化学与人类文明笔记.doc

化学是一门古老而又生机勃勃的科学。化学元素和化合物种是人类赖化学是一门中心的、实用的和创造性的科学。研究对象化学是研究物质及其变化的科学。化学主要是在原子、分子或离子等层次上研究物质的组成、结构、性能，相互变化及变化过程中的能量关系的科学。 2、物质的定义与基本特征 （1）物质是标志客观实在的哲学范畴，是在客观世界中存在、运动和变化的主体，是一切客观现象的基础。 （2）物质的两种主要形态和层次 “实物质”也称聚集态或层次，如原子、分子、离子及电子、微子、夸克等。 “非实物”也称自由态，则由光子构成，可以在时空中独立存在和运动，也可依附于“实物质”形态而存在。 “实物质”和“非实物”的界限静止质量是大于零。物质的聚集状态 常见的有：气态、液态、固态，如 H2O(固) H2O(液) H2O(气) 另有：液晶态、等离子态、超密度态等化学既是一门自然学科，但同其它学科相比，其显著特点是更强调其实验和实践性，所以，也是一门实验学科、化学与其它学科的联络第一层次：化学与应用化学第二层次：无机化学、分析化学、有机化学、物理与结构化学、高分子化学第三层次：化学工程、生物化学、药物化学、环境化学、材料化学、地球化学、宇宙化学、核化学、海洋化学等道尔顿：原子论、气体分压定律（被称为“化学之父”）（1827）阿佛加德罗：提出分子假说（1811）门捷列夫：元素周期律（1869）盖斯等：热化学计算定律吉布斯等：化学平衡定律1921世纪化学的特点 1、发展速度更快，更加日新月异。 2、化学研究由宏观到微观、由定性到定量、由稳定态到亚稳态、由经验上升到理论。 3、化学的数字化程度大大加强，电子计算机在化学中的应用日益扩大。 4、实验水平日益提高，一大批实验和测试仪器诞生和应用，表现为精密度高，实验效率高，自动化程度高。 5、新的分支学科和交叉边缘学科大量增加，化学内部二级学科的界限越来越模糊，化学同其他学科的关系也愈来愈密切，化学已被公认为是一门中心科学，当前全球最关注的社会热点问题都与化学密切相关。 诺贝尔奖给我们的启示： 科学精神 创新精神 牺牲精神古代化学古代的元素起源学“五行学说”金、木、水、火、土（阴阳关系）古希腊的“四元素说”水、火、土、气（爱憎关系）古希腊的原子概念宇宙万物是由最微小、最坚硬、不可入和不可分的物质粒子所组成，并首次称这种粒子为原子（atom）万物之所以不同，是由于构成万物本身的原子数目、形状和排列上的不同而产生的无数原子在空间不停地运动，互相碰撞形成了世界万物，包括日月星辰，甚至人的灵魂也是由原子构成道尔顿原子假说1.元素是由非常微小的看不见的原子组成，其原子是一种既不能创造又不能毁灭，且不能再分割的微粒，并在化学反应中保持基本性质不变。2.同种元素的原子，其形状、质量和性质均相同。而不同元素的原子则不同，每种元素及其原子的质量为最基本的特征。3.原子以简单的比例结合成化合物，并称为复杂原子，它的质量为所含各种元素原子质量的总和。 同种化合物其性质和质量也必然不同。卢瑟福和原子模型（行星模型）（三）行星模型要点：1、原子中有一个体积很小（约10121013cm），但通常有一个带正电荷的原子核（使粒子发生偏射或反射）2、原子中大部分是空的，原子核集中了原子的全部质量3、电子围绕原子核作圆周运动时，它可以出现在不同距离的圆形轨道上，就像行星围绕太远旋转一样运动光谱1、光与电磁辐射：各种光辐射都是由电磁运动产生的，所以统称为电池辐射，包括射线，X射线，可见光、红外光（热辐射）、无线电辐射（短、中、长波）和微波。其波长由短至长，频率v则是由大至小。2、光的二象性所有光辐射或电磁辐射所遵守的共同规律性。（1）波动性，即传播运动的波动性（2）粒子性，即光子能量的不连续性。爱因斯坦著名的光电效应普朗克公式E=hv=hc3、光谱的定义和类型（1）光谱的定义各种不同形式的电磁辐射按其波长或频率的大小依次排列所形成的图像称为光谱。（2）光谱的类型发射光谱与吸收光谱原子光谱与分子光谱连续光谱与不连续光谱（或线状光谱）现代原子结构模型 不遵守经典物理学的力学定律和电磁学定律，只能用新兴的微观粒子物理学或量子力学解释。 1.波粒二象性：既有波动性又有粒子性 2.遵守测不准原理或不确定原理 3.统计性规律电子云的概念（或概率密度） 4.量子化特征电子运动的各项物理量具有不连续性 5.核外电子是分层排布的排布三原则（能量最低原则、保里不相容原则、洪特规则）一、元素和原子的组成 1、元素是同类原子的总称，现已发现118种化学元素，其中包括：金属元素、非金属元素、放射性元素、人造元素 2、原子是由原子核和核外电子组成的，而原子核又是由质子和中子组成的，原子核带有正电荷（或质子电荷），通过静电引力作用将带负电荷的电子束缚在核外一定的空间运动。 3、原子核中的质子数（Z）与中子数(N)之和称为该原子的质量数A 又散射实验证明，原子的体积很小（约10-1210-13cm），大部分是空的，其原子质量主要集中于原子核。 4、原子核中的质子数（Z）相同，但中子数（N）不同的元素互称同位素。 化学元素&元素周期表 二、现代元素周期表的构成 现在已知的111种元素在周期表中已各就各位，有条不紊。 1、横向分为7个周期。