应用化学教学课件

应用化学教学课件结构与前沿什么是应用化学应用化学是将化学理论、原理和方法应用于工业生产、医药研发、材料创新等实际领域的学科它强调化学知识的实际应用价值，致力于解决现实问题并创造经济效益应用化学的核心特点在于其跨学科性质，它将纯理论化学与工程学、医学、材料科学等多个领域紧密结合，形成了一个庞大而多元的知识体系世纪工业革命期间，随着染料、肥料等化学产品的大规模工业化生产，现代应用化学概念逐19渐形成并发展此后，应用化学的发展与人类社会进步紧密相连，成为推动现代文明发展的关键力量之一主要应用领域医药化学药物合成、制剂开发与分析•环境化学污染检测、治理与防控•能源化学电池技术、燃料优化、新能源材料•材料化学高分子材料、纳米材料、复合材料•应用化学的发展历史从古代炼金术到现代化学工业应用化学的历史可以追溯到古代的炼金术和早期的手工业生产然而，现代意义上的应用化学始于世纪，19当时化学工业开始蓬勃发展年，英国化学家威廉亨利珀金在尝试合成1856··William HenryPerkin奎宁的过程中意外合成了世界上第一种人工染料茜素紫，这一发现标志着现代有机化学工——mauveine业的诞生在中国，现代应用化学的系统性发展始于世纪年代随着国家工业化进程的推进，中国建立了自己的2050化学工业体系，并在农药、肥料、合成材料等领域取得了显著成就改革开放后，中国的应用化学研究与产业迅速发展，现已成为全球化学品生产和消费大国全球化学工业发展里程碑年首个合成染料问世，开创有机化学工业先河•1856年合成氨工业化，解决农业肥料问题•1909年代高分子材料兴起，塑料革命开始•1930年代中国系统建立化学工业体系•1950年代催化剂技术突破，提高化工效率•1970年代绿色化学理念兴起，可持续发展成为主流•2000化学基础理论回顾原子结构与元素周期表原子是化学反应的基本单位，由原子核（质子和中子）与电子组成元素周期表按原子序数排列，反映元素性质的周期性变化元素在周期表中的位置可预测其化学性质、成键特性和反应活性现代周期表包含种元素，其中种自然存在，其余为人工合11894成化学键类型与分子立体结构化学键是原子间形成稳定化合物的作用力主要类型包括离子键（电子完全转移，如）、共价键（电子共享，如₂）、配位键（电子对共享，如₄⁺）、金属NaCl H O NH键（金属中自由电子与正离子间的作用力）分子的立体结构（线型、平面三角形、四面体等）由化学键的种类、长度、角度决定，并直接影响物质的物理化学性质常见化学反应类型举例热力学与动力学基础化学热力学三大定律热力学第一定律（能量守恒定律）能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转变为另一种形式对于化学反应，这意味着反应前后的总能量保持不变热力学第二定律（熵增加定律）在自发过程中，孤立系统的熵总是增加的这解释了为什么某些反应会自发进行而其他反应则不会热力学第三定律当温度接近绝对零度时，完美晶体的熵趋近于零这为计算绝对熵提供了基础焓变、熵变与自由能焓变（）表示反应过程中放出或吸收的热量负值表示放热反应，正值表示吸热反应ΔH熵变（）表示系统无序度的变化正值表示无序度增加，负值表示无序度减少ΔS吉布斯自由能变化（）决定反应的自发性当时，反应自发进行；当时，反应不自发；当时，反ΔG=ΔH-TΔSΔG0ΔG0ΔG=0应处于平衡状态化学动力学基础速率方程与反应级数反应速率与反应物浓度的关系可表示为v=k[A]ᵃ[B]ᵇ，其中k为速率常数，a和b为反应级数总反应级数等于a+b化学平衡与平衡迁移质量作用定律原理工业应用与优化Le Chatelier对于可逆反应aA+bB⇌cC+dD，平衡常数Kc=[C]ᶜ[D]ᵈ/[A]ᵃ[B]ᵇKc值大小反映反应的进行程当平衡系统受到外界干扰（浓度、温度、压力变化）时，系统会自发向抵消这种干扰的方向移动，建立新工业生产中，常通过调控反应条件最大化产率1温度控制对于放热反应，降温有利于产物生成；对度Kc1表示反应几乎完全，Kc1表示反应几乎不发生气相反应还可用Kp表示，Kp=KcRT的平衡这一原理在工业生产中具有重要应用例如，在合成氨生产中，增加压力有利于生成氨气（N₂于吸热反应，升温有利于产物生成；2压力控制对于气体分子减少的反应，增压有利于产物生成；3ᐧᐩ⁻ʳ，其中Δn为气体物质的量系数变化+3H₂⇌2NH₃），这是因为反应向气体分子减少的方向移动浓度控制增加反应物浓度或移除产物可促进反应正向进行；4催化剂加速反应达到平衡，但不改变平衡位置溶液化学与胶体溶液浓度表示方法电解质与非电解质溶液在应用化学中，准确表达溶液浓度至关重要常用的浓度表示方法包括非电解质溶液（如蔗糖溶液）在溶解过程中不产生离子，不导电其性质遵循拉乌尔定律，冰点降低和沸点升高与溶质的摩尔浓度成正比质量分数溶质质量与溶液总质量之比，溶质溶液，单位通常为•w w=m/m%电解质溶液（如溶液）在溶解过程中产生离子，能导电强电解质（如、₂₄）在溶液中完全电离；弱摩尔浓度溶质的物质的量与溶液体积之比，溶质溶液，单位为NaCl NaClH SO•c c=n/V mol/L电解质（如₃）仅部分电离电解质溶液的依数性（即冰点降低和沸点升高偏离理想值）可通过范特霍夫因CH COOH物质的量分数溶质物质的量与溶液中所有组分物质的量之和的比值，溶质•x x=n/∑n子来描述i摩尔分数某组分的物质的量与混合物中所有组分物质的量之和的比值•x胶体系统及其应用•当量浓度cₑ溶质的当量数与溶液体积之比，cₑ=n溶质·z/V溶液，单位为eq/L浓度换算示例制备的溶液，需要称取固体多少克？500mL

