Hóa lý tập 8: Phiên bản cập nhật của Peter Atkins và Julio de Paula

• Tác giả: Peter Atkins
• Chuyên ngành: Hóa học vật lý
• Đề tài: Hóa học vật lý
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: New York

Tóm tắt

I. Tổng quan về Atkins Physical Chemistry ấn bản thứ 8

Atkins' Physical Chemistry ấn bản thứ 8 do Peter Atkins và Julio de Paula biên soạn, xuất bản năm 2006 bởi W.H. Freeman and Company. Đây là một trong những giáo trình hóa học vật lý uy tín nhất thế giới, được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học hàng đầu. Ấn bản thứ 8 mang đến nhiều cải tiến đáng kể so với các phiên bản trước. Màu sắc được sử dụng có hệ thống, không mang tính trang trí mà nhằm truyền đạt khái niệm và dữ liệu rõ ràng hơn. Nội dung được chia thành ba phần chính: Cân bằng (Equilibrium), Cấu trúc (Structure) và Động học (Dynamics). Phần Cân bằng được tổng hợp lại, loại bỏ các phân chia nhân tạo giữa nhiệt động lực học khái niệm và công cụ tính toán. Điện hóa học cân bằng được tích hợp vào chương cân bằng hóa học. Phần Cấu trúc bổ sung các kỹ thuật quang phổ hiện đại và hóa học tính toán. Giáo trình còn giới thiệu khái niệm khoa học nano xuyên suốt toàn bộ phần Cấu trúc, phản ánh xu hướng nghiên cứu đương đại.

1.1. Tác giả và nhà xuất bản của giáo trình

Peter Atkins là Giáo sư Hóa học tại Đại học Oxford và thành viên của Lincoln College. Julio de Paula là Giáo sư kiêm Trưởng khoa Nghệ thuật và Khoa học tại Lewis and Clark College, Portland, Oregon. W.H. Freeman and Company có trụ sở tại New York chịu trách nhiệm xuất bản ấn bản dành cho thị trường Hoa Kỳ và Canada. Oxford University Press là nhà xuất bản gốc tại Anh. Sự kết hợp giữa hai tác giả đến từ hai nền học thuật khác nhau tạo nên chiều sâu và tính toàn diện cho nội dung giáo trình.

1.2. Cấu trúc ba phần của Physical Chemistry 8th Edition

Giáo trình được tổ chức thành ba phần lớn. Phần 1 về Cân bằng bao gồm nhiệt động lực học, cân bằng hóa học và điện hóa học. Phần 2 về Cấu trúc đề cập đến cơ học lượng tử, quang phổ học, hóa học tính toán và khoa học vật liệu. Phần 3 về Động học trình bày động học phản ứng và quá trình chuyển đổi. Mỗi chương có các ví dụ được giải chi tiết, bảng số liệu thực nghiệm và câu hỏi thảo luận giúp sinh viên nắm vững kiến thức.

II. Phân tích nội dung chuyên sâu Physical Chemistry Atkins

Giáo trình Physical Chemistry ấn bản thứ 8 của Atkins và de Paula bao quát toàn bộ kiến thức hóa học vật lý ở trình độ đại học và sau đại học. Nhiệt động lực học được trình bày theo hướng hiện đại, tích hợp các phương trình trạng thái thực tế như phương trình van der Waals. Hệ số nén Z được phân tích để đo lường mức độ lệch khỏi hành vi khí lý tưởng. Tại áp suất thấp, mọi khí đều có Z xấp xỉ 1 và cư xử gần như lý tưởng. Tại áp suất cao, Z lớn hơn 1 do lực đẩy chiếm ưu thế. Ở áp suất trung gian, Z nhỏ hơn 1 do lực hút giảm thể tích mol so với khí lý tưởng. Phần quang phổ học bao gồm quang phổ hồng ngoại, Raman, cộng hưởng từ hạt nhân NMR và cộng hưởng thuận từ electron EPR. Kỹ thuật NMR hai chiều và NMR trạng thái rắn được trình bày cùng với ứng dụng trong hình ảnh y tế MRI. Các tác động trong hóa sinh và y học được tích hợp xuyên suốt thông qua các mục Impact on Biochemistry và Impact on Medicine.

