生物醫(yī)學(xué)工程中的物理化學(xué)

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 物理化學(xué)的內(nèi)容和任務(wù) 1
1.2 物理化學(xué)的研究內(nèi)容 1
1.2.1 化學(xué)變化的方向和限度 2
1.2.2 化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理 2
1.2.3 物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系 2
1.3 物理化學(xué)的發(fā)展歷史 2
1.4 生物醫(yī)學(xué)工程中的物理化學(xué) 3
第2章 熱力學(xué)概論 5
2.1 熱力學(xué)的定義 5
2.2 熱力學(xué)中的基本概念 5
2.2.1 系統(tǒng)和環(huán)境 5
2.2.2 系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù) 6
2.2.3 熱力學(xué)平衡狀態(tài) 7
2.2.4 過程和途徑 7
2.2.5 熱和功 7
2.2.6 功與過程的關(guān)系 8
2.2.7 準(zhǔn)靜態(tài)過程與可逆過程 9
2.3 熱力學(xué)第一定律 10
2.3.1 熱平衡與熱力學(xué)第零定律 10
2.3.2 熱力學(xué)第一定律及其數(shù)學(xué)表達(dá) 11
2.3.3 焓與熱容 12
2.3.4 理想氣體的熱力學(xué) 13
2.3.5 化學(xué)反應(yīng)的熱與焓 16
2.4 熱力學(xué)第二定律 20
2.4.1 自發(fā)過程與熱力學(xué)第二定律 20
2.4.2 卡諾循環(huán)與卡諾定理 21
2.4.3 熵的概念與計(jì)算 23
2.4.4 克勞修斯不等式與熵增原理 24
2.4.5 熵變的計(jì)算 25
2.4.6 熵的物理意義 28
2.5 化學(xué)反應(yīng)的熵變與熱力學(xué)第三定律 30
2.5.1 熱力學(xué)第三定律 30
2.5.2 規(guī)定熵與標(biāo)準(zhǔn)熵 30
2.5.3 亥姆霍茲函數(shù)和吉布斯函數(shù) 31
2.5.4 化學(xué)反應(yīng)的ΔG 34
第3章 化學(xué)勢與化學(xué)平衡 35
3.1 偏摩爾量 35
3.1.1 偏摩爾量的定義 35
3.1.2 偏摩爾量的集合公式 37
3.2 化學(xué)勢 37
3.2.1 化學(xué)勢的定義 37
3.2.2 化學(xué)勢判據(jù)及應(yīng)用舉例 38
3.3 氣體的化學(xué)勢 40
3.3.1 理想氣體的化學(xué)勢 40
3.3.2 實(shí)際氣體的化學(xué)勢 41
3.4 理想溶液中物質(zhì)的化學(xué)勢 41
3.4.1 拉烏爾定律 42
3.4.2 理想液態(tài)混合物的定義和特征 42
3.4.3 理想液態(tài)混合物中任一組分的化學(xué)勢 43
3.5 理想稀溶液中物質(zhì)的化學(xué)勢 44
3.5.1 亨利定律 44
3.5.2 理想稀溶液的定義 44
3.5.3 理想稀溶液中溶劑和溶質(zhì)的化學(xué)勢 45
3.6 不揮發(fā)性溶質(zhì)稀溶液的依數(shù)性 46
3.6.1 蒸氣壓下降 46
3.6.2 凝固點(diǎn)降低 46
3.6.3 沸點(diǎn)升高 48
3.6.4 滲透壓 48
3.7 非理想溶液中物質(zhì)的化學(xué)勢 49
3.7.1 活度與活度系數(shù) 49
3.7.2 活度求算 50
3.8 化學(xué)反應(yīng)的方向和限度 50
3.8.1 反應(yīng)系統(tǒng)的吉布斯函數(shù) 51
3.8.2 化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)和等溫方程 52
3.9 反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化 53
3.10 平衡常數(shù)的各種表示法 54
3.10.1 氣相反應(yīng) 55
3.10.2 液相反應(yīng) 56
3.10.3 氣固復(fù)相反應(yīng) 57
3.11 溫度對平衡常數(shù)的影響 57
3.12 其他因素對平衡常數(shù)的影響 58