0.1mol/L NaOHNaOH计算××m=c·V·M=

0.1mol/L

0.5L40g/mol=2g胶体是分散相粒子直径在范围内的分散系统，具有丁达尔效应、布朗运动等特性胶体稳定性由粒子表面1-1000nm电荷、溶剂化层决定在工业废水处理中，絮凝剂（如聚合氯化铝）通过中和胶体颗粒电荷，使其聚集形成更大的颗粒而沉降，实现水质净化这种技术在市政污水处理、造纸废水处理等领域广泛应用氧化还原与电化学氧化还原反应配平氧化还原反应是电子转移的过程，其配平方法主要有两种氧化数法确定元素的氧化数变化，建立得失电子平衡

1.例如₄₂₄₄₄₂₄₃₂₄₂KMnO+H SO+FeSO→MnSO+Fe SO+K SO+H O的氧化数从变为，每个得到个电子；的氧化数从变为，每个失去个电子Mn+7+2Mn5Fe+2+3Fe1为平衡得失电子数，需要个与个反应，最终配平方程式为5Fe1Mn₄₂₄₄₄₂₄₃₂₄₂2KMnO+8H SO+10FeSO→2MnSO+5Fe SO+K SO+8H O离子电子法将反应拆分为氧化半反应和还原半反应，分别配平后合并

2.标准电极电势与方程Nernst标准电极电势°表示在标准状态下，某电极对标准氢电极的电位差°值越大，物质的氧化性越强；°值越小，EE E物质的还原性越强常用标准电极电势°⁺，°⁺⁺，°⁺E Cu²/Cu=+

0.34V EFe³/Fe²=+

0.77V EZn²/Zn=-

0.76V方程描述非标准状态下的电极电势°Nernst E=E-RT/nFlnQ其中，为气体常数，为绝对温度，为转移电子数，为法拉第常数，为反应商R Tn FQ电池原理与实际应用电池是将化学能转化为电能的装置根据是否可充电，分为原电池和二次电池锂离子电池是目前最常用的二次电池，广泛应用于手机、笔记本电脑和电动汽车其工作原理基于锂离子在正负极之间的嵌入和脱嵌正极材料通常为₂、₄等，负极多为石墨LiCoO LiFePO燃料电池是一种连续供应燃料的电池，如氢氧燃料电池阳极₂⁺⁻；阴极₂⁺H→2H+2e½O+2H+⁻₂其优点是能量转换效率高、污染少，已开始应用于氢能源汽车和分布式发电系统2e→H O无机与有机分析基础重量分析与滴定分析现代仪器分析方法重量分析Gravimetric Analysis是通过测定已知化学成分的沉淀重量来确定样品中待测组分含量的方法其关键步骤包括沉淀形成、过滤、洗涤、干燥/灼烧和称量典型应用如硫酸根的测定加入氯化钡使硫酸根形成硫酸钡沉淀，经灼烧后称重计算硫含量滴定分析是利用已知浓度的标准溶液（滴定剂）与待测物质反应，通过测定反应终点时滴定剂的用量来确定被测物质含量的方法常见类型包括•酸碱滴定基于酸碱中和反应，如NaOH标准溶液滴定醋酸•氧化还原滴定基于氧化还原反应，如高锰酸钾滴定Fe²⁺•络合滴定基于络合反应，如EDTA滴定Ca²⁺、Mg²⁺•沉淀滴定基于沉淀反应，如硝酸银滴定氯离子物理化学基础实验与自动化典型实验仪器及其原理实验自动化与高通量技术•pH计基于玻璃电极对H⁺的选择性响应，测量溶液的pH值由指示电极（玻璃电极）和参比电极组成，测量它们之间的电位差，通过Nernst方程换算为pH值现代pH计已实现数字化显示、自动温度补偿和自动校准•电导率仪基于溶液导电能力与离子浓度的关系，测量溶液的电导率由交流电源、电导电极和测量电路组成广泛应用于水质分析、电解质浓度测定和纯水系统监控•红外光谱仪利用分子对红外光的特征吸收，鉴定有机物结构傅里叶变换红外光谱仪FTIR通过干涉仪和傅里叶变换算法，提供高分辨率、高信噪比的光谱图，是有机物分析的重要工具•紫外-可见分光光度计基于物质对特定波长紫外或可见光的吸收，定性定量分析化合物按比尔-朗伯定律，吸光度与浓度成正比，可通过标准曲线法测定未知浓度有机化学合成与机理分析亲电反应亲核反应亲电反应是由缺电子的试剂（亲电试剂）进攻富电子的亲核反应由富电子的试剂（亲核试剂）进攻缺电子的底底物引发的反应典型亲电反应包括物引发常见亲核反应包括•芳香亲电取代如硝化（HNO₃/H₂SO₄）、卤•取代反应SN1（单分子亲核取代）和SN2（双分化（₂₃）、磺化（₃₂₄）子亲核取代）Cl/FeCl SO/H SO•烯烃亲电加成如氢卤化（HBr加成）、水合•加成反应如醛酮的亲核加成（形成醇、腙等）（H₂SO₄催化）•消除反应如E

