生物医学工程中的物理化学

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 物理化学的内容和任务 1
1.2 物理化学的研究内容 1
1.2.1 化学变化的方向和限度 2
1.2.2 化学反应的速率和机理 2
1.2.3 物质结构和性能之间的关系 2
1.3 物理化学的发展历史 2
1.4 生物医学工程中的物理化学 3
第2章 热力学概论 5
2.1 热力学的定义 5
2.2 热力学中的基本概念 5
2.2.1 系统和环境 5
2.2.2 系统的状态和状态函数 6
2.2.3 热力学平衡状态 7
2.2.4 过程和途径 7
2.2.5 热和功 7
2.2.6 功与过程的关系 8
2.2.7 准静态过程与可逆过程 9
2.3 热力学第一定律 10
2.3.1 热平衡与热力学第零定律 10
2.3.2 热力学第一定律及其数学表达 11
2.3.3 焓与热容 12
2.3.4 理想气体的热力学 13
2.3.5 化学反应的热与焓 16
2.4 热力学第二定律 20
2.4.1 自发过程与热力学第二定律 20
2.4.2 卡诺循环与卡诺定理 21
2.4.3 熵的概念与计算 23
2.4.4 克劳修斯不等式与熵增原理 24
2.4.5 熵变的计算 25
2.4.6 熵的物理意义 28
2.5 化学反应的熵变与热力学第三定律 30
2.5.1 热力学第三定律 30
2.5.2 规定熵与标准熵 30
2.5.3 亥姆霍兹函数和吉布斯函数 31
2.5.4 化学反应的ΔG 34
第3章 化学势与化学平衡 35
3.1 偏摩尔量 35
3.1.1 偏摩尔量的定义 35
3.1.2 偏摩尔量的集合公式 37
3.2 化学势 37
3.2.1 化学势的定义 37
3.2.2 化学势判据及应用举例 38
3.3 气体的化学势 40
3.3.1 理想气体的化学势 40
3.3.2 实际气体的化学势 41
3.4 理想溶液中物质的化学势 41
3.4.1 拉乌尔定律 42
3.4.2 理想液态混合物的定义和特征 42
3.4.3 理想液态混合物中任一组分的化学势 43
3.5 理想稀溶液中物质的化学势 44
3.5.1 亨利定律 44
3.5.2 理想稀溶液的定义 44
3.5.3 理想稀溶液中溶剂和溶质的化学势 45
3.6 不挥发性溶质稀溶液的依数性 46
3.6.1 蒸气压下降 46
3.6.2 凝固点降低 46
3.6.3 沸点升高 48
3.6.4 渗透压 48
3.7 非理想溶液中物质的化学势 49
3.7.1 活度与活度系数 49
3.7.2 活度求算 50
3.8 化学反应的方向和限度 50
3.8.1 反应系统的吉布斯函数 51
3.8.2 化学反应的平衡常数和等温方程 52
3.9 反应的标准吉布斯自由能变化 53
3.10 平衡常数的各种表示法 54
3.10.1 气相反应 55
3.10.2 液相反应 56
3.10.3 气固复相反应 57
3.11 温度对平衡常数的影响 57
3.12 其他因素对平衡常数的影响 58
3.12.1 压力的影响 58
3.12.2 惰性气体的影响 59
第4章 电化学 60
（一）电解质溶液 60
4.1 离子的迁移 60
4.1.1 电解质溶液的导电现象 60
4.1.2 法拉第定律 62
4.1.3 离子的电迁移 63
4.2 电解质溶液的电导 65
4.2.1 电导、电导率和摩尔电导率 65
4.2.2 电导的测定及应用 67
4.2.3 电导率、摩尔电导率与浓度的关系 68
4.2.4 离子独立运动定律和离子的摩尔电导率 69
4.3 电导率的应用 70
4.3.1 计算弱电解质的解离度和解离平衡常数 70
4.3.2 计算难溶电解质的溶解度 71
4.3.3 电导滴定 72
4.4 强电解质溶液的活度和活度系数 73
4.4.1 活度和活度系数 74
4.4.2 影响离子平均活度系数的因素 75
（二）可逆电池及其应用 76
4.5 可逆电池 76
4.5.1 可逆电池的概念 76
4.5.2 可逆电极的种类 77
4.5.3 电池的表示式 79
4.5.4 电池电动势的测定 80
4.6 可逆电池的热力学 82
4.6.1 能斯特方程 82
4.6.2 电动势及其温度系数与电池反应热力学量的关系 83
4.7 电极和电池电动势 84
4.7.1 电池电动势产生的机理 84
4.7.2 电池电动势 87
4.7.3 电极电势 87
4.7.4 电池电动势的计算 89
4.8 电极电势及电池电动势的应用 91
4.8.1 判断氧化还原反应的方向 91
4.8.2 化学反应标准平衡常数和难溶盐的溶度积的计算 92
4.8.3 电解质的平均活度系数的计算 93
4.8.4 溶液的pH的计算 94
4.9 浓差电池和液体接界电势 95
4.9.1 浓差电池 95
4.9.2 液体接界电势 96
（三）不可逆电极过程及其应用 97
4.10 电极的极化 97
4.10.1 分解电压 97
4.10.2 极化作用与超电势 98
