基础化学实验

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出版者:科学出版社
作者:刘汉兰
出品人:
页数:334
译者:
出版时间:2005-9
价格:26.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787030156204
丛书系列:
图书标签:
  • 化学
  • 实验
  • 基础
  • 大学
  • 高等教育
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  • 理工科
  • 化学实验
  • 教学
  • 实验指导
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具体描述

《基础化学实验》是教育部“新世纪教改工程——农科类实验课程体系教学改革研究”的研究成果。全书共分三个部分:第一部分,介绍化学实验的基本知识、基本原理、基本方法和基本技术;第二部分,按照“基础层次-提高层次-综合性设计性实验”三个层次,选编了分离提纯实验、制备实验、物理量的测定、验证性实验、定量分析实验、综合性设计性实验以及计算机模拟实验和外文原文引入实验等内容,共63个实验;第三部分,附录——包括化学实验中常用仪器的操作方法与常用数据。

《基础化学实验》可以作为高等农林院校农、林、水及生物等相关专业和其他院校生物类专业化学实验教材,也可以作为相关专业科研人员参考书。

现代材料科学导论 第一章 引言:材料的基石与未来 本章旨在为读者构建一个宏观的视角,理解材料科学在当代工程、技术乃至人类文明发展中的核心地位。我们将追溯材料科学的演进历程,从古代文明对天然材料的朴素应用(如陶器、青铜),逐步过渡到近现代基于原子结构和热力学原理的理性设计时代。 材料科学不仅仅是化学或物理学的简单叠加,它是一个高度交叉的学科领域,关注材料的组成、结构、性能、加工工艺及其相互关系——即著名的“材料性能四元图”。理解了这种内在联系,才能指导我们按需设计具有特定功能的材料。 我们将探讨材料在信息技术(如半导体、光纤)、能源领域(如高效电池、太阳能光伏材料)、生物医学(如生物相容性植入物、药物递送载体)以及航空航天(如超高温合金、复合材料)中的关键作用。本章的重点在于建立一种“材料思维”,认识到任何工程问题的解决,都离不开对物质本质的深入理解。 第二章 晶体结构与缺陷工程 材料的宏观性能往往源于其微观甚至纳米尺度的结构。本章聚焦于固体材料的晶体结构——原子、离子或分子在三维空间中周期性排列的规律。我们将详细介绍布拉维点阵、晶体学符号(如米勒指数),并深入分析体心立方(BCC)、面心立方(FCC)和六方密堆积(HCP)等基本晶格构型,理解它们如何决定金属的滑移系和塑性变形能力。 然而,理想的晶体结构在自然界中几乎不存在。本章的重点转移到“缺陷工程”上。我们将系统分类并分析点缺陷(空位、间隙原子、取代原子)、线缺陷(位错——特别是刃位错和螺型位错,它们是塑性变形的根源)和面缺陷(晶界、堆垛层错)。通过对这些缺陷的定量分析(如使用克拉特-金-谢里模型计算空位浓度),读者将理解缺陷如何影响材料的导电性、扩散速率和机械强度。 第三章 材料的热力学与相图解析 热力学是理解材料如何形成、稳定存在以及在温度变化下如何转变的理论基础。本章将复习并应用吉布斯自由能原理,阐述相平衡的概念。我们将重点讲解组分、温度和压力对体系稳定性的影响。 相图是材料工程师的“导航地图”。本章将详细剖析单组分相图(如水的冰-液-气转变)和双组分相图(如铁碳合金的铸铁和钢的相区)。我们将运用杠杆原理和连接线规则来计算两相区内各相的平衡组成和相对含量。对于固溶体、共晶、共析转变等关键热力学过程,我们将深入探讨其动力学过程,例如形核和长大机制,这直接决定了最终材料的微观组织。 第四章 动力学过程:扩散与相变动力学 如果说热力学决定了转变的“可能性”,那么动力学则决定了转变的“速度”。