1、E2反应（脱去卤化氢形成烯烃）反应机理通常涉及π电子与亲电试剂形成σ键，过程中可亲核试剂包括OH⁻、CN⁻、NH₃、RO⁻等，其亲能形成碳正离子中间体核性强弱影响反应速率绿色化学原则自由基反应现代有机合成强调绿色化学原则，包括自由基反应涉及不成对电子的中间体反应通常分为三原子经济性设计反应使大部分原料原子进入最终•个阶段产品•减少有害试剂使用环境友好的溶剂和催化剂•引发形成自由基，如热分解、光解或引发剂•能源效率室温反应、高效催化，减少能耗•传播自由基与分子反应生成新自由基•实时监测避免副产品和污染物生成•终止自由基相互结合消除例如，汽巴霍夫曼靛蓝染料合成由传统多步骤改进为典型应用包括聚合反应（如聚乙烯生产）和卤代烷烃的—一锅法合成，原子利用率从不到提高到以上，合成20%85%大幅减少废物产生无机化合物的合成与应用工业重要无机化合物的合成无机材料的创新应用硫酸₂₄是工业中最重要的无机化合物之一，年产量超过亿吨，被称为工业之血现代硫酸生产采用接触法，主要包括以H SO2下步骤原料硫或硫化矿的燃烧₂₂

1.S+O→SO二氧化硫催化氧化₂₂⇌₃₂₅催化剂

2.2SO+O2SO V O三氧化硫吸收₃₂₄₂₂₇发烟硫酸

3.SO+H SO→H SO浓缩₂₂₇₂₂₄

4.H SO+HO→2H SO在工业生产中，反应条件的控制至关重要第二步₂氧化反应为放热反应，需控制温度在°，压力为个大气压，SO400-450C1-2使用₂₅₂₄催化剂，转化率可达以上VO-K SO98%氨₃是另一种重要的无机化合物，主要通过哈柏法合成NH₂₂⇌₃N+3H2NHΔH=-

92.4kJ/mol反应条件温度°，压力个大气压，基催化剂根据勒沙特列原理，该反应为放热反应，降低温度有利于400-500C150-300Fe氨的生成；同时，反应导致气体体积减小，增加压力有利于氨的生成实际生产中通过工艺优化，单程转化率可达15-20%无机盐在新材料领域的应用不断拓展，突破了传统认知磷酸铁锂₄作为锂离子电池正极材料，具有高安全性、长循环寿命和环保特性，广泛应用于电动汽车和储能系统•LiFePO中国已成为全球最大的磷酸铁锂生产国，年产能超过万吨50二氧化钛₂除传统的颜料应用外，纳米₂因其光催化性能被用于自清洁涂料、空气净化器和水处理研究表明，掺•TiOTiO杂元素的₂可在可见光下活化，大幅提高光催化效率N TiO氧化锌纳米具有优异的紫外线吸收能力和抗菌性能，被用于防晒霜、抗菌纺织品和透明导电薄膜•ZnO ZnO钙钛矿结构材料如₃₃₃，在太阳能电池领域实现了效率突破，实验室效率已超过，接近传统硅电池•CH NHPbI25%沸石分子筛精确的孔道结构使其成为理想的选择性吸附剂和催化剂，在石油炼制、天然气净化和环境治理中发挥重要作用•这些创新应用展示了无机化学在解决能源、环境和材料领域关键问题中的重要价值，也为应用化学专业学生提供了广阔的研究和就业方向应用化学实验课程简介必修实验门类应用化学专业的实验课程体系包括基础实验和专业实验两大类基础化学实验无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验、物理化学实验•专业实验仪器分析实验、化工原理实验、工业分析、合成化学实验、专业综合实验•学生需完成至少学时的实验课程，掌握各类实验技能和仪器操作，为将来的科研和工作打下坚实基础400安全与规范零事故实验室标准是应用化学实验的首要原则，包括个人防护正确佩戴实验服、护目镜、手套等防护装备•化学品管理严格执行危险化学品分类存储、标识和使用规范•废弃物处理按照有机、无机、重金属等分类收集处理•应急预案掌握火灾、化学品泄漏等紧急情况的应对措施•实验室安全培训是必修课程，所有学生必须通过安全考核才能进入实验室实验室管理与数据规范现代实验室管理强调数字化和标准化实验室信息管理系统实现仪器预约、样品追踪、数据存储•LIMS电子实验记录替代传统纸质记录，便于数据共享和查询•ELN质量管理体系按标准建立质量控制流程•ISO/IEC17025数据完整性确保实验数据的准确性、可追溯性和安全性•这些规范不仅是学术研究的需要，也是培养学生适应现代工业和研发环境的重要训练仪器分析实验基础光谱分析技术原理仪器参数与误差控制红外光谱IR基于分子中化学键对红外辐射的吸收当红外辐射的频率与分子振动频率相匹配时，能量被吸收，分子从基态跃迁到激发态不同官能团有特征吸收峰，如O-H3200-3600cm⁻¹，C=O1650-1800cm⁻¹，C-H2800-3000cm⁻¹现代傅里叶变换红外光谱FTIR通过干涉仪和傅里叶变换算法，大大提高了分析速度和灵敏度紫外-可见光谱UV-Vis基于分子中电子从低能级跃迁到高能级时对紫外或可见光的吸收共轭体系越大，最大吸收波长越长遵循比尔-朗伯定律A=εbc A为吸光度，ε为摩尔吸光系数，b为光程，c为浓度常用于有机化合物的定性定量分析，如药物纯度测定、染料浓度测定等核磁共振NMR基于原子核在外加磁场中的能级分裂和射频辐射引起的能级跃迁¹H-NMR提供氢原子环境信息，¹³C-NMR提供碳骨架信息化学位移δ、耦合常数J和峰面积积分是解析谱图的关键参数现代二维NMR技术如COSY、HSQC可揭示更复杂的分子结构信息NMR是有机化合物结构鉴定的最强大工具之一仪器分析中，正确设置参数并控制误差至关重要•红外光谱分辨率通常1-4cm⁻¹、扫描次数16-64次、光程、采样技术ATR/KBr压片•紫外-可见光谱波长范围、扫描速度、狭缝宽度、基线校正、溶剂选择•核磁共振磁场强度300-600MHz、脉冲序列、采样时间、弛豫延迟、温度控制误差来源包括仪器因素波长准确度、基线漂移、样品因素浓度、均匀性、操作因素参数设置、样品制备良好的质量控制措施包括仪器定期校准、使用标准样品验证、严格的样品前处理规程实用案例饮用水自动监测现代水质监测系统结合多种分析技术实现全自动化•重金属监测阳极溶出伏安法，检出限可达ppb级实验数据处理与误差分析1误差分类与来源实验误差按性质可分为两类系统误差具有确定的大小和方向，包括仪器误差（如天平不准）、方法误差（如测定方法本身缺陷）、个人误差（如视差）系统误差可通过校准、改进方法或采用替代技术来减小或消除偶然误差大小和方向随机变化，由不可控因素引起，如环境波动、读数不确定性等偶然误差无法完全消除，但可通过增加测量次数并统计处理来减小其影响误差分析是实验数据评价的重要手段，帮助判断结果可靠性并指导实验改进2统计方法处理实验数据常用统计方法包括平均值与标准偏差x̄=∑xi/n，s=√[∑xi-x̄²/n-1]，用于评估数据的集中趋势和离散程度检验用于判断可疑数据是否为离群值，可疑最近，其中为全部数据的极差Q Q=|x-x|/R Rt检验用于比较实验值与真值的差异是否显著，t=|x̄-μ|/s/√n，其中μ为真值线性回归，通过最小二乘法确定和，以及相关系数评估线性关系强弱在标准曲线法中广泛应用y=ax+b ab r现代数据处理软件（如、）可快速完成这些计算并生成直观图表Origin SPSS3质量控制与质量保证是确保分析结果可靠性的系统性方法QC/QA质量控制包括空白试验、标准品测定、平行样测定、加标回收试验、质控样分析等，用于监控分析过程的稳定性QC质量保证建立标准操作程序、人员培训、实验室间比对、能力验证等，确保整个分析体系的可靠性QA SOP案例某制药企业通过实施系统的措施，将产品分析合格率从提升至，大幅降低了因质量问题导致的QC/QA92%