3.12.1 壓力的影響 58
3.12.2 惰性氣體的影響 59
第4章 電化學(xué) 60
（一）電解質(zhì)溶液 60
4.1 離子的遷移 60
4.1.1 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電現(xiàn)象 60
4.1.2 法拉第定律 62
4.1.3 離子的電遷移 63
4.2 電解質(zhì)溶液的電導(dǎo) 65
4.2.1 電導(dǎo)、電導(dǎo)率和摩爾電導(dǎo)率 65
4.2.2 電導(dǎo)的測定及應(yīng)用 67
4.2.3 電導(dǎo)率、摩爾電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系 68
4.2.4 離子獨(dú)立運(yùn)動定律和離子的摩爾電導(dǎo)率 69
4.3 電導(dǎo)率的應(yīng)用 70
4.3.1 計(jì)算弱電解質(zhì)的解離度和解離平衡常數(shù) 70
4.3.2 計(jì)算難溶電解質(zhì)的溶解度 71
4.3.3 電導(dǎo)滴定 72
4.4 強(qiáng)電解質(zhì)溶液的活度和活度系數(shù) 73
4.4.1 活度和活度系數(shù) 74
4.4.2 影響離子平均活度系數(shù)的因素 75
（二）可逆電池及其應(yīng)用 76
4.5 可逆電池 76
4.5.1 可逆電池的概念 76
4.5.2 可逆電極的種類 77
4.5.3 電池的表示式 79
4.5.4 電池電動勢的測定 80
4.6 可逆電池的熱力學(xué) 82
4.6.1 能斯特方程 82
4.6.2 電動勢及其溫度系數(shù)與電池反應(yīng)熱力學(xué)量的關(guān)系 83
4.7 電極和電池電動勢 84
4.7.1 電池電動勢產(chǎn)生的機(jī)理 84
4.7.2 電池電動勢 87
4.7.3 電極電勢 87
4.7.4 電池電動勢的計(jì)算 89
4.8 電極電勢及電池電動勢的應(yīng)用 91
4.8.1 判斷氧化還原反應(yīng)的方向 91
4.8.2 化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)和難溶鹽的溶度積的計(jì)算 92
4.8.3 電解質(zhì)的平均活度系數(shù)的計(jì)算 93
4.8.4 溶液的pH的計(jì)算 94
4.9 濃差電池和液體接界電勢 95
4.9.1 濃差電池 95
4.9.2 液體接界電勢 96
（三）不可逆電極過程及其應(yīng)用 97
4.10 電極的極化 97
4.10.1 分解電壓 97
4.10.2 極化作用與超電勢 98
4.11 電解時(shí)電極上的競爭反應(yīng) 100
4.11.1 電極反應(yīng)速率 100
4.11.2 電極反應(yīng)的競爭 101
4.12 電化學(xué)的應(yīng)用 103
4.12.1 金屬的電化學(xué)腐蝕 103
4.12.2 金屬的電化學(xué)防腐 104
4.12.3 化學(xué)電源 107
第5章 表面物理化學(xué) 113
5.1 表面吉布斯函數(shù)和表面張力 113
5.2 純液體的表面現(xiàn)象 115
5.2.1 彎曲液面的附加壓力 115
5.2.2 彎曲液面的蒸氣壓 116
5.3 溶液的表面吸附 117
5.3.1 溶液的表面能 117
5.3.2 溶液的表面吸附作用 118
5.3.3 表面活性劑 119
5.4 表面的潤濕 122
5.4.1 潤濕作用 122
5.4.2 鋪展系數(shù)與黏附功 122
5.4.3 接觸角與楊氏方程 123
第6章 膠體化學(xué) 125
6.1 引言 125
6.2 膠體的基本性質(zhì)和分類 126
6.2.1 膠體的基本性質(zhì) 126
6.2.2 膠體的分類 127
6.3 溶膠的動力性質(zhì) 128
6.3.1 布朗運(yùn)動 128
6.3.2 擴(kuò)散和滲透壓 130
6.3.3 沉降和沉降平衡 131
6.4 溶膠的光學(xué)性質(zhì) 132
6.4.1 丁鐸爾效應(yīng) 133
6.4.2 瑞利散射定律 134
6.5 溶膠的電性質(zhì) 135
6.5.1 電動現(xiàn)象 135
6.5.2 膠體粒子帶電的原因 136
6.5.3 膠體粒子的雙電層 138
6.5.4 膠體粒子的結(jié)構(gòu) 141
