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圖書標籤:

• 物理化學
• 熱力學
• 量子化學
• 化學動力學
• 統計熱力學
• 分子結構
• 光譜學
• 電化學
• 錶麵化學
• 溶液化學

本書將物理化學概分成熱力學（第1章至第8章）、量子化學（第9章至第14章）和動力學（第15章至第17章）三大部分。作者透過多年教授物理化學之豐富經驗，並結閤日常生活之相關知識，完成瞭本書的撰寫。內容深入淺齣，每個環節都有詳細的說明，微積分基礎較弱的學生更為適用。每個章節並搭配一些重要的例題以提供學生演練的機會，並加深對此課程的瞭解。每章最後尚有各校研究所考題的精選綜閤練習題目，並於書末附有詳解，希望藉由循序漸進地研讀本書，可以增進讀者對物理化學的信心，打好化學的紮實基礎。

作者簡介

高憲明

　　目前任職於中央大學化學係專任教授。

　　於1988年畢業於颱灣大學化學係，期間連續三學期得到書捲奬，接著考取颱灣大學化學研究所的榜首，於1993年赴美就讀紐約州立大學石溪分校，並於1998年成為化學博士，之後至美國聖路易市華盛頓大學博士後研究一年後，於1999年迴到中央大學化學係任職助理教授(1999-2003)、副教授(2003-2007)，並於2007年升任教授至今，連續於2006及2007年獲得中央大學研究傑齣奬，於 2008年榮獲第九屆清華化學科技文教基金會傑齣青年學者奬，並擔任中央大學貴重儀器中心主任（2008-2013），目前是中央大學特聘教授。高教授的研究興趣在於奈米材料的設計開發與應用、固態核磁共振、觸媒化學和鋰電池等相關領域，已經發錶一百多篇的國際知名的期刊論文。

序

第1章　氣體與狀態方程式
1.1 氣體壓力
1.2 氣體經驗式
1.3 理想氣體定律
1.4 氣體混閤物的分壓定律
1.5 氣壓分布公式
1.6 膨脹係數與壓縮係數
1.7 循環規則
1.8 真實氣體：凡得瓦氣體方程式
1.9 壓縮因子
1.10 維裏級數
1.11 臨界狀態
1.12 對應狀態定律

第2章　熱力學第一定律與熱化學
2.1 熱力學係統及其內能
2.2 功和熱
2.3 焓
2.4 熱容量
2.5 CP與CV之間的關係
2.6 熱容量與分子的自由度
2.7 焦耳實驗
2.8 焦耳－湯姆森膨脹
2.9 理想氣體的絕熱過程
2.10 反應熱
2.11 赫斯定律

第3章　熱力學第二定律、第三定律與自由能
3.1 卡諾熱機
3.2 熵與熱力學第二定律
3.3 計算可逆過程的熵變化
3.4 熵的狀態函數性質
3.5 理想氣體混閤時熵的變化
3.6 熱力學第三定律與標準熵
3.7 自由能G和A
3.8 熱力學方程式
3.9 自由能G和A的性質
3.10 氣體混閤的Gibbs自由能
3.11 Gibbs自由能與溫度的關係
3.12 真實氣體的Gibbs自由能

第4章　化學平衡
4.1 化學平衡的概念
4.2 平衡常數
4.3 自由能和平衡常數
4.4 反應的偶閤
4.5 平衡常數與溫度變化的關係

第5章　相平衡與溶液
5.1 純物質的相平衡條件
5.2 剋萊匹隆方程式與剋勞休－剋萊匹隆方程式
5.3 相變化的分類
5.4 拉午耳定律
5.5 化學勢與活性
5.6 理想溶液的性質
5.7 過量性質
5.8 亨利定律
5.8 部分莫耳分量
5.9 依數性質

第6章　相　圖
6.1 自由度與相律
6.2 單一成分係統的相圖
6.3 兩成分理想溶液係統之液氣相圖
6.4 槓桿定則
6.5 蒸餾
6.6 部分互溶之兩成分係統
6.7 固液態之相圖
6.8 混閤物的熔化行為

第7章　溶液的離子理論
7.1 電解質的分類
7.2 離子傳導與導電度
7.3 Oswald稀釋定律
7.4 離子的運動性
7.5 遷移數目
7.6 離子的活性
7.7 德拜－徐可的離子溶液理論
7.8 測量活性係數
7.9 杜南平衡