99.8%退货率和经济损失关键改进包括建立完整的体系、引入内部质控样、优化方法验证流程、定期人员培训和考核等SOP食品分析与安全检验农药残留检测技术营养成分分析技术农药残留是食品安全的重要风险因素现代检测技术以气相色谱-质谱联用GC-MS为主，流程包括

1.样品前处理采用QuEChERS快速、简便、经济、有效、稳健、安全方法，包括乙腈提取、盐析分离、分散固相净化等步骤

2.仪器分析GC-MS系统通常采用选择离子监测SIM模式，同时监测多种农药的特征碎片离子

3.定量分析内标法或外标法建立标准曲线，定量计算农残含量实际案例对市售蔬菜样品进行多农残筛查，设置170多种农药的MRM离子对，单次进样可同时检测98%的常见农药，检出限可达

0.01mg/kg10ppb，远低于国家标准限量值样品前处理时间缩短至30分钟，大大提高了检测效率常见食品危害物分析方法黄曲霉素最强致癌性真菌毒素，广泛存在于谷物、坚果中检测方法包括免疫亲和柱纯化+高效液相色谱-荧光检测器HPLC-FLD，或液相色谱-串联质谱LC-MS/MS国家标准限量为B1型不超过5μg/kg三聚氰胺非法添加物，可导致肾结石检测采用液相色谱-串联质谱，婴幼儿食品中限量为1mg/kg工业分析与质量控制

99.8%85%100%钢材质量控制目标水泥生产自动化程度塑料全检跟踪率现代钢铁企业通过精确分析控制，实现超高的产品合格率高品质钢材分析包括主要元素C、Si、Mn、P、水泥化学分析关注氧化物含量CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等，传统湿法分析已被X射线荧光光谱高分子材料分析关注分子量分布GPC、热性能DSC/TGA和机械性能现代塑料工厂采用近红外光谱和S采用直读光谱仪测定，精度可达

0.001%；微量元素Nb、V、Ti等采用ICP-OES/MS测定；气体元素XRF取代，分析时间从2小时缩短至5分钟现代水泥厂采用闭环控制系统，根据实时分析结果自动调整配拉曼光谱实现在线监测，每批产品都有唯一指纹谱图，建立完整质量追溯体系某汽车零部件供应商采用H、O、N采用惰性气体熔融-红外/热导检测料比例，确保水泥性能稳定这一技术，实现了原材料-生产-产品全流程监控在线监测系统提升产线效率污染物限值与国家标准工业生产中，在线分析系统已成为提高效率和质量的关键技术与传统实验室分析相比，在线分析具有实时性、连续性和自动化等优势典型系统包括•过程气相色谱Process GC实时监测炼油厂、化工厂的气体组分•在线X射线分析仪矿物加工中监测元素含量•在线粘度计实时监测聚合反应进程•在线近红外光谱监测农产品水分、蛋白质等含量某石化企业通过在线分析系统改造，节能降耗效果显著产品质量波动减少80%，能耗降低12%，年经济效益提升超过3000万元环境检测与污染治理环境样品采集规范环境样品采集是环境分析的第一步，也是最关键的步骤之一，不当的采样可能导致整个分析结果失效大气样品采用大气采样器，包括、、采样头，流量，采样小时气态污染物₂、采用吸收液吸收或吸附管富集采样点应远离障TSP PM10PM

2.515-100L/min24SO NOx碍物，高度通常为地面米

1.5-3水体样品采用专用采水器，避免表面浮油和底部沉积物现场测定不稳定指标、溶解氧、电导率，添加适当保存剂如重金属加₃至，低温保存并小时内送检pHHNO pH224土壤样品采用不锈钢采样器，通常采集表层土按网格或梅花形布点，多点采集混合形成代表性样品风干、筛分处理后密封保存0-20cm自动监测技术与应用现代环境监测已从传统的人工采样分析转向自动化、智能化监测重金属自动监测采用阳极溶出伏安法或射线荧光法，实现水中、、等重金属的在线监测，检出限可达级X PbCd Hgμg/L农药残留监测基于免疫传感器或生物酶抑制原理，实现农药快速筛查，响应时间小于分钟10自动监测射线吸收法或振荡天平法实时监测浓度，数据每小时更新并联网发布全国已建成近个国控空气质量自动监测站PM

