The Role of the Solvent in Chemical Reactions

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出版者:Oxford Univ Pr
作者:Buncel, E./ Stairs, R. A./ Wilson, H.
出品人:
页数:170
译者:
出版时间:2003-8
价格:$ 86.39
装帧:Pap
isbn号码:9780198511007
丛书系列:
图书标签:
  • Solvent effects
  • Chemical kinetics
  • Reaction mechanisms
  • Solvent polarity
  • Solvent properties
  • Chemical reactions
  • Physical chemistry
  • Organic chemistry
  • Solution chemistry
  • Reaction dynamics
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具体描述

"The Oxford Chemistry Masters" series is designed to provide clear and concise accounts of important topics - both established and emergent - that may be encountered by chemistry students as they progress from the senior undergraduate stage through postgraduate study to leadership in research. These masters assume little prior knowledge, other than the foundations provided by an undergraduate degree in chemistry, and lead the reader through to an appreciation of the state of the art in the topic whilst providing an entree to the original literature in the field. The role of the solvent in chemical reactions is one of immediate and daily concern to the practising chemist. Whether in the laboratory, or in industry, most reactions are carried out in the liquid phase. In the majority of these, one or two reacting components, or reagents, are dissolved in a suitable medium and the reaction is allowed to take place. Given the importance of solvent, the need for an in-depth understanding of this topic is obvious. However, many inorganic and organic chemistry texts only make passing references to solvents, or worse still, fail to mention that a given reaction takes place in a particular solvent at all. This book successfully addresses the gap in our understanding of solvent chemistry, and brings the role of the solvent rightly to the fore. The book begins with a summary of essential thermodynamic and kinetic facts, emphasizing aspects of these fields, where relevant, to reactions in solution. Chapter 2 introduces the reader to the role of the solvent purely as a medium, touching on early theories based on electrostatic considerations (Born and Kirkwood-Onsager) and the solubility parameter (Hildebrand). Chapter 3 discusses the role of solvent as an active participant, chiefly through hydrogen bonding, Bronsted-Lowry and Lewis acid-base interactions, including hard and soft acids and bases. The ability of solvents to serve as media for oxidation and reduction is also touched upon. There then follows a chapter on chemometrics; the application of statistical methods to chemical phenomena and spectra, chiefly linear free energy correlations and principal component analysis. A novel method for the presentation of data is also described. In chapter 5, methods of theoretical calculation are discussed. These include quantum-mechanical ab-initio and semiempirical methods, integral-equation theories, and methods based on statistical mechanics (Monte Carlo and molecular dynamics). Examples to illustrate these methods are detailed in the chapter. Chapters 6 and 7 look at a selection of particular classes of solvents including aprotic-dipolar, acidic, basic, room-temperature ionic, and chiral. The suitability of examples from each class of solvent for particular purposes is also discussed. The final chapter presents some concluding observations. Throughout the book, the authors use a semiquantitative and thermodynamically based approach, deliberately avoiding unnecessary detail or rigour, so that the discussions are accessible to both senior undergraduates and postgraduates. The text is also interspersed with helpful examples taken from both inorganic and organic chemistry.

