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普通高中课程标准实验教科书-人教版第二章 化学物质及其变化1科学方法简介类 别名 称定 义方法举例获取科学事实的方法观察通过感官或借助一定仪器,有目的、有计划地考察和描述客观对象的方法直接观察间接观察实验根据一定的研究目的,运用一定的物质手段(通常是科学仪器和设备),在人为控制或模拟自然现象的条件下获取科学事实、探索其本质和规律的方法定性实验定量实验对照实验模拟实验思想实验按照实验的模型展开的思维活动,是一种特殊实验方法理想实验想象实验整理科学事实的方法比较通过相关对象之间的对比,确定它们的差异点和共同点,并发现其共同规律的思维方法求同比较求异比较综合比较分类根据对象的共同点和差异点,将对象区分为不同的种类,而且形成有一定从属关系的不同等级的系统的逻辑方法树状分类法二元分类法多元分类法类比根据两类对象之间某些相同或相似,推出它们在其他方面也可能相同或相似的逻辑推理方法共存类比法因果类比法对称类比法综合类比法归纳从个别到一般的逻辑思维方法完全归纳法不完全归纳法科学归纳法演绎与归纳法相反,从一般到个别的逻辑思维方法分析把整体分解为部分,或把复杂事物分解为简单要素,或把过程分解为阶段,或把动态凝固为静态来研究的思维方法综合与分析相反,把各个部分、各个方面、各个层次、各种因素结合起来,动态地考察对象的思维方法构造科学理论体系的方法假说根据科学原理和事实,对未知的新事实作出的假定性说明模型通过研究模型来解释原型(被模拟的对象)的形态、特征和本质的方法理想模型物理模型数学模型科学理论是系统化了的科学知识体系,它用概念、判断、推理的形式完整地反映客观对象的本质及其规律横向科学方法系统方法按照事物的系统性把对象放在系统的模式中加以考察的方法信息方法把系统的过程当作信息传递和转换的过程,通过对信息流程的分析和处理,以达到对某个复杂系统运动过程的规律性认识的方法反馈控制用系统活动的结果来调整系统活动的方法功能模拟以功能和行为的相似为基础,用模型模仿原型的功能和行为的方法黑箱方法利用外部观测、试验,通过输入、输出信息来研究黑箱功能和特征,探究其构造和机理的方法2丁达尔效应和光散射1869年,英国科学家丁达尔发现了丁达尔效应。光射到粒子上可以发生两种情况,一是当粒子直径大于入射光波长很多倍时,发生光的反射;二是当粒子直径小于入射光的波长时,发生光的散射,散射出来的光称为乳光。散射光的强度,随着颗粒半径增加而变化。悬(乳)浊液分散质粒子直径太大,对于入射光只有反射而不散射;溶液里溶质粒子太小,对于入射光散射很微弱,观察不到丁达尔效应;只有溶胶才有比较明显的乳光,这时粒子好像一个发光体,无数发光体散射的结果就形成了光的通路。散射光的强度还随着粒子浓度的增大而增加,因此,进行实验时,溶胶浓度不要太小。3跨世纪的纳米材料1965年诺贝尔物理学奖获得者、美国加利福尼亚工学院教授费曼(R.P.Feynman)曾在1959年预言:“如果有一天可以按照人的意志来安排一个个原子,将会产生怎样的奇迹?”时间仅仅过去了二十几年,到了1982年,费曼的预言便成了现实。国际尚用机器公司研制成了扫描隧道显微镜(简称STM),它不仅能使人类观察到了原子,而且能够利用仪器的针尖来操纵原子,德国科学家宾尼(G.Binnig)等利用扫描隧道显微镜在镍板上将硅原子组成了“IBM”(国际商用机器公司的英文缩略语)的字样。不久,日本科学家又将硅原子堆成了一个金字塔。于是,人类也像大自然一样,成了主宰原子和分子的主人,而不仅仅是被动地去认识和利用大自然造就的原子和分子。这样,到了20和21世纪之交,人类正在悄悄地进入一个崭新的科技时代纳米科技时代。纳米科技是在纳米的尺度上研究和应用原子、分子及其结构信息的高新技术,它的最终目标是直接用具有纳米尺度的原子、分子制造有特定功能的材料,被称为纳米材料(由粒径1100 nm的粒子组成的固体材料),它是21世纪很有希望和前途的新型材料。(1)纳米材料的发现组成材料的物质颗粒变小了,“小不点”会不会与“大个子”的性质很不相同呢?这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特(Grant)的科学思路。那是1980年的一天,格莱特到澳大利亚旅游,当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时,空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究,了解晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响:晶粒越小,强度就越高。格莱特上面的设想只是材料的一般规律,他的想法一步一步地深入:如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小,材料会是个什么样子呢?