2.5βPM

2.52000自动监测系统与大数据、云计算、物联网技术融合，形成环境质量实时一张图，为污染溯源和治理决策提供支持北京奥运空气治理案例年北京奥运会空气质量保障是环境治理的经典案例2008治理措施关停或搬迁高污染企业多家；实施机动车单双号限行；提前实施国排放标准；增加天然气等清洁能源比例；加强城市绿化和道路洒水200IV监测体系建立个自动监测站点和个移动监测车，实时监控₂、₂、、、₃等指标采用卫星遥感、等先进技术，构建立体监测网络274SO NOPM10CO OLIDAR成效分析奥运会期间，北京空气质量优良天数比例达以上，平均浓度比上年同期下降，₂下降，₂下降这一成功经验为后续大型活动空气质量90%PM1045%NO43%SO47%保障提供了示范石油化学与炼制工程原油分馏技术原理催化工艺与精制技术原油是复杂的烃类混合物，含有从轻质气体到重质沥青的各种组分分馏是石油加工的第一步，基于不同组分沸点差异进行物理分离常压蒸馏塔CDU处理原油的主要流程

1.原油预热通过换热器网络将原油从常温加热至230-280°C

2.闪蒸在加热炉中进一步加热至350-370°C，进入塔底

3.分馏在塔内，轻组分上升，重组分下降，在不同高度抽出不同产品典型产品及其沸点范围•石油气20°C，主要是C1-C4烃•直馏汽油20-180°C，C5-C12烃•煤油180-240°C，C12-C15烃•柴油240-350°C，C15-C22烃•重油350°C，需进一步减压蒸馏处理现代分馏塔采用计算机控制，实时优化操作参数，提高产品收率和质量先进技术如结构化填料、高效分布器可提高分离效率，减少能耗催化裂化FCC将重质油转化为高辛烷值汽油和轻质烯烃的关键工艺反应在流化床反应器中进行，温度约500°C，催化剂为Y型分子筛反应机理为碳正离子链式反应，包括链引发、断链、异构化、芳构化等步骤现代FCC装置产能可达每天处理10000吨以上原料油，汽油收率达50%以上新材料化学有机无机杂化材料碳基纳米材料航空航天材料-金属有机骨架材料是由金属离子或簇与有机配体通石墨烯是由杂化碳原子组成的单原子层二维材料，具有高温合金是能在°以上高温环境下长期工作的特种合MOFs sp²600C过配位键连接形成的多孔晶体材料其特点是比表面积极超高的电子迁移率、优异的导热性金，主要成分为镍、钴、铁等，含有铬、钛、铝等合金元~200000cm²/V·s大可达、孔径可调、结构高和力学性能杨氏模量制备方素通过精确控制化学成分和热处理工艺，实现相10000m²/g

0.3-10nm~5000W/m·K~1TPaγ度有序合成方法包括溶剂热法、微波辅助法和机械化学法包括机械剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法₃的析出强化，提高高温强度和抗氧化性高温合金CVD NiAl法等等广泛应用于航空发动机涡轮叶片、燃烧室等关键部件材料在气体存储如₂、₄、分离如₂捕量子点是纳米尺度通常的半导体颗粒，具有量碳纤维增强复合材料由碳纤维和树脂基体组成，具MOFsH CHCO1-10nm CFRP获、催化和药物递送等领域具有广阔应用前景如子限域效应，可通过调节尺寸改变其光学和电学性质碳有高比强度、高比模量和良好的抗疲劳性能化学方面的MOF-用于氢气储存，用于₂₄分离，量子点具有低毒性、高稳定性和易功能化等优势，在生物关键是界面处理技术，通过等离子处理、化学氧化等方法5ZIF-8CO/CH HKUST-用于催化有机反应某新能源公司已将应用于车载成像、光电器件和传感器等领域应用广泛如某医疗器械改善纤维表面，增强纤维树脂界面结合力现代大型客机1MOFs-天然气储存系统，储气量比传统压缩气罐提高公司已将碳量子点用于肿瘤实时成像技术，提高了手术精如机身结构中用量已达以上，大幅减轻30%C919CFRP30%确度了飞机重量，提高了燃油效率电化学能源与储能技术二次电池类型对比化学储能系统效率与应用265Wh/kg锂离子电池能量密度锂离子电池是目前商业化最成功的二次电池，具有能量密度高、循环寿命长1000次、自放电率低3%/月等优点典型正极材料包括LiCoO₂、LiFePO₄、LiNiₓMnᵧCoᵣO₂NMC等，负极主要为石墨或硅碳复合材料电解质为有机溶剂如EC/DMC中溶解LiPF₆等锂盐160Wh/kg钠离子电池能量密度钠离子电池是锂离子电池的替代技术，原理相似但成本更低钠资源丰富地壳含量

