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学习路径

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从原子到仪器：一条连贯的无机、物理与分析化学之路。每一课都把现象、粒子和方程放进同一个可以动手的模型里。

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从第一课开始

第一部分 · 物质与原子

  1. 第 1 单元 物质与测量 化学是一门定量的科学：一切结论都从读数开始。这一单元从单位和数量级出发，学会诚实地报告一个测量值（有效数字与不确定度），用密度辨认物质，再用“摩尔”把看得见的克和看不见的原子联系起来，最后由元素组成推出化学式。 单位与数量级不确定度与有效数字密度：一种强度性质摩尔：用称量来数原子化学式与组成 5 课 约 140 分钟
  2. 第 2 单元 原子结构 原子为什么只吸收和发出特定颜色的光？电子怎样一层层排进轨道？周期表的形状又从何而来？这一单元用光谱、量子数和电子排布回答这些问题，最后用 X 射线数出原子核里的质子。 原子的内部：质子、中子与电子光与光谱：原子的指纹量子力学模型：轨道与量子数电子排布：把电子装进轨道周期性趋势：半径、电离能与电负性X 射线与原子序数：莫塞莱定律 6 课 约 150 分钟
  3. 第 3 单元 化学反应与计量 化学方程式是一份精确的配方：原子不增不减，系数给出粒子的个数比。这一单元先学会由离子的电荷写出化学式、给化合物命名，再配平方程式，用物质的量之比算出反应物和生成物的质量，找出先用完的限量反应物，在溶液中按浓度和体积计算，并判断两种溶液混合时会不会生成沉淀、气体或水。 离子与化合物的命名配平化学方程式物质的量之比与质量计算限量反应物与产率溶液中的计量：浓度、稀释与滴定水溶液中的反应 6 课 约 180 分钟

第二部分 · 化学键与结构

  1. 第 4 单元 化学键 原子为什么要结合？食盐里的钠和氯靠正负电荷相吸，氢分子里的两个氢原子靠共用一对电子。这一单元用势能曲线、玻恩–哈伯循环、路易斯结构和电负性，把“成键”从一句口号变成可以计算、可以检验的能量账。 离子键：正负电荷的结合共价键：共用电子对路易斯结构与形式电荷键的极性与电负性 4 课 约 115 分钟
  2. 第 5 单元 分子的形状 水分子为什么是弯的，二氧化碳却是直的？形状决定了分子有没有极性、会不会互相吸引，进而决定了沸点、溶解性乃至生命。这一单元从电子对互斥出发，经过对称性、杂化轨道、分子轨道和共轭分子的颜色，一直走到分子之间的作用力。 价层电子对互斥（VSEPR）分子的极性对称性与点群杂化轨道分子轨道理论共轭与颜色：盒子里的 π 电子分子间作用力 7 课 约 220 分钟
  3. 第 6 单元 晶体与固体 盐粒为什么是小立方体？铜为什么能拉成细丝，金刚石却硬得出奇？硫化镉为什么是黄色的？一克粉末有多大的表面？这一单元从晶胞和最密堆积出发，用 X 射线衍射“看见”原子的排列，用能带解释金属、半导体和绝缘体，最后数一数盖满固体表面要多少个氮分子。 晶格与晶胞：给原子记账最密堆积：ABAB 与 ABCABC离子晶体：配位多面体与半径比X 射线衍射：用波长量原子金属键与能带：导体、半导体和颜色表面与吸附：数一数盖满表面要多少分子 6 课 约 165 分钟