6.6 溶膠的穩(wěn)定性 142
6.6.1 膠體穩(wěn)定性理論 142
6.6.2 影響溶膠穩(wěn)定性的因素 144
6.7 溶膠的制備與純化 145
6.7.1 溶膠的制備 145
6.7.2 溶膠的純化 146
第7章 化學(xué)動力學(xué)基本原理 148
7.1 引言 148
7.2 化學(xué)反應(yīng)速率 150
7.2.1 化學(xué)反應(yīng)速率的表示法 150
7.2.2 化學(xué)反應(yīng)速率的測定 151
7.2.3 化學(xué)反應(yīng)的速率方程 152
7.2.4 反應(yīng)級數(shù)與反應(yīng)分子數(shù) 154
7.2.5 質(zhì)量作用定律 154
7.2.6 阿倫尼烏斯方程 155
7.3 具有簡單級數(shù)的反應(yīng) 156
7.3.1 一級反應(yīng) 156
7.3.2 二級反應(yīng) 157
7.3.3 三級反應(yīng) 159
7.3.4 零級反應(yīng) 161
7.4 典型的復(fù)雜反應(yīng) 162
7.4.1 對峙反應(yīng) 162
7.4.2 平行反應(yīng) 164
7.4.3 連續(xù)反應(yīng) 166
7.5 鏈反應(yīng) 168
7.5.1 直鏈反應(yīng) 168
7.5.2 支鏈反應(yīng) 170
7.6 基元反應(yīng)速率理論 171
7.6.1 碰撞理論 171
7.6.2 過渡態(tài)理論 173
第8章 氣體表面吸附與檢測 177
8.1 氣體在材料表面的吸附 177
8.1.1 固體表面的特點(diǎn) 177
8.1.2 氣固吸附的類型 178
8.1.3 吸附量與吸附平衡 179
8.1.4 吸附曲線 179
8.2 氣固吸附的本質(zhì) 185
8.2.1 氣固吸附的作用力 185
8.2.2 吸附熱 187
8.2.3 影響氣固吸附的主要因素 188
8.3 氣體傳感與檢測 188
8.3.1 氣體傳感器 188
8.3.2 氣體傳感陣列 199
8.4 氣體傳感與檢測在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用 205
參考文獻(xiàn) 208
第9章 電化學(xué)傳感器 210
9.1 電化學(xué)傳感器的基本概念 210
9.2 電化學(xué)傳感器的工作原理 210
9.2.1 電流式傳感器 210
9.2.2 電位式傳感器 211
9.2.3 電導(dǎo)式傳感器 212
9.3 電化學(xué)傳感器的分類 213
9.3.1 電化學(xué)核酸傳感器 213
9.3.2 電化學(xué)酶傳感器 214
9.3.3 電化學(xué)免疫傳感器 215
9.3.4 電化學(xué)組織傳感器 216
9.3.5 電化學(xué)微生物傳感器 216
9.4 電化學(xué)傳感器在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用 216
9.4.1 遺傳病和傳染病的診斷 217
9.4.2 致病微生物的檢測 217
9.4.3 生物標(biāo)志物的檢測 218
9.4.4 藥物研究 220
9.4.5 紙芯片 221
9.4.6 可穿戴式傳感器 223
參考文獻(xiàn) 224
第10章 生物材料的表面修飾 226
10.1 生物材料表面修飾的意義 226
10.2 生物材料的表面修飾方法 227
10.3 基于物理沉積的表面修飾方法 227
10.3.1 吸附法 227
10.3.2 氣相沉積 227
10.3.3 等離子噴涂 228
10.3.4 溶膠凝膠法 228
10.4 基于化學(xué)偶聯(lián)的表面修飾方法 229
10.4.1 傳統(tǒng)的化學(xué)改性法 229
10.4.2 表面接枝 231
10.5 生物芯片的表面修飾 232
10.5.1 生物芯片與圖案化修飾 232
10.5.2 常見的表面圖案化方法簡介 233
第11章 膠體材料與生物分析 238
11.1 引言 238
11.2 納米粒子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 239
11.3 納米粒子的制備 240
11.3.1 制備納米粒子的物理方法 240
11.3.2 制備納米粒子的化學(xué)方法 241
11.3.3 制備納米粒子的物理化學(xué)方法 243
11.4 納