2.3%，锂仅

0.0017%，适合大规模储能应用正极材料包括层状氧化物NaₓCoO₂、聚阴离子化合物Na₃V₂PO₄₃等，负极多为硬碳材料目前能量密度和循环寿命略低于锂电池，但发展迅速60%不同储能技术的效率和适用场景燃料电池系统效率•锂离子电池储能系统充放电效率90-95%，响应时间毫秒级，适合削峰填谷、频率调节等应用已建成全球最大单体电站澳大利亚Hornsdale，燃料电池是一种将燃料化学能直接转化为电能的装置，能量转换效率高40-60%，且只产生水和热量，环境友好质子交换膜燃料电池PEMFC是最成熟的类100MW/129MWh型，关键材料包括Pt基催化剂、全氟磺酸质子交换膜和气体扩散层目前已应用于燃料电池汽车，续航里程可达600-700km•液流电池充放电效率75-85%，能量容量和功率独立设计，适合长时间4-8小时储能代表性系统为全钒液流电池，已建成MW级示范电站生物医药领域的应用药物合成自动化工艺体外诊断试剂分析生物大分子分离与纯化现代药物合成已从传统的批次操作转向连续流动工艺和自动化体外诊断是现代医疗的重要组成部分，约的医疗决生物大分子蛋白质、核酸等的分离纯化是生物制药的关键工IVD70%平台连续流动反应具有传热效率高、反应条件精确控制、安策依赖诊断结果从化学角度看，试剂可分为艺主要技术包括IVD全性好等优势，特别适合放热反应、危险反应和快速反应生化试剂基于酶促反应、化学反应等，如葡萄糖氧化酶色谱分离包括离子交换、疏水作用、分子排阻、亲和色••自动化合成平台通常包含进料系统、反应模块、分离纯化模法测血糖谱等块、分析模块和控制系统利用机器学习算法优化反应条件，免疫试剂基于抗原抗体特异性结合，如技术检膜分离超滤、微滤、纳滤、反渗透等•-ELISA•可大幅提高效率和收率如某制药企业的平台能在小APIX24测肿瘤标志物沉淀分离盐析、等电点沉淀、有机溶剂沉淀等•时内合成并纯化上百个候选化合物，加速了药物筛选过程分子诊断试剂基于核酸扩增和检测，如检测病毒•PCR单克隆抗体是重要的生物药物，其纯化通常采用蛋白亲和层A化学合成中的绿色工艺创新无溶剂反应、水相反应、可回收新冠病毒抗原检测试剂是胶体金免疫层析技术的典型应用抗析离子交换层析病毒灭活去除超滤浓缩的工艺流程++/+/催化剂、生物催化等技术减少了废物产生和能源消耗，如酶催原与标记的抗体结合形成复合物，被固定在膜上的另一抗体捕关键参数包括、离子强度、温度等，需精确控制以保证产pH化合成阿托伐他汀，反应步骤减少，废物减少50%80%获，显示为有色线关键材料包括单克隆抗体、胶体金纳米粒品质量随着技术进步，纯化收率已从提高到以上，70%95%子和硝酸纤维素膜大幅降低了生产成本化学工程与过程设计反应装置设计原理过程模拟与优化化工生产中，反应器是实现化学反应的核心设备，根据操作方式可分为连续反应器和间歇反应器连续搅拌釜反应器特点是反应物连续进入，产物连续流出，釜内组成均匀适用于液相反应、放热反应和催化反应基本设CSTR计方程₀，其中为反应器体积，₀为组分进料速率，为转化率，为反应速率V=FA·XA/-rA VFA AXA rA管式反应器特点是流体沿轴向推进，无回混，不同位置组成不同适用于气相反应和快速反应基本设计方程PFR V=₀，从到积分FA·∫dXA/-rA0XA间歇反应器一次投料，反应一定时间后一次出料适用于小批量生产、多品种生产和反应时间长的工艺基本设计方程BR t=₀，从到积分CA·∫dXA/-rA0XA实际工程中，反应器设计需考虑物料衡算、能量衡算、传递现象传热、传质和安全因素等多方面例如，强放热反应需设计高效冷却系统；气固催化反应需考虑扩散限制；腐蚀性介质需选择特殊材质现代化工过程设计广泛采用计算机辅助工具，如、、等流程模拟软件这些工具基于热力学模型和单元操Aspen PlusPRO/II HYSYS作模型，可模拟整个工艺流程的物质和能量流动有限元分析是评估设备机械完整性和安全性的重要工具通过建立设备几何模型，施加边界条件和载荷，可计算应力分布、温FEA度场和变形等这有助于识别潜在的安全隐患，提高设计可靠性例如，某化工企业利用优化了高压反应器的壁厚和支撑结构，FEA在保证安全的前提下减轻了设备重量，节约了的材料成本30%流程工业优化案例某化肥厂合成氨装置的优化改造是流程工业优化的典型案例能量集成通过过程集成技术，优化了热交换网络，增加热回收，蒸汽消耗减少15%催化剂升级将传统铁基催化剂更换为钌基催化剂，反应温度降低°，压力降低，转化率提高50C5MPa10%过程控制优化实施先进过程控制，建立动态模型，实现关键参数的预测控制，产品质量波动减小APC50%设备可靠性提升引入状态监测和预测性维护，设备故障率降低，年运行时间增加天40%15通过这些综合优化措施，该装置产能提高，能耗降低，年经济效益增加万元，同时减少了碳排放和污染物排放20%18%5000智能化与绿色化学新趋势工业碳中和化学途径化学工业是碳排放大户，占全球₂排放的约实现碳中和的主要化学途CO7%径包括₂捕获与利用胺吸收法、膜分离法捕获₂；通过催化加氢转化为•CO CO甲醇、甲酸等化学品某石化企业已建成万吨年₂制甲醇装置10/CO氢能与可再生能源电解水制氢、光催化分解水制氢技术；燃料电池发电•系统日本已建成兆瓦级可再生能源制氢示范项目绿色溶剂与可降解材料•生物质利用秸秆、林业废弃物等通过热化学或生物转化生产燃料和化学品巴西已实现生物乙醇大规模商业化传统有机溶剂通常具有挥发性、毒性和环境持久性，绿色化学研究开发更安全、工业过程重构如钢铁工业氢气还原替代传统高炉；水泥工业采用替代燃环保的替代品•料和原料离子液体由有机阳离子和无机有机阴离子组成，蒸气压极低，可多次•/通过这些技术路径组合，化学工业有望在年前实现碳中和某大型化工企回收利用如丁基甲基咪唑四氟硼酸盐₄已用于20601--3-[BMIM][BF]业已制定碳中和路线图，计划到年碳排放比年减少，药物合成2030202040%2050年实现碳中和超临界₂临界点°和，溶解能力可通过压力调节，•CO

