的关系及化学反应的方向 33
2.8.1 标准平衡常数与化学反应的方向 33
2.8.2 化学反应等温式 34
2.8.3 *、*和*的关系 36
2.9 化学平衡的移动 37
2.9.1 浓度对化学平衡的影响 37
2.9.2 压力对化学平衡的影响 37
2.9.3 温度对化学平衡的影响 39
思考题 40
习题 41
第3章 化学反应速率 44
3.1 化学反应速率概述 44
3.1.1 化学反应速率的定义及表示方法 44
3.1.2 化学反应历程概述 46
3.2 化学反应速率理论简介 47
3.2.1 碰撞理论简介 47
3.2.2 活化能及有效碰撞的讨论 49
3.2.3 过渡状态理论简介 50
3.3 影响化学反应速率的因素——浓度 51
3.3.1 反应物浓度与反应速率的关系 52
3.3.2 反应的分子数与反应级数 53
3.3.3 速率常数k 56
3.4 影响化学反应速率的因素——温度 57
3.4.1 阿伦尼乌斯公式 57
3.4.2 阿伦尼乌斯公式的应用示例 58
3.5 影响化学反应速率的因素——催化剂 59
3.5.1 催化剂改变反应速率的机理 59
3.5.2 催化反应的种类 60
3.5.3 催化剂的选择性 62
思考题 62
习题 63
第4章 原子结构 65
4.1 核外电子的运动状态 65
4.1.1 氢光谱和玻尔理论 65
4.1.2 微观粒子的波粒二象性 69
4.1.3 波函数和原子轨道 71
4.1.4 概率密度和电子云 73
4.1.5 波函数的空间图像 74
4.1.6 四个量子数 78
4.2 核外电子的排布和元素周期系 81
4.2.1 多电子原子的能级 81
4.2.2 核外电子排布的原则 85
4.2.3 原子的电子层结构和元素周期系 87
4.3 元素基本性质的周期性 93
4.3.1 原子半径 93
4.3.2 电离能 95
4.3.3 电子亲和能 96
4.3.4 元素的电负性 97
思考题 98
习题 98
【阅读材料1】镧系、锕系元素 100
第5章 化学键与分子结构 103
5.1 共价键理论 103
5.1.1 价键理论 104
5.1.2 杂化轨道理论 108
5.1.3 价层电子对互斥理论 113
5.1.4 分子轨道理论 116
5.1.5 键参数与分子的性质 124
5.2 分子间作用力 128
5.2.1 极性分子与非极性分子 128
5.2.2 分子间作用力(范德华力) 130
5.2.3 氢键 131
5.3 离子键理论 133
5.3.1 离子键的形成 134
5.3.2 离子键的特点 135
5.3.3 离子的特征 136
5.3.4 晶格能 140
5.3.5 离子的极化 141
5.4 金属键理论 144
5.4.1 金属键的改性共价理论 144
5.4.2 金属键的能带理论 145
5.5 晶体的基本结构和性质 147
5.5.1 晶体的外形 148
5.5.2 晶体的内部结构 149
5.5.3 晶体的基本类型 151
思考题 156
习题 157
【阅读材料2】硼、碳、氮族元素 158
viii 无机与分析化学
第6章 定量分析概论 178
6.1 定量分析概述 178
6.1.1 定量分析方法的分类 178
6.1.2 定量分析的基本步骤 179
6.1.3 定量分析结果的表示 181
6.2 实验误差与有效数字 182
6.2.1 实验误差产生的原因 183
6.2.2 误差的减免 183
6.2.3 误差的表征 184
6.2.4 误差的分布与置信区间 187
6.2.5 误差的传递 189
6.2.6 有效数字及其应用 190
6.3 实验数据的统计处理 192
6.3.1 离群值的检验 192
6.3.2 t检验 194
6.4 化学分析概论 196
6.4.1 滴定分析法概述 196
6.4.2 滴定分析的“量” 200
6.4.3 滴定分析体系的组成 200
6.5 定量分析中的分离方法 202
6.5.1 溶剂萃取分离法 202
6.5.2 色谱分离法 205
6.5.3 离子交换分离法 207
6.5.4 沉淀分离法 209
6.5.5 其他方法 211
思考题 211
习题 212
第7章 酸碱平衡与酸碱滴定法 214
7.1 酸碱平衡的理论发展 214
7.1.1 酸碱电离理论 214
7.1.2 酸碱质子理论 216
7.1.3 酸碱电子理论 219
7.2 溶液中酸碱平衡 220
7.2.1 溶液中酸碱组分的分布 220
7.2.2 电解质溶液和活度 223
7.3 酸碱溶液pH 的计算 225
7.3.1 水的离子积和溶液的pH 225
7.3.2 从物质平衡的角度讨论水溶液中的酸碱度 227
7.3.3 从质子传递的角度讨论水溶液的酸碱度 230
7.4 缓冲溶液的原理与应用 237
7.4.1 同离子效应 237
7.4.2 缓冲溶液 237
7.5 非水溶液中的酸碱对立统一关系 241
7.5.1 溶剂的种类和性质 241
7.5.2 物质的酸碱性与溶剂的关系 242
7.5.3 拉平效应和区分效应 242
7.6 酸碱滴定法概述 243
7.7 酸碱滴定终点的指示方法 243