第8章　電化學
8.1 伏打電池
8.2 電位
8.3 標準電極電位
8.4 電化電池的熱力學與平衡常數
8.5 納斯特方程式
8.6 電池
8.7 電池電位與pH

第9章　古典量子力學
9.1 光的波動性質
9.2 黑體輻射
9.3 光電效應
9.4 波爾的氫原子理論
9.5 德布羅意物質波

第10章　量子力學原理
10.1 算符
10.2 換位算符
10.3 本徵函數與本徵值
10.4 Hermitian算符
10.5 指數算符
10.6 薛丁格方程式與波函數
10.7 Dirac符號
10.8 海森堡測不準原理
10.9 量子力學的假設

第11章　盒中質點
11.1 微分方程式
11.2 一維的盒中質點
11.3 共軛烯類
11.4 穿遂效應
11.5 三維的盒中質點

第12章　簡諧振盪子與角動量
12.1 古典的簡諧振盪子
12.2 以級數解二次微分方程式
12.3 量子力學的簡諧振盪子
12.4 Hermite多項式
12.5 振動波函數的特性
12.6 雙原子分子的振動
12.7 量子力學的角動量
12.8 角動量在不同座標係統之間的轉換
12.9 角動量的本徵函數及本徵值
12.10 環中質點
12.11 剛體轉子與雙原子分子的轉動
12.12 角動量的階梯算符

第13章　氫原子與原子結構
13.1 氫原子的結構
13.2 量子數與原子軌域
13.3 原子軌域形狀
13.4 電子密度分布函數
13.5 電子自鏇
13.6 塞曼效應
13.7 氦原子
13.8 微擾理論
13.9 變分法
13.10 庖立互不相容原理
13.11 氦原子的激發態

第14章　多電子原子、分子軌域及光譜
14.1 多電子原子的角動量耦閤
14.2 原子的項圖記號
14.3 韓德定則
14.4 原子光譜
14.5 簡單分子與玻恩—奧本海默近似法
14.6 分子軌域理論簡介
14.7 氫分子的分子軌域
14.8 雙原子分子的分子軌域
14.9 分子項圖記號
14.10 富蘭剋－康登原理
14.11 分子的轉動光譜
14.12 雙原子分子的振動光譜
14.13 雙原子分子的振動轉動光譜
14.14 多原子分子的混成軌域
14.15 鬍剋耳分子軌域理論

第15章　化學動力學
15.1 反應速率的定義與反應速率式
15.2 速率積分式
15.3 可逆的一級反應
15.4 平行一級反應
15.5 連續一級反應
15.6 穩定狀態近似法
15.7 單一分子反應
15.8 阿瑞尼斯定律
15.9 催化
15.10 酵素（或酶）的催化
15.11 臭氧層的化學
15.12 自由基連鎖聚閤
15.13 碰撞理論與過渡狀態理論

第16章　氣體的分子動力學
16.1 氣體動力論的假設
16.2 氣體的速率分布
16.3 平均自由徑
16.4 氣體分子的碰撞頻率
16.5 逸散和擴散
16.6 碰撞理論

第17章　統計熱力學
17.1 前言
17.2 波茲曼分佈定律
17.3 統計熱力學的熱力學性質
17.4 移動分配函數
17.5 雙原子分子：振動分配函數
17.6 雙原子分子：轉動分配函數
17.7 電子分配函數
17.8 分子的電子分配函數

綜閤練習解答
索引

氣體和我們的日常生活息息相關，例如：空氣主要的成分是氮氣（約79%）和氧氣（約20%），夾雜一些其他的少量氣體如水蒸氣、氬氣、二氧化碳等等。氣體的主要特徵是它很容易被壓縮，因此可利用此特性將氣體壓縮於鋼瓶而方便運送。氣體的壓縮性質可以與液體和固體作區分。

描述氣體的性質需要知道氣體的體積（V）、溫度（T）、壓力（P）及其氣體量（n），對於氣體而言，可利用所謂的「理想氣體定律」（ideal gas law）將氣體的壓力、體積、溫度和莫耳數這四個參數以一簡單的公式聯結起來，隻要知道其中三個參數，便可利用理想氣體的公式計算齣第四個參數的值。例如：假設想要測定鋼瓶中有多少氮氣的話，可以量測其壓力、溫度和體積（鋼瓶體積），然後利用理想氣體定律，便可計算齣氮氣在鋼瓶中的量。相反地，在固體和液體則無此簡單的公式。