或许会发生“翻天覆地”的变化吧!格莱特带着这些想法回国后,立即开始试验。经过将近4年的努力,终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末,包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知,金属具有各种不同的颜色,如金子是金黄色的,银子是银白色的,铁是灰黑色的。至于金属以外的材料如无机化合物和有机化合物,它们也可以带着不同的色彩:瓷器上面的釉历来都是多彩的,由各种有机化合物组成的染料更是鲜艳无比。可是,一旦所有这些材料都被制成超细粉末时,它们的颜色便一律都是黑色的:瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色黑色。正像格莱特想像的那样,“小不点”与“大个子”相比,性能上发生了“翻天覆地”的变化。为什么无论什么材料,一旦制成纳米“小不点”,就都成了黑色的呢?原来,当材料的颗粒尺寸变小到小于光波的波长(110-7 m左右)时,它对光的反射能力变得非常低,大约低到小于1%。既然超细粉末对光的反射能力很小,我们见到的纳米材料便都是黑色的了。“小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属,居然使金属从导电体变成了绝缘体;用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念。因此,纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。(2)纳米材料的应用 天然纳米材料海龟在美国佛罗里达州的海边产卵,但出生后的幼小海龟为了寻找食物,却要游到英国附近的海域,才能得以生存和长大。最后,长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需56年,为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢?它们依靠的是头部内的纳米磁性材料,为它们准确无误地导航。生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时,也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。 纳米磁性材料在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 纳米陶瓷材料传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动,材料质脆,烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上运动,因此,纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形,然后做表面退火处理,就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性,而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。 纳米传感器纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此,可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪,检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。 纳米倾斜功能材料在航天用的氢氧发动机中,燃烧室的内表面需要耐高温,其外表面要与冷却剂接触。因此,内表面要用陶瓷制作,外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化,让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”,最终便能结合在一起形成倾斜功能材料,它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时,就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。 纳米半导体材料将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料,具有许多优异性能。