2.1. Nhiệt động lực học và phương trình trạng thái thực

Phần nhiệt động lực học trong Physical Chemistry 8th Edition đặc biệt chú trọng đến khí thực. Phương trình virial được giới thiệu dưới dạng pVm = RT(1 + B'p + C'p² + ...) như mở rộng của định luật khí lý tưởng. Đường đẳng nhiệt thực nghiệm của CO₂ được phân tích chi tiết, bao gồm điểm tới hạn ở 31.04°C. Nhiệt động lực học hóa học tích hợp điện hóa cân bằng, loại bỏ các ranh giới nhân tạo giữa các phương pháp tiếp cận khác nhau.

2.2. Quang phổ học và hóa học lượng tử trong giáo trình

Quang phổ điện tử bao gồm phổ của phân tử hai nguyên tử và đa nguyên tử, huỳnh quang, lân quang và kính hiển vi huỳnh quang. Quang phổ dao động Raman của phân tử đa nguyên tử được trình bày cùng ứng dụng kính hiển vi dao động trong hóa sinh. Nhiệt động lực học thống kê được xây dựng từ phân bố Boltzmann và hàm phân hoạch. Phần cấu trúc vật liệu đề cập đến vật liệu cứng, vật liệu mềm và các ứng dụng trong khoa học nano.

III. Phương pháp học hiệu quả từ Physical Chemistry Atkins 8e

Để khai thác tối đa giáo trình Physical Chemistry ấn bản thứ 8, cần tiếp cận có hệ thống theo từng phần. Bắt đầu với Phần 1 về Cân bằng nếu đã có nền tảng nhiệt động lực học cơ bản từ các khóa học trước. Giáo trình được thiết kế linh hoạt để giảng viên có thể lựa chọn chương học phù hợp với chương trình đào tạo. Các Worked Examples trong mỗi chương được trình bày từng bước, giúp nắm vững phương pháp giải bài toán hóa học vật lý. Bảng Data Section ở cuối sách cung cấp hằng số vật lý, hằng số nhiệt động lực học và các thông số phổ học cần thiết. Màu sắc trong đồ thị và sơ đồ được sử dụng nhất quán để phân biệt các loại thông tin khác nhau. Câu hỏi Discussion Questions sau mỗi chương kích thích tư duy phản biện. Bài tập Exercises luyện kỹ năng tính toán. Bài tập Problems nâng cao yêu cầu tổng hợp kiến thức từ nhiều phần. Phần Further Reading hướng dẫn nghiên cứu chuyên sâu qua tài liệu học thuật.

3.1. Sử dụng các tính năng sư phạm trong sách

Giáo trình tích hợp nhiều tính năng hỗ trợ học tập. Các hộp Impact trình bày ứng dụng thực tế trong hóa sinh, y học và khoa học môi trường. Ví dụ như Impact on Medicine về hình ảnh cộng hưởng từ MRI và Impact on Biochemistry về kính hiển vi dao động. Checklist of Key Ideas cuối chương giúp ôn tập nhanh các khái niệm cốt lõi. Further Information cung cấp các dẫn xuất toán học chi tiết cho những ai muốn hiểu sâu hơn về cơ sở lý thuyết.

3.2. Kết hợp Physical Chemistry 8e với tài nguyên bổ trợ

Physical Chemistry ấn bản thứ 8 được bổ sung bởi các tài nguyên trực tuyến từ W.H. Freeman. Phần mềm Spartan và các công cụ hóa học tính toán hỗ trợ trực quan hóa quỹ đạo phân tử. Giải bài tập thực hành thường xuyên với các bài Problems có đánh dấu mức độ khó. Tham khảo các tạp chí như Journal of Chemical Education để tìm các bài viết giải thích khái niệm khó. Kết hợp đọc phần Further Reading giúp cập nhật các nghiên cứu đương đại trong từng lĩnh vực.