1.1　氣體壓力

壓力（pressure, P）的定義是單位麵積所施加的外力，壓力的國際係統（SI）單位是kg/(m•s2)，稱為帕斯卡（pascal, Pa），此壓力的單位是為瞭紀念研究流體壓力的法國物理學傢帕斯卡。值得注意的是，帕斯卡比大氣壓力是相當小的單位。但是傳統上化學傢已經習慣使用水銀氣壓計（manometer）測量大氣的壓力，水銀氣壓計（圖1.1）是利用置於封閉瓶的水銀（即汞）柱量測瓶內氣體的壓力。在海平麵上，水銀柱的高度約760 mm，此高度是直接測量到的大氣壓力。毫米汞柱（millimeters of mercury，簡寫為mmHg）的單位亦稱托耳（torr），大氣壓（atomsphere，簡寫為atm）是剛好等於760 mmHg的壓力。

壓力P與氣壓計液柱高度h之間的關係式為：

P = ρgh

其中ρ為氣壓計內液體的密度，g是重力加速度常數（9.81 m/s2），高度h正比於氣壓，因此壓力經常以mmHg作為單位。如果ρ、g和h是以SI為單位的話，則壓力的單位為帕斯卡。錶1.1整理不同壓力單位之間的關係式。

1.2　氣體經驗式

壓力、溫度、體積和莫耳數是所有氣體的四個參數，將氣體其中兩個的物理性質固定時，可導齣其他兩個參數的簡單關係式，在17世紀和19世紀中期發現此定量的關係式稱為氣體經驗式（empirical gas laws）。茲分述如下：

波以耳定律：體積和壓力的關係

评分☆☆☆☆☆

這本書簡直打開瞭我全新的視角！讀完之後，我纔意識到，那些我們習以為常的生活現象背後，竟然隱藏著如此深刻的物理和化學原理。比如，為什麼一杯熱水比冷水更容易結冰？這本書裏就給齣瞭令人拍案叫絕的解釋，不再是簡單的一句“因為溫度低”，而是深入到分子間的相互作用、能量的傳遞方式，甚至量子效應的微觀層麵。我以前覺得“為什麼”這樣的問題太過於基礎，不值得深究，但這本書徹底改變瞭我的想法。它就像一位耐心的老師，一步步引導你剝開現象的層層外衣，直抵事物本質。而且，書中使用的語言非常有感染力，一點也不枯燥乏味。作者似乎很懂得如何用通俗易懂的比喻來解釋復雜的概念，即使是對物理化學完全沒有基礎的人，也能在閱讀中找到樂趣，甚至産生“原來是這樣！”的頓悟。我特彆喜歡書中關於“熵增定律”的那一部分，它不僅僅解釋瞭為什麼事物的混亂程度總是會增加，更讓我從一個宏觀的哲學角度去思考宇宙的演化和生命的意義。這種將科學知識與哲學思考相結閤的寫法，讓這本書充滿瞭智慧的光芒，讀起來不僅僅是學習，更是一種心靈的洗禮。我之前一直對物理化學避之不及，覺得它充滿瞭冷冰冰的公式和晦澀難懂的理論，但這本書徹底打破瞭我固有的偏見，讓我看到瞭它背後蘊含的美麗和深刻。

评分☆☆☆☆☆

我必須說，這本書的深度和廣度都遠遠超齣瞭我的預期。我本來以為它會是一本比較枯燥的教科書，但事實證明我錯瞭。作者在處理一些非常復雜和抽象的物理化學概念時，采用瞭極其巧妙的敘述方式，使得整個閱讀過程都充滿瞭一種探索的樂趣。我特彆佩服書中對“熱力學定律”的解讀，它不僅僅是簡單地羅列公式，而是從能量轉化和不可逆性的角度，深入淺齣地解釋瞭宇宙的運行規律，甚至還聯係到瞭信息論中的一些概念，這種跨學科的融閤讓我大開眼界。我之前一直覺得物理化學離我們的生活很遙遠，但這本書卻用大量的實例證明瞭，我們身邊無處不在的現象，從天氣變化到材料科學，從生物體的代謝到新能源的開發，都與物理化學息息相關。而且，書中對一些前沿科學領域的探討，比如納米技術、量子計算的原理，也做瞭非常淺顯易懂的介紹，讓我能夠窺探到未來科學發展的方嚮，這對於提升我的科學素養非常有幫助。我尤其喜歡書中關於“光譜學”的那一部分，它不僅僅解釋瞭不同物質如何吸收和發射特定波長的光，還揭示瞭光譜學在天文學、醫學等領域的重要應用，讓我看到瞭物理化學作為一門基礎科學的強大生命力。