例如,纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低,电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降,甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力,因而它能氧化有毒的无机物,降解大多数有机物,最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等,所以,可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。 纳米催化材料纳米粒子是一种极好的催化剂,这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全,导致表面的活性位置增加,使它具备了作为催化剂的基本条件。镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂,可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600 降低到室温。 医疗上的应用血液中红血球的大小为6 0009 000 nm,而纳米粒子只有几个纳米大小,实际上比红血球小得多,因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位,便可以检查病变和进行治疗,其作用要比传统的打针、吃药的效果好。 纳米计算机世界上第一台电子计算机诞生于1945年,它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的,一共用了18 000个电子管,总重量30 t,占地面积约170 m2,可以算得上一个庞然大物了,可是,它在1 s内只能完成5 000次运算。经过了半个世纪,由于集成电路技术、微电子学、信息存储技术、计算机语言和编程技术的发展,使计算机技术有了飞速的发展。今天的计算机小巧玲珑,可以摆在一张电脑桌上,它的重量只有老祖宗的万分之一,但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件,那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”,其袖珍的程度又远非今天的计算机可比,而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。纳米碳管1991年,日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料,它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物,也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的,如右图:这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的,因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍,导电率比铜还要高。在空气中将纳米碳管加热到700 左右,使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏,成了开口的纳米碳管。然后用电子束将低熔点金属(如铅)蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上,由于虹吸作用,金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小,因此管内形成的金属丝也特别细,被称为纳米丝,它产生的尺寸效应是具有超导性。因此,纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。4氧化还原反应在工农业生产、科学技术和日常生活中的意义在这里,只能对氧化还原反应在工农业生产、科学技术等方面的作用和意义作一些极简单的介绍。我们所需要的各种各样的金属,都是通过氧化还原反应从矿石中提炼而得到的。如制造活泼的有色金属要用电解或置换的方法;制造黑色金属和别的有色金属都是在高温条件下用还原的方法;制备贵重金属常用湿法还原,等等。许多重要化工产品的制造,如合成氨、合成盐酸、接触法制硫酸、氨氧化法制硝酸、食盐水电解制烧碱等等,主要反应也是氧化还原反应。石油化工里的催化去氢、催化加氢、链烃氧化制羧酸、环氧树脂的合成等等也都是氧化还原反应。在农业生产中,植物的光合作用、呼吸作用是复杂的氧化还原反应。施入土壤的肥料的变化,如铵态氮转化为硝态氨,SO42转化为H2S等,虽然需要有细菌起作用,但就其实质来说,也是氧化还原反应。土壤里铁或锰的氧化态的变化直接影响着作物的营养,晒田和灌田主要就是为了控制土壤里的氧化还原反应的进行。