当前课程知识点：大学化学 > 第十二章 化学与现代科学 > 纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性 > Video
通过前面的学习
我们知道
可以利用扫描电子显微镜
来观察荷叶表面的纳米结构
那么
由于这种纳米结构
产生的自清洁性
我们怎么来测量呢
其实
除了荷叶表面
自然界中还有许多
植物叶表面
都具有这种自清洁性
那么我们把这种自清洁性
也称为具有特殊的浸润性
浸润性在生活中很常见
比如
我们将水滴在雨伞上
水滴会成股流下
而不会透过雨伞
所以我们说
雨伞具说防水作用
而如果我们将水
滴在一块普通的棉布上
棉布会将水吸收
所以我们说
穿棉质的衣服
可以起到吸汗的作用
水滴在荷叶表面
则会呈球形滚落
而不会润湿荷叶的表面
水在不同表面上
表现出来的不同的性质
是由于它的浸润性不同
那么浸润性
用哪一个物理量来表征呢
它又是怎样测量的呢
我们设
将液体滴在固体表面上
液滴与固体表面
会形成一定角度
也就是所说的接触角
用θ来表示
接触角的定义是
在固、液、气三相交点处
作气、液界面的切线
切线与固液交界线
之间的夹角
就是接触角
接触角的大小是判定
润湿性能的重要依据
一般来说
θ＜90°的表面
为亲液表面
θ＞90°的表面
为疏液表面
这其中还包含了
两种特殊的情况
也就是当θ＜5°时
我们称其为超亲液表面
而θ＞150°时
我们称其为超疏液表面
前面所说的荷叶表面
就是一个超疏水的表面
那么接触角
是怎样测量的呢
在这里给大家介绍一个
新的仪器
接触角测量仪
首先
我们将样品放置在
样品台上
通过ＣＣＤ来调节清晰度
然后利用微量计样器
注入水滴
调节样品台的高度
将水滴接下
通过ＣＣＤ在电脑成像
利用作切线的方法
我们可以测量
荷叶表面的接触角
一般的固体表面
都是亲液或疏液的
而当我们在这些表面上
构筑了纳米结构之后
就会使得接触角放大
使得亲液表面变得超亲液
疏液表面变得超疏液
从而获得具有
特殊浸润性的表面
比如
前面我们介绍的荷叶表面
就是一种超疏水表面
自然界中
还有很多表面
具有超疏水性
比如
水黾是一种常见的
生活在池塘
河流和湿地的
小形水生昆虫
被喻为池塘中的溜冰者
因为
它不仅能在水面上行走
而且还会像
溜冰运动员一样
在水面上优雅地滑翔
却不会划破水面
浸湿腿脚
在扫描电子显微镜下
观察发现
水黾腿部有数千根
按照同一方向
排列的微米尺寸的刚毛
而这些钢毛表面
又有螺旋状的
纳米结构的沟槽
吸附在构槽中的气泡
形成气垫
从而让水黾能够在水面上
自由地滑翔
在宏观上表现为
超疏水性
生活在非洲沙漠上的
一种甲虫
仅有拇指甲那么大
背部的翅膀上
有很多麻点突起
或大或小
生命离不开水
在茫茫的沙漠之中
小甲虫就是通过这些麻点
来收集雾水而生存
在扫描电子显微镜下
可以观察到
麻点表面光滑
具有亲水性
而麻点与麻点之间的
山谷上
则覆盖着
披有蜡状外衣的微小结构
由半球呈规则的
六角形排列而成
形成超疏水层
大雾来临的时候
沙漠甲虫身体倒立
雾中的微小水珠会凝聚在
这种亲水的麻点上
然后在风力作用下
顺着疏水的山谷流下
慢慢地进入到
甲虫的口中
另外一种典型的
特殊浸润性表面
是超双亲材料
科学家发现
紫外光照射原本疏水的
TiO2薄膜
能产生同时具有
超亲水性和
超亲油性的表面
表现为对水和油的接触角
都是0°
水和油在它的表面上
都能够完全的铺展
而在暗处放置以后
薄膜表面可以回复到
原来的疏水状态
这种表面的独特性质
是由于紫外光诱导
产生的尺寸为几十纳米的
亲油相和亲水相组成的
微观结构引起的
在紫外光照射条件下
TiO2价带电子
被激发到导带
电子和空穴
向TiO2表面迁移
在表面生成电子-空穴对
电子与Ti4+反应
空穴则与表面
桥氧离子反应
分别形成Ti3+和氧空位
此时
空气中的水解离吸附在
氧空位中
成为化学吸附水
使表面富集羟基
形成了物理吸附层
从而在Ti3+缺陷周围
产生了高度亲水的微区
而表面剩余区域
仍然保持疏水性
这样就在TiO2表面形成了
均匀分布的
纳米尺寸分离的
亲水和亲油微区
由于水或油性液滴尺寸
远远大于亲油或
亲水区面积
因此
宏观上表现出
超亲水和超亲油性
停止紫外光照射后
化学吸附的羟基
被空气中的氧取代
重新回到疏水状态
特殊浸润性的组合
多种多样
例如
利用低表面能的
高分子材料
构制纳米结构
可以得到同时具有
超疏水和超亲油的表面
而选用亲水的水凝胶
共筑纳米结构
则可以得到
同时具有超亲水和
水下超疏油的表面
具有特殊浸润性材料的
用途也很广泛
比如
超疏水表面可以用作
防污自清洁材料
在建筑物或纺织品表面
涂上超疏水材料
可以起到抗污染的作用
超双亲的表面
可应用于防雾
例如
在玻璃、浴室镜
汽车后视镜
眼镜镜片等表面
涂上一层TiO2薄膜
即使空气中的水蒸汽凝结
冷凝水
也不会形成单个水滴
而是构成均匀的水膜
所以表面不会结雾
汽车的后视镜
即使淋上雨水
在表面附着的水滴
也会迅速扩散成
均匀的水膜
所以不会形成
影响视线的水滴
使得表面维持
高度的透明性
保证车辆及交通的安全
同时具有
超疏水和超亲油
或者同时具有
超亲水和水下超疏油的
网膜材料
则可以进行
有效的油水分离
在废水处理
油品净化
处理原油泄漏事故等领域
具有重要的应用前景
例如
我们将油和水的混合物
倾倒在具有特殊浸润性的
网膜表面
由于网膜具有超亲水性
使得水可以透过网膜
而油则停留在
网膜的表面
使油和水有效的分离
以上给同学们
介绍了几种
自然界中的纳米现象
以及一类特殊的
纳米界面材料
其实纳米材料
包含的种类很多
纳米磁性材料
纳米陶瓷材料
纳米半导体材料
纳米催化材料
纳米碳材料等等
希望同学们
通过不断的学习
对纳米材料
有更深入的理解和认识
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
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-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
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-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
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-2.1 物质的聚集状态—液体
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-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
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-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
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-2.1 物质的聚集状态—等离子体
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-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
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-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
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-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
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-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
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-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
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-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
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-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
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-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
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-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
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-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
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-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
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-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
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-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
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-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