31.1C

7.38MPa无毒无残留广泛应用于咖啡脱咖啡因、天然产物提取等领域与智能实验室AI生物基溶剂如乙酰丙酸乙酯源自玉米，可替代传统石化溶剂，已•EL人工智能技术正深刻改变化学研究方式在涂料行业应用材料发现机器学习模型预测新材料性能，大幅缩短研发周期已利•IBM生物可降解塑料如聚乳酸、聚羟基烷酸酯正逐步替代传统塑料PLA PHA用筛选上万种分子，发现多种高效有机发光材料AI通过乳酸聚合制备，在特定条件下可完全降解为₂和水某食品包装企PLA CO反应预测深度学习算法预测有机反应产物和收率，准确率超过麻业采用替代聚苯乙烯，产品在工业堆肥条件下个月内完全降解•90%PLA3省理工学院研发的系统可自动规划多步合成路线ASKCOS自动化合成机器人系统执行实验，算法实时优化条件英国利物浦大•AI学开发的化学家机器人每天可完成上千次反应实验数据分析识别谱图特征，从海量实验数据中挖掘规律某分析仪器公•AI司开发的平台可自动解析复杂核磁共振谱图，准确率高达AI98%智能工厂整合物联网、大数据和技术，实现全流程数字化管理如某精细化工AI企业的智能工厂通过数字孪生技术，建立虚拟工厂模型，实现生产过程实时优化，产能提高，能耗降低，安全事故率降至零25%18%应用化学典型案例空气污染治理1氮氧化物催化还原技术机动车排放控制成效氮氧化物NOx是形成酸雨、光化学烟雾和PM

2.5的重要前体物选择性催化还原SCR技术是控制NOx排放的主要技术，原理是在催化剂存在下，氨气NH₃与NOx反应生成氮气和水4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O传统SCR催化剂主要是V₂O₅-WO₃/TiO₂，工作温度为300-400°C近年来，低温SCR催化剂取得重要突破，如锰基催化剂MnOx/TiO₂和铜基分子筛催化剂Cu-SSZ-13可在150-250°C工作，适用于低温烟气处理应用案例某燃煤电厂改造前NOx排放浓度为800mg/m³，安装SCR系统后降至30mg/m³以下，脱除效率超过96%，远低于国家排放标准100mg/m³系统采用高效蜂窝状催化剂，使用寿命达3年以上，氨逃逸控制在3ppm以下应用化学典型案例新能源开发2光伏电池材料创新电解水制氢技术进展国家能源转型进展光伏技术是目前发展最快的可再生能源技术之一传统晶体硅太阳氢能是清洁能源系统的重要组成部分，电解水是生产绿氢的主要技中国正经历能源结构深刻转型，化学技术在多个环节发挥关键作用能电池已进入成熟期，转换效率达，成本持续下降近年术主要电解水技术路线包括22-24%来，新型光伏材料取得重要突破碱性电解水成熟技术，电解质为溶液，系统效率清洁煤技术超低排放燃煤电厂技术链中，脱硫石灰石石膏•KOH70-•-钙钛矿太阳能电池基于₃结构的有机无机杂化材料如，设备成本低，但能耗较高法、脱硝和除尘电袋复合等化学工艺使排放物降至天•ABX-80%SCR₃₃₃，实验室效率已达，接近单晶硅电池然气电厂水平CH NHPbI

25.7%质子交换膜电解水使用固体聚合物电解质，响应快，•PEM优势在于溶液法低温制备、材料成本低、光吸收系数高目前适合波动电源，效率，但催化剂需贵金属、，储能技术抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能等共同支撑75-85%Pt Ir•主要挑战是稳定性和含铅问题，研究方向包括组分工程部分替成本高高比例可再生能源并网截至年，中国累计储能装机容2023代和封装技术Pb量超过固体氧化物电解池高温°运行，电解50GW•SOEC700-900C钙钛矿硅叠层电池结合钙钛矿宽带隙和硅窄带隙的优势，•/效率可达以上，但材料要求苛刻，寿命短生物质能源秸秆等生物质通过热解气化、液化和厌氧发酵等90%•理论效率可超过，目前已实现的认证效率40%

29.8%化学过程转化为热能、电能和燃料电解水制氢成本从年的约美元降至年的美201010/kg20234-6某国家重点实验室开发的钙钛矿组件在实际环境中运行一年，效率元随着可再生能源成本下降和电解槽规模化，预计年可年，中国可再生能源发电装机容量首次超过煤电，达到/kg

2030202312.5仅下降，远好于早期产品，显示出产业化潜力10%降至美元以下，届时将与化石燃料制氢具有竞争力亿千瓦，占总装机的新能源汽车销量达到万辆，连续2/kg

47.3%960年全球第一这些成就离不开化学科技的支撑，应用化学在能源转9型中的作用日益突出行业就业与发展趋势应用化学就业领域变化行业薪资与就业去向应用化学专业毕业生的就业领域正经历结构性变化传统的化工、石化行业仍是重要去向，但新兴领域的需求快速增长•新能源材料锂电池、太阳能电池、氢能等领域对化学人才需求旺盛如宁德时代、比亚迪等企业成为重要雇主•环保产业随着双碳目标推进，环境监测、污染治理、碳捕获等领域的人才缺口大•医药健康创新药研发、生物医药、精准医疗等领域需要大量化学专业人才•电子化学品集成电路、显示面板等高端制造业对超纯试剂、光刻胶等专用化学品需求激增•人工智能+化学将AI技术应用于材料设计、药物发现等领域成为新趋势职业角色也在多元化，除了传统的研发、生产、质检岗位外，技术营销、知识产权、数据分析等复合型岗位增多跨学科背景的人才更受欢迎，特别是化学+计算机、化学+生物等组合28%传统化工企业包括石油化工、基础化工、精细化工等领域平均年薪12-18万元岗位包括工艺工程师、研发工程师、质量工程师等代表企业中石化、巴斯夫、陶氏化学等教学与学习资源汇总推荐教材与期刊核心教材•《无机化学》（第五版）北京大学出版社，武汉大学无机化学教研室编•《有机化学》（第六版）高等教育出版社，胡宏纹主编•《分析化学》（第六版）高等教育出版社，武汉大学主编•《物理化学》（第五版）高等教育出版社，傅献彩等编•《仪器分析》（第四版）高等教育出版社，朱明华等编权威期刊•国际期刊《Journal ofthe AmericanChemical Society》、《Angewandte Chemie》、《Chemical Reviews》•国内期刊《中国科学化学》、《化学学报》、《高等学校化学学报》网络资源与公开课主要教学网站•中国大学MOOC提供无机化学、有机化学等多门精品课程•学堂在线北京大学、清华大学等多所高校的化学课程•Coursera麻省理工、斯坦福等国际名校化学课程•Khan Academy基础化学概念讲解视频推荐公开课•麻省理工学院