7.8 一元酸、碱的滴定 247
7.8.1 标准溶液的配制和标定 247
7.8.2 强碱滴定强酸 248
7.8.3 强碱滴定弱酸 251
7.8.4 强酸滴定弱碱 253
7.9 多元酸、多元碱和混合酸的滴定 253
7.9.1 多元酸的滴定 253
7.9.2 多元碱的滴定 255
7.9.3 混合酸的滴定 256
7.10 滴定误差 256
7.10.1 终点误差 256
7.10.2 酸碱滴定中CO2的影响 259
7.11 酸碱滴定法的应用 260
7.11.1 酸碱滴定法应用示例 260
7.11.2 酸碱滴定法结果计算示例 263
7.12 非水溶液中的酸碱滴定 265
7.12.1 标准溶液和确定滴定终点的方法 266
7.12.2 非水滴定的应用 266
思考题 267
习题 268
【阅读材料3】碱金属和碱土金属 270
第8章 沉淀溶解平衡与沉淀分析法 277
8.1 溶度积和溶解度 277
8.1.1 溶度积常数 277
8.1.2 溶度积和溶解度的关系 278
8.2 沉淀溶解平衡的移动 279
8.2.1 沉淀的生成 280
8.2.2 沉淀的溶解 281
8.2.3 分步沉淀 283
8.2.4 沉淀的转化 284
8.3 影响沉淀溶解度的因素 285
8.3.1 同离子效应 285
8.3.2 盐效应 286
8.3.3 酸效应 286
8.3.4 配位效应 287
8.4 沉淀分析法概述 288
8.5 影响沉淀纯度的因素 288
8.5.1 共沉淀 288
8.5.2 后沉淀 289
8.6 沉淀的形成条件 289
8.6.1 沉淀的形成 289
8.6.2 沉淀条件的选择 290
8.7 重量分析法概述 291
8.7.1 形成沉淀 292
8.7.2 沉淀的过滤、洗涤、烘干或灼烧 292
8.7.3 重量分析的应用 293
8.8 沉淀滴定法 294
思考题 297
习题 297
第9章 配位平衡与配位滴定法 300
9.1 配合物的基本概念 300
9.1.1 配合物的定义 300
9.1.2 配合物的组成 301
9.1.3 配合物的命名 304
9.1.4 配合物的类型 305
9.1.5 配合物的异构现象 306
9.2 配合物的化学键理论 308
9.2.1 价键理论 308
9.2.2 晶体场理论 312
9.3 配合物的稳定性 320
9.3.1 配合物的稳定常数 321
9.3.2 逐级稳定常数或累积稳定常数 321
9.3.3 影响配合物稳定性的主要因素 324
9.4 配合物的应用 326
9.4.1 物质的分析、分离与提纯 326
9.4.2 生命现象中的配合物 327
9.5 配位滴定法概述 328
9.5.1 EDTA 及其金属配合物 329
9.5.2 配位滴定反应平衡的影响因素 331
9.6 配位滴定法体系处理方法 336
9.6.1 配位滴定的滴定曲线 336
9.6.2 金属指示剂 338
9.7 混合离子的分别测定 341
9.7.1 用控制酸度的方法进行分别滴定 341
9.7.2 用掩蔽和解蔽的方法进行分别滴定 342
9.7.3 用其他配位剂滴定 344
9.8 配位滴定的方式和应用 344
思考题 345
习题 345
【阅读材料4】过渡元素 347
第10章 氧化还原平衡与氧化还原滴定法 371
10.1 基本概念 371
10.1.1 原子价和氧化数 371
10.1.2 氧化还原反应的特征 372
10.1.3 氧化还原电对 372
10.2 氧化还原反应方程式的配平 373
10.3 电极电势 375
10.3.1 原电池和电极电势 375
10.3.2 电池的电动势和化学反应吉布斯自由能的关系 380
10.3.3 影响电极电势的因素——能斯特方程 381
10.4 电极电势的应用 385
10.4.1 判断氧化还原反应进行的方向 385
10.4.2 氧化还原反应的平衡常数 386
10.4.3 利用原电池测定溶度积常数和配合物稳定常数 387
10.5 电势图解及其应用 388
10.5.1 元素电势图 388
10.5.2 电势-pH图及其应用 390
10.5.3 自由能-氧化态图及应用 394
10.6 共存平衡及其应用 395
10.7 氧化还原滴定法概述 396
10.8 氧化还原反应进行的程度和速率 396
10.8.1 条件电极电势 396
10.8.2 氧化还原反应进行的程度和速率 398
10.8.3 氧化还原反应的速率与影响反应速率的因素 399
10.9 氧化还原滴定体系的特点 400
10.9.1 氧化还原滴定曲线 400
10.9.2 检测终点的方法 403
10.9.3 氧化还原滴定法中的预处理 405
10.10 氧化还原滴定的应用 406
10.10.1 高锰酸钾法 406
10.10.2 重铬酸钾法 407
10.10.3 碘量法 408
思考题 411
习题 412
【阅读材料5】氧族与卤族元素 414
参考文献 431
附录 433
一、常用重要的物理常量 433
二、常用的单位换算关系 433
三、常见物质的*、*、* 433
四、弱