第三部分 · 能量与变化

  1. 第 7 单元 气体 气球为什么会鼓起来？温度计量的究竟是什么？在一个真实运行的分子动力学箱子里，你将亲手测出玻意耳定律、看见麦克斯韦速率分布，用布朗运动数出分子，并发现真实气体何时背离理想气体。 气体定律：压强从何而来分子运动论与速率分布混合气体、分压与泻流布朗运动：在显微镜下数分子真实气体 5 课 约 125 分钟
  2. 第 8 单元 热化学 暖宝宝为什么会发热，冰袋为什么会变凉？这一单元把化学反应当作能量的账本：分清体系与环境、热与功，在量热计里亲手测出反应焓，再用盖斯定律和生成焓把没法直接测的反应算出来，最后比较键焓估算与各种燃料的能量。 能量、热与焓量热法：测量反应热盖斯定律与生成焓键焓与燃料 4 课 约 105 分钟
  3. 第 9 单元 熵与自由能 冰袋吸热却自己发生，石灰石要烧到八百多度才分解，铁能用炭炼出来而铝不能。决定反应方向的不只是能量，还有熵——能量能被分配的方式数。这一单元从数微观状态出发，走到吉布斯自由能、平衡常数和冶金用的埃林汉姆图。 熵：数一数有多少种方式从分子能级算出熵与热容固体的热容与第三定律熵吉布斯自由能：温度决定胜负自由能与平衡常数埃林汉姆图与金属冶炼 6 课 约 185 分钟
  4. 第 10 单元 化学平衡 密封烧瓶里的棕色 NO₂ 看上去一动不动，其实每秒都有无数分子在结合与分开。这一单元从逐个分子的随机模拟出发，引出平衡常数和反应商，用精确的 ICE 求解器算出平衡组成，在真实的变色体系上检验勒夏特列原理，最后用热力学数据重算哈伯法的产率与折中。 动态平衡：两个方向同时进行平衡常数与反应商平衡计算：ICE 表勒夏特列原理：平衡如何回应扰动哈伯法：工业上的折中 5 课 约 125 分钟
  5. 第 11 单元 反应速率 热力学说一个反应“能”发生，却不说要等多久。这一单元在虚拟实验台上用碘钟测初速率、找反应级数，用积分速率方程读懂半衰期，从阿伦尼乌斯图求活化能，逐步积分基元步骤来检验反应机理，最后看酶和金属表面怎样让反应快上亿倍。 反应速率与速率方程积分速率方程与半衰期碰撞理论与活化能反应机理快反应：弛豫与扩散极限催化 6 课 约 160 分钟
  6. 第 12 单元 相变与溶液 冰水混合物为什么一直是 0 °C？高原上的水为什么不到 90 °C 就开？干冰为什么不会化成液体？撒盐为什么能化雪？这一单元把加热曲线、蒸气压、相图和稀溶液的依数性连成一张图：每条曲线都由实测数据和热力学方程算出。 加热曲线与相变热蒸气压与沸腾相图：水与二氧化碳溶液的形成与溶解度依数性：凝固点、沸点与渗透压二元相图表面活性剂与胶束 7 课 约 195 分钟

第四部分 · 溶液中的反应

  1. 第 13 单元 酸与碱 从胃酸到血液，pH 掌控着化学与生命。这一单元从质子转移出发，用精确的平衡计算解释强酸与弱酸、多元酸的物种分布、缓冲溶液和滴定曲线，最后在虚拟实验台上测出未知溶液的浓度。 质子的转移：酸、碱与 pH弱酸与弱碱：只电离一部分多元酸与物种分布缓冲溶液：抵抗 pH 变化滴定曲线与指示剂结构决定酸性 6 课 约 150 分钟
  2. 第 14 单元 沉淀与配合平衡 医院让病人喝下有剧毒的钡离子做造影，是因为硫酸钡几乎不溶；氨水能溶解氯化银，却溶不动碘化银；一滴试剂就能在几种离子中认出其中一种。这一单元用溶度积和稳定常数把沉淀、溶解、分离和鉴定连成一套可以计算的体系，最后在虚拟实验台上鉴定一份未知液。 溶度积：难溶盐的溶解平衡同离子效应与 pH活度与盐效应分步沉淀与离子分离配离子与稳定常数阳离子的定性分析 6 课 约 175 分钟
  3. 第 15 单元 氧化还原与电化学 铁生锈、电池放电、电镀与氯碱工业，背后都是电子从一种物质转移到另一种物质。这一单元从氧化数记账出发，学会配平氧化还原方程式，再用一张标准电极电势表算出电池的电压、自由能和平衡常数，理解浓度与 pH 如何改变电势、电解如何用电“逆推”反应，最后把全部数据画成拉蒂默图、弗罗斯特图和布拜图。 氧化数：给电子记账配平氧化还原方程式：半反应法原电池与标准电极电势能斯特方程：浓度和 pH 改变电势电解：用电推动反应过电位与电极反应速率电池：储存电荷的化学氧化态地图：拉蒂默图、弗罗斯特图与布拜图 8 课 约 240 分钟
  4. 第 16 单元 配位化学 硫酸铜加氨水变成深蓝，血红蛋白用铁抓住氧，顺铂杀死癌细胞，EDTA 测出水的硬度——这些都靠金属离子与配体结成的配合物。这一单元从维尔纳的配位理论出发，学会命名配合物、数出它的异构体，用晶体场理论解释磁性和颜色，并用形成常数和螯合效应衡量配合物有多稳定。 配合物与配体几何构型与异构现象晶体场理论：d 轨道的分裂磁性：用天平数未成对电子对称性、畸变与姜–泰勒效应配合物的颜色与光谱化学序列电子光谱：从吸收带读出 Δo 与 B配合物的稳定性与螯合效应软硬酸碱配体取代：活性与惰性金属羰基与 18 电子规则 11 课 约 345 分钟