4.11 电解时电极上的竞争反应 100
4.11.1 电极反应速率 100
4.11.2 电极反应的竞争 101
4.12 电化学的应用 103
4.12.1 金属的电化学腐蚀 103
4.12.2 金属的电化学防腐 104
4.12.3 化学电源 107
第5章 表面物理化学 113
5.1 表面吉布斯函数和表面张力 113
5.2 纯液体的表面现象 115
5.2.1 弯曲液面的附加压力 115
5.2.2 弯曲液面的蒸气压 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 表面活性剂 119
5.4 表面的润湿 122
5.4.1 润湿作用 122
5.4.2 铺展系数与黏附功 122
5.4.3 接触角与杨氏方程 123
第6章 胶体化学 125
6.1 引言 125
6.2 胶体的基本性质和分类 126
6.2.1 胶体的基本性质 126
6.2.2 胶体的分类 127
6.3 溶胶的动力性质 128
6.3.1 布朗运动 128
6.3.2 扩散和渗透压 130
6.3.3 沉降和沉降平衡 131
6.4 溶胶的光学性质 132
6.4.1 丁铎尔效应 133
6.4.2 瑞利散射定律 134
6.5 溶胶的电性质 135
6.5.1 电动现象 135
6.5.2 胶体粒子带电的原因 136
6.5.3 胶体粒子的双电层 138
6.5.4 胶体粒子的结构 141
6.6 溶胶的稳定性 142
6.6.1 胶体稳定性理论 142
6.6.2 影响溶胶稳定性的因素 144
6.7 溶胶的制备与纯化 145
6.7.1 溶胶的制备 145
6.7.2 溶胶的纯化 146
第7章 化学动力学基本原理 148
7.1 引言 148
7.2 化学反应速率 150
7.2.1 化学反应速率的表示法 150
7.2.2 化学反应速率的测定 151
7.2.3 化学反应的速率方程 152
7.2.4 反应级数与反应分子数 154
7.2.5 质量作用定律 154
7.2.6 阿伦尼乌斯方程 155
7.3 具有简单级数的反应 156
7.3.1 一级反应 156
7.3.2 二级反应 157
7.3.3 三级反应 159
7.3.4 零级反应 161
7.4 典型的复杂反应 162
7.4.1 对峙反应 162
7.4.2 平行反应 164
7.4.3 连续反应 166
7.5 链反应 168
7.5.1 直链反应 168
7.5.2 支链反应 170
7.6 基元反应速率理论 171
7.6.1 碰撞理论 171
7.6.2 过渡态理论 173
第8章 气体表面吸附与检测 177
8.1 气体在材料表面的吸附 177
8.1.1 固体表面的特点 177
8.1.2 气固吸附的类型 178
8.1.3 吸附量与吸附平衡 179
8.1.4 吸附曲线 179
8.2 气固吸附的本质 185
8.2.1 气固吸附的作用力 185
8.2.2 吸附热 187
8.2.3 影响气固吸附的主要因素 188
8.3 气体传感与检测 188
8.3.1 气体传感器 188
8.3.2 气体传感阵列 199
8.4 气体传感与检测在生物医学工程中的应用 205
参考文献 208
第9章 电化学传感器 210
9.1 电化学传感器的基本概念 210
9.2 电化学传感器的工作原理 210
9.2.1 电流式传感器 210
9.2.2 电位式传感器 211
9.2.3 电导式传感器 212
9.3 电化学传感器的分类 213
9.3.1 电化学核酸传感器 213
9.3.2 电化学酶传感器 214
9.3.3 电化学免疫传感器 215
9.3.4 电化学组织传感器 216
9.3.5 电化学微生物传感器 216
9.4 电化学传感器在生物医学工程方面的应用 216
9.4.1 遗传病和传染病的诊断 217
9.4.2 致病微生物的检测 217
9.4.3 生物标志物的检测 218
9.4.4 药物研究 220
9.4.5 纸芯片 221
9.4.6 可穿戴式传感器 223
参考文献 224
第10章 生物材料的表面修饰 226
10.1 生物材料表面修饰的意义 226
10.2 生物材料的表面修饰方法 227
10.3 基于物理沉积的表面修饰方法 227
10.3.1 吸附法 227
10.3.2 气相沉积 227
10.3.3 等离子喷涂 228
10.3.4 溶胶凝胶法 228
10.4 基于化学偶联的表面修饰方法 229
10.4.1 传统的化学改性法 229
10.4.2 表面接枝 231
10.5 生物芯片的表面修饰 232
10.5.1 生物芯片与图案化修饰 232
10.5.2 常见的表面图案化方法简介 233
第11章 胶体材料与生物分析 238
11.1 引言 238
11.2 纳米粒子的结构和性质 239
11.3 纳米粒子的制备 240
11.3.1 制备纳米粒子的物理方法 240
11.3.2 制备纳米粒子的化学方法 241
11.3.3 制备纳米粒子的物理化学方法 243
11.4 纳