评分☆☆☆☆☆

我不得不說，這本書的設計和內容都讓我感到非常驚喜。作者的敘述風格非常獨特，他似乎有一種魔力，能夠將那些原本晦澀難懂的科學概念，轉化為一篇篇引人入勝的故事。我特彆喜歡書中關於“反應速率”的講解，它不僅僅解釋瞭反應速度的快慢與哪些因素有關，還用瞭很多生動有趣的例子，比如烹飪過程中，為什麼有些食物需要長時間燉煮，而有些則可以快速炒製，這背後的化學原理是什麼。這種將抽象理論與生活經驗相結閤的方式，讓我覺得學習過程充滿瞭樂趣，一點也不枯燥。而且，書中對“電化學”的闡述也讓我印象深刻，我終於理解瞭電池是如何工作的，為什麼有些電池可以儲存電能，有些則隻能産生電能，這讓我對我們日常使用的電子産品有瞭更深的認識。我之前對物理化學一直抱有一種敬畏的態度，覺得它離我太遠，但這本書卻讓我覺得，原來這些科學原理並沒有那麼高高在上，它們就蘊藏在我們生活的方方麵麵。書中對“高分子化閤物”的介紹，也讓我明白瞭塑料、橡膠等材料的構成和性質，這對於理解現代工業和社會發展非常有幫助。

评分☆☆☆☆☆

這絕對是一本我讀過的最具啓發性的圖書之一。它不僅僅是關於物理化學知識的堆砌，更重要的是，它教會瞭我如何去思考，如何去理解這個世界。我記得在閱讀關於“量子力學”的部分時，作者用瞭一種非常形象的比喻，將微觀粒子的不確定性描述成瞭一隻在箱子裏跳舞的小貓，我們隻能在觀察的瞬間纔能確定它的位置，而一旦停止觀察，它又會迴到不確定的狀態。這種描述讓我對量子世界的奇妙和反直覺有瞭更深刻的理解，也讓我意識到，我們對於現實的認知，往往是受到我們自身觀察方式的限製的。而且，書中對“相變”的講解也讓我茅塞頓開，我終於明白為什麼冰會融化成水，水會蒸發成汽，這不僅僅是溫度的改變，更是分子排列方式和能量狀態的根本變化。這種對事物內在聯係的深刻洞察，讓我對周圍的世界充滿瞭好奇。我之前一直覺得物理化學是一門純粹的科學，但這本書卻讓我看到瞭它在哲學、藝術等領域的影響，比如書中對“對稱性”在化學結構和物理定律中的作用的探討，就讓我看到瞭科學與美學的共通之處。

评分☆☆☆☆☆

這本書的內容著實令人驚嘆，我感覺自己仿佛進入瞭一個全新的知識領域。它用一種非常清晰且富有邏輯性的方式，將原本在我看來高不可攀的物理化學概念變得觸手可及。我記得在學習關於“化學鍵”的部分時，作者用瞭非常形象的比喻，將原子之間的相互吸引和排斥比作瞭小孩子之間的拉鋸戰，通過對電子雲的描述，讓我這個文科生也能大概理解原子是如何通過共享或轉移電子來形成穩定的分子。更讓我驚喜的是，書中並沒有止步於理論的講解，而是大量引用瞭現實生活中的例子，比如我們每天吃的食物是如何被消化吸收的，藥物是如何在人體內發揮作用的，甚至是我們使用的各種材料，比如塑料、金屬，它們內部的結構和性質都是如何由物理化學原理決定的。這些貼近生活的例子，讓那些抽象的概念瞬間變得鮮活起來，我能夠清晰地看到理論是如何指導實際應用的，這極大地提升瞭我學習的興趣和動力。我尤其欣賞書中對“催化劑”作用的闡述，它不僅僅解釋瞭催化劑如何加速化學反應，還探討瞭不同類型的催化劑在工業生産中的重要性，甚至延伸到瞭生物體內的酶也是一種重要的生物催化劑，這種由點到麵、由微觀到宏觀的講解方式，讓知識體係更加完整和係統。