第五部分 · 元素世界

  1. 第 17 单元 主族元素 这一单元里，周期表变成了你认得出的化学：为什么铯遇水就爆炸，锂却只是冒泡？为什么铅的化合物偏爱 +2 价？氮气为什么那么懒，氮的化合物却能养活世界又能炸开山？氟为什么是最强的氧化剂？每个问题都用前面学过的热力学循环、电极电势和酸碱平衡来回答——数值全部由数据算出。 氢与 s 区元素硼、铝、碳、硅与惰性电子对效应硼烷与簇合物：数骨架电子氮与磷氧与硫卤素与稀有气体 6 课 约 180 分钟
  2. 第 18 单元 过渡金属 钢铁、铜线、钛合金、催化剂和颜料——现代世界是用过渡金属建成的。这一单元解释它们为什么有那么多种氧化态和颜色，怎样从矿石里炼出来，为什么是好催化剂，走进镧系、锕系和人造的超重元素，最后回到你自己的血液里——一个铁离子在那里运送氧气。颜色由吸收光谱算出，冶炼和催化的判断都来自热力学数据。 d 区元素的趋势氧化态与颜色金属的冶炼催化剂与材料f 区元素及更远处生命中的金属：血红蛋白怎样运氧 6 课 约 180 分钟
  3. 第 19 单元 核化学 化学反应只动电子，核反应改变原子核本身，能量大上百万倍。这一单元用 NUBASE2020 和 AME2020 的评价数据画出核素图与结合能曲线，用贝特曼方程追踪铀系衰变链，用同位素比值测定岩石与文物的年龄，最后比较裂变、聚变与化学燃料，并学会读懂 Bq、Gy 和 Sv。 核稳定性与结合能放射性衰变半衰期与放射性测年裂变、聚变与辐射剂量 4 课 约 115 分钟

第六部分 · 测量与分析

  1. 第 20 单元 测量数据与统计 每个测量结果都应该带着它的不确定度。这一单元从重复测定的离散出发，学习高斯分布、置信区间和学生 t 分布，用 t 检验、F 检验和格拉布斯检验判断差别是否真实，把玻璃仪器的允差传递到最终结果，最后亲手做一条校准曲线，报告未知样的浓度、置信区间和检出限。 误差、平均值与高斯分布置信区间与学生 t 分布比较结果：t 检验、F 检验与离群值不确定度的传递校准曲线与检出限 5 课 约 135 分钟
  2. 第 21 单元 光谱分析 分析化学家用光来称量看不见的东西。这一单元从比尔–朗伯定律出发，走进紫外–可见分光光度计，看火焰与等离子体中的原子怎样发射和吸收锐利的谱线，用红外光谱“听”分子振动，最后用质谱把分子按质量分开——每一条谱线、每一个峰都由模型计算，并与文献和实测数据对照。 光与吸光度：比尔–朗伯定律分光光度计荧光：分子怎样把光还回来原子光谱：发射与吸收红外光谱：分子的振动转动与振动：气体的红外谱带用群论数振动：红外与拉曼核磁共振：倾听氢原子核质谱：同位素峰簇与碎片 9 课 约 285 分钟
  3. 第 22 单元 滴定与重量分析 经典化学分析仍是许多标准方法的基石。这一单元从基准物质和容量仪器出发，用 EDTA 测水的硬度，用能斯特方程算出氧化还原滴定曲线，用银量法测海水中的氯，最后把沉淀烧到恒重、再用热天平看它在加热中怎样失重——每条曲线、每种颜色都由平衡模型计算，每个未知样都等你亲手测出来。 容量分析：基准物质与标定凯氏定氮：从氮到蛋白质配位滴定：EDTA 与水的硬度氧化还原滴定沉淀滴定：银量法重量分析热重分析 7 课 约 190 分钟
  4. 第 23 单元 分离与色谱 真实样品几乎都是混合物：先分开，才能测准。这一单元从分液漏斗里的分配平衡出发，理解为什么“少量多次”萃取更彻底、pH 如何决定酸和碱去哪一层；再把一次次萃取串成色谱柱，学习保留因子、选择性、塔板高度和分离度；最后操作气相与液相色谱的模拟器，并用内标法测定血液中的乙醇。 萃取：分配平衡与分液漏斗色谱原理：保留、选择性与 Rf柱效：塔板、峰展宽与分离度气相色谱与高效液相色谱毛细管电泳 5 课 约 140 分钟
  5. 第 24 单元 电分析化学 电压、电流和电导都是测量化学的窗口。这一单元从参比电极与能斯特斜率出发，走进玻璃 pH 电极、离子选择电极和汽车尾气里的氧化锆氧传感器，用电势读数确定滴定终点，用离子的迁移速率解释电导，用电量数出银原子和几微克水，用扩散方程模拟电势阶跃和循环伏安图，最后用滴定和氧电极测水中的溶解氧——并亲手校准一台 pH 计。 电势分析：参比电极与指示电极玻璃 pH 电极与离子选择电极固体电解质：尾气里的氧传感器电位滴定：用电势找终点电导分析：离子跑得有多快库仑分析：数电子，数水分子伏安法：电流里的扩散溶解氧：温克勒滴定与克拉克电极 8 课 约 225 分钟