IV. Ứng dụng và tầm quan trọng của Physical Chemistry Atkins

Physical Chemistry ấn bản thứ 8 của Atkins và de Paula khẳng định vị trí là giáo trình chuẩn mực trong đào tạo hóa học vật lý toàn cầu. Kiến thức trong sách được ứng dụng trực tiếp trong nghiên cứu dược phẩm, vật liệu mới, năng lượng tái tạo và công nghệ sinh học. Phần điện hóa học nền tảng cho nghiên cứu pin nhiên liệu và công nghệ lưu trữ năng lượng. Quang phổ NMR và EPR là công cụ thiết yếu trong xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ và sinh học. Nhiệt động lực học thống kê hỗ trợ thiết kế phân tử và mô phỏng tính chất vật liệu. Khoa học nano được giới thiệu xuyên suốt phần Cấu trúc, phản ánh tầm quan trọng ngày càng tăng của lĩnh vực này. Động học phản ứng trong Phần 3 cung cấp nền tảng cho thiết kế xúc tác và tối ưu hóa quy trình công nghiệp. Giáo trình tiếp tục được tái bản và cập nhật qua nhiều thế hệ sinh viên, chứng tỏ giá trị bền vững trong giáo dục khoa học.

4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học hiện đại

Các khái niệm trong Physical Chemistry 8th Edition được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu đương đại. Nhiệt động lực học cân bằng hỗ trợ tính toán hằng số cân bằng và thiết kế phản ứng hóa học. Quang phổ học là nền tảng cho phân tích cấu trúc protein, ADN và vật liệu nano. Cơ học lượng tử trong giáo trình cung cấp cơ sở cho hóa học tính toán và mô phỏng phân tử. Các kỹ thuật quang phổ hiện đại như huỳnh quang và kính hiển vi Raman được ứng dụng trong sinh học tế bào và khoa học vật liệu.