本章深入探讨固态扩散——原子或离子在晶格中迁移的机制。我们将详细分析菲克第一定律和第二定律,并考察扩散系数对温度的依赖关系(阿伦尼乌斯关系)。理解扩散对于材料的热处理(如渗碳、固溶处理)和高温蠕变至关重要。 随后,我们将转向相变动力学。我们关注转变从不稳定状态到稳定状态的演化过程,引入詹森-欧文-安德鲁斯(JMAK)模型来描述时间与转变分数的关系。通过对形核速率和长大速率的分析,我们可以解释为什么快速冷却(淬火)会抑制平衡相的形成,从而获得具有特定时效强化的亚稳态结构。 第五章 机械性能与本构关系 本章聚焦于材料在外力作用下的响应,这是结构工程应用的基础。我们将从宏观应力-应变关系出发,引入杨氏模量、泊松比等弹性常数,阐述胡克定律的适用范围。 随后,我们将进入塑性变形的范畴,重点讨论金属的加工硬化机制。如何通过引入第二相粒子、实现晶粒细化来提高屈服强度和拉伸强度,是本章的核心内容。我们将分析断裂力学的基础概念,如应力强度因子(K)、断裂韧性(Gf)和裂纹扩展的阈值条件。针对脆性断裂和韧性断裂的微观机制,我们将进行对比分析,并介绍疲劳和蠕变现象在寿命预测中的重要性。 第六章 电子与光子材料的物理基础 随着现代电子技术的发展,材料的电学和光学性能变得前所未有的重要。本章将从能带理论出发,解释导体、半导体和绝缘体之间的根本区别,即费米能级的位置和禁带的宽度。 在半导体部分,我们将深入探讨本征半导体和掺杂(N型和P型)的机制,理解载流子的产生、迁移率和复合过程。这为理解二极管、晶体管等器件的工作原理奠定了基础。 在光学方面,我们将分析材料对光的吸收、发射和透射机制。重点讨论半导体激光器、光电导材料和非线性光学材料的设计原则,理解它们如何实现对光信号的有效调制和转换。 第七章 聚合物科学与软物质的构筑 聚合物(高分子材料)因其轻质、易加工和可调控的性能,在日常和尖端应用中占据重要地位。本章将介绍聚合物的基本结构:单体、聚合反应类型(加成聚合、缩聚)以及分子量及其分布的概念。 我们将探讨聚合物的粘弹行为。与金属和陶瓷的纯弹性或粘塑性不同,聚合物表现出对时间依赖性的粘弹性响应。我们将分析玻璃化转变温度(Tg)的概念及其对材料应用范围的限制。最后,本章将介绍聚合物的形变机制,包括纤维的取向与拉伸,以及复合材料中聚合物基体的作用。 第八章 表面科学与材料的界面行为 材料的性能往往受其表面状态的显著影响。本章着眼于材料的界面现象,包括吸附、润湿和腐蚀。我们将探讨化学吸附与物理吸附的区别,以及表面能如何决定材料的润湿性,这对涂层、粘合和生物材料的植入至关重要。 腐蚀是材料在环境作用下性能退化的主要形式。本章将系统讲解电化学腐蚀的机理,包括阳极和阴极反应,以及如何通过合金化、钝化膜或牺牲阳极等方法来有效抑制腐蚀。此外,我们将简要介绍薄膜沉积技术(如PVD和CVD)对表面性能的调控作用。 第九章 先进材料的制备与加工工艺 本章将材料科学的理论知识与实际工程应用联系起来,介绍几种关键的材料制备技术。 对于金属和陶瓷:我们将探讨铸造、粉末冶金、快速凝固以及增材制造(3D打印)如何影响最终的微观结构和性能。 对于半导体:我们将聚焦于晶体生长(如提拉法)和薄膜外延生长的精度控制。 对于复合材料:我们将讨论如何将增强相(如碳纤维、玻璃纤维)与基体(金属、聚合物或陶瓷)有效复合,以实现性能的协同增强。本章强调工艺参数(如冷却速率、烧结温度、压力)对最终材料性能的决定性影响。 第十章 材料的计算模拟与数据驱动设计 进入21世纪,计算材料学已成为指导实验研究的强大工具。本章将介绍几种主要的模拟方法。首先是基于量子力学的第一性原理计算(如密度泛函理论DFT),用于预测电子结构、键合能和理想晶格常数。其次是分子动力学(MD)模拟,用于研究原子尺度的动力学过程,如扩散、位错运动和相变过程的实时演化。最后,我们将探讨有限元分析(FEA)在宏观尺度上预测结构受力响应和失效行为的应用。本章旨在培养读者利用计算工具辅助材料筛选与性能优化的能力。