我们通常应用的干电池、蓄电池以及在空间技术上应用的高能电池都发生着氧化还原反应,否则就不可能把化学能转变成电能、把电能转变成化学能。人和动物的呼吸,把葡萄糖氧化为二氧化碳和水。通过呼吸把储藏在食物的分子内的能,转变为存在于三磷酸腺苷(ATP)的高能磷酸键的化学能,这种化学能再供给人和动物进行机械运动、维持体温、合成代谢、细胞的主动运输等所需要的能量。煤、石油、天然气等燃料的燃烧更是供给人们生活和生产所必需的大量的能。由此可见,在许多领域里都涉及到氧化还原反应,我们引导学生学习和逐步掌握氧化还原反应对于他们今后参加生产、走向社会等都是有意义的。5电离学说的创立者阿累尼乌斯 斯范特奥古斯特阿累尼乌斯是近代化学史上的一位著名的化学家,又是一位物理学家和天文学家。阿累尼乌斯1859年2月19日出生在瑞典乌普萨拉阴近的维克。他的父亲名叫斯范特古斯培夫,母亲名叫卡罗利娜克利斯蒂娜通贝格。父亲早年毕业于乌普萨拉大学,曾在维克经营过地产。1860年,举家迁往乌普萨拉城,古嘶塔夫出任乌普萨拉大学的总务长。父母共有口个子女,阿累尼乌斯是他们的次子。 阿累尼乌斯从小聪明出众,3岁的时候就能认字。哥哥约翰写作业时,他经常在旁边仔细地看着。他凭着个人特有的天赋,从算术书上看懂了一些简单的算法。6岁那年他竟然能够坐在父亲的身边,协助父亲算起帐来。小学里的课程,远远满足不了他的求知欲望,他要求父亲早日把他送进中学。在乌普萨拉城一所教会办的中学里,阿累尼乌斯对数学、物理、生物和化学产生了特殊的兴趣,成绩优异。 1876年, 17岁的阿累尼乌斯中学毕业,考取了乌普萨拉大学。他最喜欢选读数学、物理、化学等理科课程,只用两年他就通过了学士学位的考试。1878年开始专门攻读物理学的博士学位。他的导师塔伦教授(T.R.Thalen)是一位光谱分析专家。在导师的指导下,阿累尼乌斯学习了光谱分析。但他认为,作为一个物理学家还应该掌握与物理有关的其它各科知识。因此,他常常去听一些教授们讲授的数学与化学课程。渐渐地,他对电学产生的浓厚兴趣,远远超过了对光谱分析的研究,他确信“电的能量是无穷无尽的”,他热衷于研究电流现象和导电性。这引起了导师塔伦教授的不满,他要求阿累尼乌斯要务正业,多研究一些与光谱分析有关的课题。俗话说,“人各有志,不可强留”。目标不同,使阿累尼乌斯只好告别这位导师。 1881年,他来到了首都斯德哥尔摩以求深造。在瑞典科学院物理学家埃德伦德(E.Edlund)教授的指导下,进行电学方面的研究。不久,阿累尼乌斯就成了埃德伦德教授的得力助手。每当教授讲课时,他就协助导师进行复杂的实验,在从事科学研究时,他就配合教授进行某些测量工作。因此,他的才干很得教授的赏识。几乎所有的空闲时间,他部在埋头从事自己的独立研究,在电学领域中,他对把化学能转变为电能的电池很有研究兴趣。 年轻的阿累尼乌斯刻昔钻研,具有很强的实验能力,长期的实验室工作,养成了他对任何问题都一丝不苟、追根究底的钻研习惯。因而他对所研究的课题,往往都能提出一些具有重大意义的假说,创立新颖独特的理论。他发现在电池中,除了由化学反应产生的化学能转化为电能外,还存在一些引起电极极化的因素,而这会降低电流回路的电压。于是,他着手研究能够减少甚至防1发生极化作用的添加物。他坚持反复实验,终于明白极化效应取决于添加物去极剂的数量。电离理论的创建,是阿累尼乌斯在化学领域最重要的贡献。 在19世纪上半叶,已经有人提出了电解质在溶液中产生离子的观点,但在校长时期内,科学界普遏赞同法拉第的观点,认为溶液中“离于是在电流的作用下产生的”。阿累尼乌斯在研究电解质溶液的导电性时发现,浓度影响着许多稀溶液的导电性。阿累尼乌斯对这一发现非常感兴趣,特地向导师请教,埃德伦德教授很欣赏他的敏锐的观察能力,为他指出了进一步做好实验、深入探索是关键所在。阿累尼乌斯在实验中对教授设计的仪器做了大胆的改进,几个月的时间过去了,他得到了一大堆实验测量的结果。处理、计算这些结果又用去了好长时间。此间他又发现了一些更有趣的事实。例如,气态的氨是根本不导电的,但氨的水溶液却能导电。大量的实验事实表明,氢卤酸溶液也有类似的情况。多少个不眠之夜过去了,阿累尼乌斯紧紧地抓住稀溶液的导电问题不放。他的独到之处就是,把电导率这一电学属性,始终同溶液的化学性质联系起来,力图以化学观点来说明溶液的电学性质。1883年5月,他终于形成了电离理论的基本观点。他认为,当溶液稀释时,由于水的作用,它的导电性增加,为什么呢?他指出:“要解释电解质水溶液在稀释时导电性的增强,必须假定电解质在洛液中具有两种不同的形态,非活性的一分子形态,活性的离子形态。实际上,稀释时电解质的部分分子就分解为离子,这是活性的形态;而另一部分则不变,这是非活性的形态”他又说:“当溶液稀释时,活性形态的数量增加,所以溶液导电性增强”。伟大的发现!阿累尼乌斯的这些想法,终于突破了法拉第的传统观念,提出了电解质自动电离的新观点。