4.2. Tầm quan trọng của giáo trình trong giáo dục đại học

Physical Chemistry của Atkins được sử dụng tại hàng nghìn trường đại học trên thế giới trong hơn 40 năm qua. Ấn bản thứ 8 duy trì sự cân bằng giữa tính nghiêm ngặt toán học và khả năng tiếp cận của sinh viên. Phạm vi bao quát rộng từ nhiệt động lực học cổ điển đến quang phổ lượng tử và động học phân tử làm cho giáo trình phù hợp với nhiều chương trình đào tạo khác nhau. Tính quyền uy học thuật kết hợp với trình bày sư phạm hiện đại là lý do giáo trình tiếp tục được lựa chọn bởi giảng viên và sinh viên toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net ATKINS’ PHYSICAL CHEMISTRY www.net This page intentionally left blank www.net ATKINS’ PHYSICAL CHEMISTRY Eighth Edition Peter Atkins Professor of Chemistry, University of Oxford, and Fellow of Lincoln College, Oxford Julio de Paula Professor and Dean of the College of Arts and Sciences Lewis and Clark College, Portland, Oregon W. Freeman and Company New York www.net Library of Congress Control Number: 2005936591 Physical Chemistry, Eighth Edition © 2006 by Peter Atkins and Julio de Paula All rights reserved ISBN: 0-7167-8759-8 EAN: 9780716787594 Published in Great Britain by Oxford University Press This edition has been authorized by Oxford University Press for sale in the United States and Canada only and not for export therefrom. Freeman and Company 41 Madison Avenue New York, NY 10010 www.net Preface We have taken the opportunity to refresh both the content and presentation of this text while—as for all its editions—keeping it flexible to use, accessible to students, broad in scope, and authoritative. The bulk of textbooks is a perennial concern: we have sought to tighten the presentation in this edition. However, it should always be borne in mind that much of the bulk arises from the numerous pedagogical features that we include (such as Worked examples and the Data section), not necessarily from density of information. The most striking change in presentation is the use of colour. We have made every effort to use colour systematically and pedagogically, not gratuitously, seeing as a medium for making the text more attractive but using it to convey concepts and data more clearly. The text is still divided into three parts, but material has been moved between chapters and the chapters have been reorganized. We have responded to the shift in emphasis away from classical thermodynamics by combining several chapters in Part 1 (Equilibrium), bearing in mind that some of the material will already have been covered in earlier courses. We no longer make a distinction between ‘concepts’ and ‘machinery’, and as a result have provided a more compact presentation of ther- modynamics with less artificial divisions between the approaches. Similarly, equilib- rium electrochemistry now finds a home within the chapter on chemical equilibrium, where space has been made by reducing the discussion of acids and bases. In Part 2 (Structure) the principal changes are within the chapters, where we have sought to bring into the discussion contemporary techniques of spectroscopy and approaches to computational chemistry. In recognition of the major role that phys- ical chemistry plays in materials science, we have a short sequence of chapters on materials, which deal respectively with hard and soft matter. Moreover, we have introduced concepts of nanoscience throughout much of Part 2. Part 3 has lost its chapter on dynamic electrochemistry, but not the material. We regard this material as highly important in a contemporary context, but as a final chapter it rarely received the attention it deserves. To make it more readily accessible within the context of courses and to acknowledge that the material it covers is at home intellectually with other material in the book, the description of electron transfer reactions is now a part of the sequence on chemical kinetics and the description of processes at electrodes is now a part of the general discussion of solid surfaces. We have discarded the Boxes of earlier editions. They have been replaced by more fully integrated and extensive Impact sections, which show how physical chemistry is applied to biology, materials, and the environment. By liberating these topics from their boxes, we believe they are more likely to be used and read; there are end-of- chapter problems on most of the material in these sections. In the preface to the seventh edition we wrote that there was vigorous discussion in the physical chemistry community about the choice of a ‘quantum first’ or a ‘thermo- dynamics first’ approach. That discussion continues. In response we have paid particu- lar attention to making the organization flexible. The strategic aim of this revision is to make it possible to work through the text in a variety of orders and at the end of this Preface we once again include two suggested road maps. The concern expressed in the seventh edition about the level of mathematical ability has not evaporated, of course, and we have developed further our strategies for showing the absolute centrality of mathematics to physical chemistry and to make it accessible. Thus, we give more help with the development of equations, motivate www.net vi PREFACE them, justify them, and comment on the steps. We have kept in mind the struggling student, and have tried to provide help at every turn. We are, of course, alert to the developments in electronic resources and have made a special effort in this edition to encourage the use of the resources on our Web site (at www.com/pchem8) where you can also access the eBook. In particular, we think it important to encourage students to use the Living graphs and their con- siderable extension as Explorations in Physical Chemistry. To do so, wherever we call out a Living graph (by an icon attached to a graph in the text), we include an Exploration in the figure legend, suggesting how to explore the consequences of changing parameters. Overall, we have taken this opportunity to refresh the text thoroughly, to integrate applications, to encourage the use of electronic resources, and to make the text even more flexible and up to date.net PREFACE vii www.net About the book There are numerous features in this edition that are designed to make learning phys- ical chemistry more effective and more enjoyable. One of the problems that make the subject daunting is the sheer amount of information: we have introduced several devices for organizing the material: see Organizing the information. We appreciate that mathematics is often troublesome, and therefore have taken care to give help with this enormously important aspect of physical chemistry: see Mathematics and Physics support. Problem solving—especially, ‘where do I start?’