深度探索催化、电化学与材料科学的前沿领域 导论:跨越传统界限的化学新篇章 本书聚焦于现代化学研究中几个至关重要且相互关联的前沿领域:先进催化剂的设计与机制解析、复杂电化学体系的界面行为调控,以及功能性纳米材料在能源转化中的应用。我们旨在提供一个全面而深入的视角,探讨如何通过精细的分子工程和先进的表征技术,来突破当前化学反应效率、选择性以及材料性能的瓶颈。全书内容围绕“调控”与“设计”两大核心理念展开,强调从基础科学原理到实际工程应用的无缝衔接。 第一部分:精准调控:先进催化系统的分子工程 本部分深入剖析了设计高活性、高选择性催化剂所依赖的最新策略和理论框架。内容侧重于超越传统固相催化的局限,探究新型催化环境对反应路径的深刻影响。 第一章:单原子催化(SACs):几何结构与电子态的协同效应 本章详细阐述了单原子催化剂的构建原理、稳定化策略及其独特的反应活性。讨论了如何通过精确控制配位环境(如氮化碳骨架、石墨烯边缘或金属氧化物载体)来调节中心金属原子的电子密度和几何构象。重点分析了密度泛函理论(DFT)计算如何指导我们预测和优化SACs在关键的能垒步骤中的表现,特别是在涉及多电子转移的氧化还原反应中。我们深入探讨了“量子尺寸效应”在单原子催化中的具体体现,以及如何通过引入表面缺陷或应力来进一步增强催化剂的固有活性。 第二章:仿生催化与分子机器:模拟自然界的高效转化 本节着眼于从生物系统中汲取灵感,设计模仿酶活性中心的合成催化剂。内容涵盖了模仿光合作用中水氧化复合物(WOCs)的人工催化剂的开发,以及如何利用多核金属配合物模拟生物体内的电子传递链。详细解析了如何通过构建精确的分子腔和引入手性环境,来实现对复杂有机合成中对映选择性的极致控制。本章特别关注了动态共价化学(DCC)在构建自修复、自适应催化系统中的应用潜力。 第三章:非均相催化剂的表面动力学与反应中间体捕获 超越对静态活性位点的描述,本章专注于理解催化反应过程中真实发生的动态过程。利用原位/准原位光谱技术(如同步辐射X射线吸收谱、拉曼光谱),实时监测反应温度和压力下活性位点的结构演变。详细讨论了反应中间体(如吸附物、表面物种)的寿命、迁移率及其对产物选择性的决定性影响。章节结尾提出了一种新型的“反应场工程”概念,即通过调控催化剂孔道结构或表面能梯度,引导反应路径向目标产物侧倾斜。 第二部分:界面革命:电化学储能与转化的前沿挑战 第二部分将焦点转移到电化学领域,重点关注在电极/电解质界面上发生的复杂物理化学过程,这对于高效的电池、燃料电池和电解制氢技术至关重要。 第四章:固态电解质与电极界面的稳定性研究 随着下一代固态电池(SSBs)的兴起,固/固界面问题成为核心瓶颈。本章详尽分析了锂金属、钠金属等高活性负极与陶瓷或聚合物固态电解质接触时形成的界面相(如SEI的固态对应物)。我们利用高分辨率透射电镜(HRTEM)结合能量色散X射线谱(EDS)对界面层进行微区分析,揭示了界面阻抗的来源,并提出了通过表面涂层或原位“缓冲层”技术来抑制界面反应和枝晶生长的策略。 第五章:电催化中的双电层结构与荷电效应 在电催化领域,本章探讨了电极表面双电层(EDL)的结构和能级对反应活性的调节作用。利用辛普森法和电化学阻抗谱(EIS)分析了不同电解质(水相、离子液体)中EDL的厚度和电荷分布差异。重点阐述了“荷电效应”(Charge Effect)——即通过改变施加的电势来调控吸附物电荷状态,从而改变反应的动力学常数,尤其是在氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO2RR)中的应用。 第六章:电解水制氢:低贵金属催化剂的性能极限与突破 本章集中于非贵金属催化剂在酸性与碱性电解水环境中的性能优化。针对析氢反应(HER)和析氧反应(OER),详细对比了过渡金属硫化物、磷化物以及氮化物在过电位、塔菲尔斜率和长期稳定性方面的表现。通过理论计算预测了理想的火山图(Volcano Plot)的边界,并探讨了如何通过“应变工程”或“缺陷工程”来打破现有材料的性能天花板,实现接近铂族金属的催化效率。 第三部分:功能材料的构筑与集成:从纳米尺度到宏观性能 第三部分关注如何将先进的化学原理转化为具有特定功能的宏观材料,特别是在能源捕获与储存方面。 第七章:金属有机框架(MOFs)的后合成修饰与功能化 本章深入探讨了如何对预先合成的MOFs骨架进行精确的化学修饰,以赋予其新的催化或分离功能。内容包括:将活性金属纳米粒子锚定到MOF的孔道内(“容器效应”),利用配体交换技术引入荧光探针或催化活性中心,以及通过光热或电化学方法激活MOFs骨架本身的反应潜力。特别关注了MOFs在气体分离(如甲烷/乙烷分离)和环境修复中的应用案例分析。 第八章:钙钛矿材料的光物理性质与稳定性挑战 本章聚焦于有机-无机杂化钙钛矿材料在光电器件(如太阳能电池和LED)中的应用。详细解析了其优异的光吸收特性、激子行为和载流子传输机制。重点讨论了影响钙钛矿器件长期稳定性的两大核心问题:水汽降解和离子迁移。提出了通过界面钝化、无机化骨架替换以及引入电荷传输层等策略来提升器件的效率和耐久性。 结语:面向可持续化学的系统集成 全书最后总结了上述三个前沿领域之间的交叉融合点,展望了未来化学研究的趋势:即从单一组分的优化转向多功能集成系统的设计。未来的突破将依赖于更精细的反应环境控制、更强大的原位表征手段,以及跨学科的理论指导,共同推动清洁能源技术和高效化学转化的实现。

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