为了从理论上概括和阐明自己的研究成果和新的创见,他写成了二篇论文。第一篇是叙述和总结实验测量和计算的结果。题为“电解质的电导率研究”,第二篇是在实验结果的基础上,对于水溶液中物质形态的理论总结,题名为:“电解质的化学理论”,专门阐述电离理论的基本思想。阿累尼乌斯把这两篇论文,送到瑞典科学院请求专家们审议。1883年6月6日经过斯德哥尔摩的瑞典科学院讨论后,被推荐予以发表,刊登在1884年初出版的皇家科学院论著杂志的第十一期上。 1883年底,当阿累尼乌斯收到上述杂志关于这两篇论文的校样后,他又产生了一个想法。他把其中的主要内容集中起来,写成电解质的导电性研究作为学位论文送交乌普萨拉大学。该校学术委员会接受了他的申请,决定在1884年5月进行公开的论文答辩。答辩会争论得非常激烈。阿累尼乌斯以大量无可辩驳的实验事实,说明电解质在水中的离解,精辟地阐述了自己的新见解,受到多数委员和与会者的赞许。但是,阿累尼乌斯的导师塔伦教授表示,他对实验事实无任何异议,只是对电解质在水溶液中自动电离的观点不能理解。另一位导师克莱夫教授则提出,他对阿累尼乌斯的实验事实持怀疑态度,认为电解质在水溶液中自动电离的观点是十分荒唐的。阿累尼乌斯反复列举出大量实验事实来支持自己的观点,他引证了早在1857年德国科学家鲁道夫克劳晋斯提出的电解质在水溶液中不用通过电流就会产生离子的假设,也引用了德国化学家奥斯特瓦尔德的研究成果来为自己的观点辩解。但最后,由于委员会支持教授们的意见,阿累尼乌斯的答辩成绩只得了3分。 一场激烈的辩论过去了,阿累尼乌斯并未因成绩不佳而灰心。相反,他坚信自己的观点是正确的。为了寻求更加广泛而公正的评价,答辩后第二夭,他就把自己的论文分别寄给了欧洲的一些著名科学家。不久,他收到了来自波恩的克劳晋斯的复信。住在杜宾根的L迈尔,长居俄国里加的W奥斯特瓦尔德,以及荷兰的青年化学家范霍夫也都先后给他写来了评价很高的支持信件。其中,奥斯特瓦尔德对阿累尼乌斯的工作表现出特殊的兴趣。他不仅充分肯定了这位青年人的实验成果,而且信中还提出了许多有关研究酸的催化作用的问题,建议同他一起研讨共同感兴趣的课题。这封信成了他们后来长期合作的开端。1884年8月、奥斯特瓦尔德专程来到鸟普萨拉会见这位青年学者。共同的志趣,相同的学术观点,使他们结下了深厚的友谊。奥斯特瓦尔德肯定阿累尼乌斯的电离学说新观点从理论上说明了酸起催化作用的根本原因。一位欧洲著名学者的来访,轰动了暑假中宁静的乌普萨拉大学的校园。克莱夫等么些教授,对阿累尼乌斯受到如此特别器重,都感到十分惊奇。在国内,斯德哥尔摩的埃德伦德教授、彼得松教授等少数知名科学家也表示支持阿累尼乌斯的新见解。大学当局决定,再次为阿累尼乌斯举行论文答辩:当年冬天的这次答辩进行得异常顺利,论文被通过。不久,阿累尼乌斯被任命为物理化学副教授。只有固执的克莱夫教授及其支持者们,仍然拼命地反对新生的电离理论。因此,阿累尼乌斯只好离开乌普萨拉城,重新回到斯德哥尔摩在埃德伦德教授的领导下工作。在那里,他继续深入研究电解质的导电性。 埃德伦德非常器重阿累尼乌斯的知识和敏锐的观察能力,特别赞赏他那敢于冲破传统观念、追求真理的精神,对他的工作予以全面支持和热心指导。在教授的帮助下,他的科学成果受到了普遍重视。1885年底,阿累尼乌斯获得瑞典科学院的一笔奖金,从而使他有了出国深造的条件。 1886年,他首先来到俄国,在里加工学院奥斯特瓦尔德的实验室里,完成了他们早已确定的合作计划。接着他去武尔茨堡,在电学家科尔劳什教授的实验室里,研究气体的导电性,还研究了作为溶剂的水,在电离过程中所起的作用。随着研究工作的进展,阿累尼乌斯的学术水平提高很快。但他同时越发感到自己的知识不足,他需要学习更多、更广泛的知识。为了不断扩大自己的知识面,他必须向更多的具有不同学术风格和特长的专家去求教。于是,在18871年他又去了格拉茨,在玻尔兹曼的实验室里工作。1888年初,他到了荷兰的阿姆斯特丹。他同范霍夫合作,进行了一系列与电解质洛液冰点降低有关的测定。他们根据实验结果,计算了范霍夫关于稀溶液渗透压公式中的等渗系数之值以及电离度等数据,并以电离理论加以解释。这种合作使双方都得到 启迪,感到收益巨大。此后,阿累尼乌斯赶到莱比锡,在奥斯特瓦尔德领导的物理化学研究所从事新的实验研究,进一步丰富与完善了电离理论。 1888年夏天,阿累尼乌斯结束了对欧洲各国的周游,兴冲冲地返口自己的祖国。他热爱瑞典,渴望长期工作在家乡的土地上。然而现实又令他失望,在国内,他的科学成就仍然得不到科学界的普遍承认。就连一贯支持他的埃德伦德老教授,不久也与世长辞。他想回乌普萨拉,但由于克莱夫教授的反对,乌普萨拉大学连一个化学助教的职位也不能给他安排,他只好去给生理学家汉马尔斯腾教授当助手。直到1891年,在奥斯特瓦尔德的推荐下,阿累尼乌斯收
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