—is often a challenge, and we have done our best to help overcome this first hurdle: see Problem solving. Finally, the web is an extraordinary resource, but it is necessary to know where to start, or where to go for a particular piece of information; we have tried to indicate the right direction: see About the Web site. The following paragraphs explain the features in more detail. Organizing the information Checklist of key ideas Checklist of key ideas Here we collect together the major concepts introduced in the 1. A gas is a form of matter that fills any container it occupies. The partial pressure of any gas i 2. An equation of state interrelates pressure, volume, xJ = nJ/n is its mole fraction in a chapter. We suggest checking off the box that precedes each temperature, and amount of substance: p = f(T,V,n). In real gases, molecular interact entry when you feel confident about the topic. The pressure is the force divided by the area to which the force is applied. The standard pressure is p7 = 1 bar (105 Pa). state; the true equation of state i 4. Mechanical equilibrium is the condition of equality of coefficients B, C, . : pVm = RT pressure on either side of a movable wall. The vapour pressure is the press 5. Temperature is the property that indicates the direction of the with its condensed phase. flow of energy through a thermally conducting, rigid wall. The critical point is the point at 6. A diathermic boundary is a boundary that permits the passage end of the horizontal part of the of energy as heat. An adiabatic boundary is a boundary that a single point. The critical const prevents the passage of energy as heat. pressure, molar volume, and tem 7. Thermal equilibrium is a condition in which no change of critical point. state occurs when two objects A and B are in contact through 16. A supercritical fluid is a dense fl a diathermic boundary. temperature and pressure. The Zeroth Law of thermodynamics states that, if A is in 17. The van der Waals equation of s thermal equilibrium with B, and B is in thermal equilibrium the true equation of state in whi with C, then C is also in thermal equilibrium with A. by a parameter a and repulsions 9. The Celsius and thermodynamic temperature scales are parameter b: p = nRT/(V − nb) − related by T/K = θ/°C + 273. A reduced variable is the actual 10. A perfect gas obeys the perfect gas equation, pV = nRT, exactly corresponding critical constant IMPACT ON NANOSCIENCE Impact sections I20.2 Nanowires We have already remarked (Impacts I9.3) that research on nano- Where appropriate, we have separated the principles from metre-sized materials is motivated by the possibility that they will form the basis for their applications: the principles are constant and straightfor- cheaper and smaller electronic devices. The synthesis of nanowires, nanometre-sized atomic assemblies that conduct electricity, is a major step in the fabrication of ward; the applications come and go as the subject progresses. An important type of nanowire is based on carbon nanotubes, which, The Impact sections show how the principles developed in like graphite, can conduct electrons through delocalized π molecular orbitals that form from unhybridized 2p orbitals on carbon. Recent studies have shown a cor- the chapter are currently being applied in a variety of modern relation between structure and conductivity in single-walled nanotubes (SWNTs) that does not occur in graphite. The SWNT in Fig. If the contexts. hexagons are rotated by 60° about their sixfold axis, the resulting SWNT is a metallic conductor. Carbon nanotubes are promising building blocks not only because they have useful electrical properties but also because they have unusual mechanical properties. For example, an SWNT has a Young’s modulus that is approximately five times larger and a tensile strength that is approximately 375 times larger than that of steel. Silicon nanowires can be made by focusing a pulsed laser beam on to a solid target composed of silicon and iron. The laser ejects Fe and Si atoms from the surface of the www.net ABOUT THE BOOK ix q Notes on good practice A note on good practice We write T = 0, not T = 0 K for the zero temperature on the thermodynamic temperature scale. This scale is absolute, and the lowest Science is a precise activity and its language should be used temperature is 0 regardless of the size of the divisions on the scale (just as we write p = 0 for zero pressure, regardless of the size of the units we adopt, such as bar or accurately. We have used this feature to help encourage the use pascal). However, we write 0°C because the Celsius scale is not absolute. of the language and procedures of science in conformity to international practice and to help avoid common mistakes.8 The activities of regular solutions Justifications The material on regular solutions presented in Section 5.4 gives further insight into the origin of deviations from Raoult’s law and its relation to activity coefficients. The On first reading it might be sufficient to appreciate the ‘bottom starting point is the expression for the Gibbs energy of mixing for a regular solution line’ rather than work through detailed development of a (eqn 5. We show in the following Justification that eqn 5.31 implies that the activ- ity coefficients are given by expressions of the form mathematical expression. However, mathematical develop- ln γA = βxB2 ln γB = βxA2 (5.57) ment is an intrinsic part of physical chemistry, and it is These relations are called the Margules equations. important to see how a particular expression is obtained. The Justification 5.4 The Margules equations Justifications let you adjust the level of detail that you require to The Gibbs energy of mixing to form a nonideal solution is your current needs, and make it easier to review material. ∆mixG = nRT{xA ln aA + xB ln aB} This relation follows from the derivation of eqn 5.