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用户评价

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这本书的封面设计得相当朴实,蓝白相间的配色,给人一种沉稳而专业的印象。我刚翻开前几页,就被它严谨的排版吸引了。对于我这种化学初学者来说,它就像是打开了一扇通往科学世界的大门。书中的章节划分清晰明了,从最基础的溶液配制到一些简单的定性分析,每一步骤都讲解得非常细致,甚至连一些看似微不足道的操作细节,作者都没有放过。比如,在介绍如何准确量取液体时,它不仅提到了使用移液管的技巧,还配有详尽的图示,生怕读者理解不透彻。我尤其欣赏它在安全注意事项上的强调,几乎每个实验开始前都会有一段醒目的提示,让人从心底里对实验室的安全规范产生敬畏感。这种对细节的极致追求,让我对后续的学习充满了信心。它不像一些教科书那样空洞地说教,而是充满了实操的智慧,仿佛我的导师就坐在旁边手把手地指导我。

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这本书的语言风格真是让人眼前一亮,完全不是那种枯燥乏味的学术腔调。作者似乎很懂得如何与初学者“对话”,用词精准却又不失温度。我记得在讲解缓冲溶液的原理时,它没有直接抛出复杂的数学公式,而是先用一个生动的比喻来解释酸碱平衡的“拉锯战”,一下子就把抽象的概念具体化了。读起来的感觉,就像是听一位经验丰富的老教授在慢悠悠地分享他的独家秘笈,而不是在啃一本冰冷的教材。而且,书中穿插的一些“实验拓展”小栏目特别吸引人,它们常常会引出一些课本上没有涉及的前沿应用,极大地激发了我对化学这门学科更深层次的好奇心。我常常会因为一个有趣的知识点而停下来,上网查阅更多的资料,这种由点带面的学习过程,比死记硬背有效得多。这本书成功地将学术的严谨性与阅读的趣味性完美地融合在了一起,让人欲罢不能。

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这本书的实用性简直无可挑剔,它就像是为实验课量身定制的“保姆级”指南。我注意到它在试剂准备和设备维护这方面花费了大量的篇幅,这往往是很多教材会忽略的细节。比如,如何正确清洗容量瓶以确保其校准精度,如何安全地处理特定种类的废液,这些“非核心”内容却是在实际操作中决定成败的关键。我特别喜欢它提供的“常见问题与排查”清单,当我遇到实验现象与预期不符时,翻开这本书,往往能很快定位问题所在——是试剂纯度不够?还是温度控制出了偏差?这种即时反馈机制极大地提高了我的独立解决问题的能力。此外,书中所附的各种表格和图谱质量非常高,数据翔实可靠,为后续的数据处理和报告撰写提供了坚实的依据,让人在面对实验报告时,不再感到手足无措。

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总的来说,这本书超越了我对一本基础实验教材的期待。它的价值不仅仅在于传授具体的实验技能,更在于它在潜移默化中塑造了一种科学家的工作态度。在阅读过程中,我明显感觉到自己对“证据”和“可重复性”有了更深刻的理解。书中的案例选择非常贴合实际教学大纲,既保证了基础知识的覆盖面,又兼顾了实验操作的难度梯度。我发现它在介绍一些经典实验时,不仅给出了标准流程,还提供了几种不同的替代方案或优化思路,这体现了作者开阔的学术视野和对教学灵活性的考量。这本书的排版和印刷质量也值得一提,字体清晰易读,图文混排流畅自然,长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。它不是一本读完就束之高阁的工具书,更像是一本可以伴随我整个化学学习生涯的可靠伙伴,随时可以从中汲取经验和指导。

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坦白说,我之前对实验操作一直心存畏惧,总觉得玻璃器皿和各种试剂的组合充满了不确定性。但是,这本实验指导书彻底扭转了我的看法。它的逻辑结构设计得非常巧妙,每一个实验都像是一个精心编排的剧本,从前置知识回顾,到预估结果,再到步骤分解,环环相扣,毫无逻辑跳跃。尤其值得称赞的是,它对“误差分析”的讲解非常到位。很多参考书只是简单地罗列可能出现的误差来源,而这本书却会具体分析每一步操作中,细微的温度变化、滴定速度的快慢对最终结果可能产生的量化影响,这对于培养我们严谨的科学思维至关重要。我按照书上的步骤进行了一次简单的滴定实验,按照指南细致地记录和计算,最终的结果准确度超出了我的预期,这极大地提升了我对自身能力的认可。这种细致入微的指导,让“失误”不再是偶然,而是可以被预见和控制的变量。

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