5.111x《化学原理》，Eric Anslyn教授•哈佛大学CS50《计算化学导论》，适合跨学科学习•北京大学《药物化学》，郑健教授•南京大学《固体表面物理化学》，徐春教授数据库与专业工具化学数据库•SciFinder最全面的化学文献和物质信息数据库•Reaxys化学反应和物质性质数据库•NIST化学数据库标准参考数据•PubChem开放获取的化学物质信息数据库专业软件工具•ChemDraw化学结构绘制软件•Gaussian/VASP量子化学计算软件•Origin科学绘图和数据分析•Aspen Plus化工流程模拟软件•Schrödinger药物设计与分子模拟大多数高校图书馆都购买了这些资源的访问权限，学生可通过校园网免费使用未来展望与挑战多学科交叉合作趋势双碳目标下的化学创新应用化学正迅速发展成为一个高度跨学科的领域，其未来发展将越来越依赖多学科交叉合作化学+生物学生物医药、合成生物学、生物催化等领域正在蓬勃发展例如，CRISPR基因编辑技术与化学修饰结合，可精确调控基因表达；酶工程与化学催化相结合，创造人工酶，实现高选择性转化化学+材料科学纳米材料、智能材料、仿生材料等前沿领域需要化学与材料学深度融合如超分子自组装技术制备的仿生膜材料，已应用于高效分离和能源转换化学+信息科学人工智能、大数据、量子计算等信息技术正深刻改变化学研究方式如美国能源部已启动量子化学云平台，利用量子计算解决传统计算方法难以处理的复杂分子系统化学+环境科学气候变化、污染治理、资源循环等全球性挑战需要化学与环境科学协同创新如微塑料污染监测与治理需要分析化学、材料化学和环境科学多领域协作这种交叉趋势对人才培养提出新要求，未来的应用化学人才需要具备多学科视野和协作能力高校课程设置也在调整，增加跨学科选修课和联合培养项目中国提出的2030年碳达峰、2060年碳中和目标为应用化学带来重大挑战和机遇能源化学发展高效光伏材料、新型电池技术、氢能制备与存储等例如，新型钙钛矿/硅叠层太阳能电池有望突破30%转换效率；全固态电池研究可能实现能量密度翻倍；光催化分解水制氢有望实现8%以上的太阳能转化效率工业过程再造开发低碳合成路线、电化学替代热化学工艺等如电化学合成氨技术可在常温常压下进行，能耗仅为传统哈柏法的30%；CO₂直接电还原制备乙醇、乙烯等基础化学品技术正取得突破碳捕获与利用开发高效吸附材料、CO₂转化催化剂等如多孔配位聚合物PCPs可选择性吸附CO₂，吸附容量是传统材料的3-5倍；铜基催化剂在电催化CO₂还原为C₂产物方面取得显著进展绿色化学工艺发展原子经济性反应、生物催化、连续流反应等如酶催化不对称合成手性药物中间体，立体选择性可达99%以上，废物减少90%中国科学院已启动碳中和科技创新行动计划，重点支持低碳化学领域的基础研究和技术创新，预计未来10年将有一批重大突破近期突破1-3年1•超高能量密度锂硫电池商业化•基于AI的新药研发周期缩短50%2课程总结与思考理论、实验、创新协同推进应用化学是一门理论与实践紧密结合的学科坚实的理论基础是创新的源泉，精湛的实验技能是将创意转化为现实的桥梁，而创新思维则是推动学科发展的动力在应用化学学习中，应当注重这三者的协同发展理论学习不应停留在公式和概念的记忆，而要理解其物理本质和应用背景•实验技能培养应超越简单操作，注重科学思维方法和问题解决能力•创新能力培养需要多元知识结构、批判性思维和持续的好奇心•随着科学技术的发展，理论计算、自动化实验和数据科学正在改变传统的化学研究方式未来的应用化学人才需要适应这种变化，掌握跨学科工具和方法，在不断变化的科技环境中保持学习能力和创新活力问题导向学习激发创新思维问题导向学习是应用化学教育的有效方法与传统的知识灌输不同，以实际问题为中心，引导学生主动Problem-Based Learning,PBL PBL探索和解决问题这种方法有助于培养批判性思维和创造性解决问题的能力•加深对基础知识的理解和应用•发展团队协作和沟通表达能力•增强学习动机和成就感•例如，以如何设计高效催化剂为问题，学生需要综合运用量子化学、表面科学、反应动力学等知识，探索不同的设计策略和表征方法这个过程中，知识不再是孤立的概念，而是解决问题的工具，学生的学习动机和创新能力得到显著提升跨领域、跨行业视野拓展应用化学的价值在于解决实际问题，这要求我们具备跨领域、跨行业的视野化学与材料、能源、环境、医药、食品等行业密切相关，了解这些行业的发展趋势和需求，有助于发现新的研究方向和应用机会关注全球重大挑战，如气候变化、能源危机、公共健康等•了解相关产业政策和市场需求•参与跨学科研讨和合作项目•培养多元文化理解和国际视野•作为未来的应用化学工作者，你们将面临复杂多变的全球环境希望这门课程不仅传授了专业知识，也培养了你们的科学精神和社会责任感化学既是了解世界的工具，也是改变世界的力量愿你们用所学知识，为人类社会的可持续发展贡献力量。