显著特征是，每个周期对应一个能级组和电子层，即 Pauling原子轨道似能级图（见原2-4多电子原子结构） 周期与能级组对应表 周期号数=对应的最大电子层数=对应的能级组 2、纵向分为18个列，其中1-2列和13-18列为主族元素（A-A）；3-12列为副族元素（B-B），其显著特点是各族的价电子构型相同。 元素的性质很大程度上取决于其价电子构型和价电子数， 3、根据价电子构型的不同，周期表可分为5个区对应关系如下：S区：碱金属和碱土金属 P区：非金属和金属 d区：过渡金属 ds区：贵金属、重金属 f 区:镧系金属（稀土金属）锕系金属（放射性）金属元素1.Na(钠) : NaCl(食盐) Na2CO3(纯碱)、NaOH(烧碱)，工业上常用的两碱2.常用的金属材料 Fe (铁) ，钢铁和铁合金 Cr (铬)， 不锈钢 Al (铝), 铝合金3.贵金属：Cu（铜）、Ag(银)、Au(金)、Pt(铂)4.镧系金属（也称稀土金属，常用于尖端科学技术设备）5.放射性金属：Ra(镭)、U(铀)、Pu(钋)常作为核武器材料波粒二相性 =hp= hm其中h是普朗克常数，p是电子的动量，m是电子的质量，是电子的速度。公式可见波动性德布罗衣波粒子性：p、m、v核外电子分布三规则： 最低能量原理 Pauli不相容原理 Hund 规则 元素周期律：元素以及由它形成的单质和化合物的性质，随着元素的原子序数(核电荷数)的依次递增，呈现周期性的变化。 周期号数等于电子层数。 各周期元素的数目等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。 主族元素的族号数等于原子最外层电子数。 同一族：从上到下，Z*增加，但不显著。氢键 ： 分子间存在氢键时, 大大地影响了分子间的结合力, 故物质的熔点、沸点将升高。 分子内存在氢键时，削弱分子间氢键的形成，化合物的沸点、熔点不是很高。 生命的起源1.蛋白质起源学蛋白质在生命起源中的关键作用2.核酸起源学强调核酸在编码蛋白质系列中的重要作用。（诺贝尔化学奖1989）3.手性分子起源学蛋白质在所有生物分子中结构最具多样性，功能最具多样性，一切生命活动无不与蛋白质有关，其主要特征是：1.蛋白质的组成特征氨基酸单元（残基）蛋白质是由各种不同的氨基酸构成的生物大 分子，其主要组成元素是C、N、H、0，其次 含有S、P、Fe、Cu等。3.蛋白质的结构特征四级结构层次一级结构：肽链中氨基酸（残基）的数目、种类和连接顺序。决定了蛋白质的功能和生理活性，只要有一个发生变化，整个蛋白质分子就会破坏。二级结构：是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式，并形成-螺旋和折叠结构两种构型三级结构：是指二级结构再次折叠卷曲形成的高级结构，四级结构：是指几个蛋白质分子（称亚基）聚集而形成的更高级结构。通常只有那些具有高级结构的蛋白质才有生物活性。4.蛋白质的性质特征生物功能最具多样性。在新陈代谢活动的作用：生物的生长、运动、呼吸、免疫、消化、光合作用，对外环境变化及感觉并作出的反应等。在核酸遗传信息中的作用。酶蛋白质的催化作用。具有强的吸水性，不会透出细胞膜和血管壁（分子极大的原因）蛋白质的结构与合成研究获多项诺贝尔化学奖2.核酸的结构一级和双螺旋结构（1）DNA的一级结构由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸所组成。因为生物的遗传贮存于DNA的核苷酸序列中，生物界物种的多样性即寓于DNA分子四种核苷酸千变万化的不同排列之中。（2）DNA的双螺旋结构模型碱基互补配对原则：A与T配对，G与C配对。遗传信息基因及其本质基因是染色体上呈直线排列的遗传单位或一个特定的DNA片段。DNA分子 DNA分子带有两类不同的遗传信息： 一类是负责编码蛋白质的氨基酸序列的信息。蛋白质的氨基酸序列叫蛋白质的一级结构。DNA的一级结构与蛋白质的一级结构之间存在着对应关系，即DNA决定蛋白质的结构。 另一类遗传信息与基因信息的表达有关，即负责基因的选择性表达，并对基因的表达起调控作用。 在DNA分子中，A、G、C、T四种脱氧核糖核苷酸单位呈现线性排列，其排列顺序就是DNA的一级结构。DNA的一级结构以密码的方式蕴藏了遗传信息。DNA分子中的A、G、C和T的排列并不是无规则的或随机的，实际上它们都是高度有序的，DNA分子各有特定的序列。中心法则1、DNA是如何复制的？半保留式复制（3）遗传密码表密码字典什么是遗传密码？三联体密码（4）中心法则翻译复制转录基因工程DNA重组技术酶 1.组成定义：酶是一类由生物细胞产生的且以蛋白质为主要成分的，具有催化活性的生物大分子（多数为球形蛋白）光合作用2.ATP生物体内的能量使者什么是ATP？三磷酸腺苷（核苷酸）英文名称的缩写，是由一分子腺嘌呤，一分子核糖和三分子磷酸化合连接而成。ATP是推动生化过程的化学能源人类与化学人体内的化学元素1、必需元素（约30余种）常量元素（11种）约占99.5%，其中：C、H、O、N约占96%，S、P、Cl、Ca、Mg、Na、K等约占3.95%微量元素（14种）包括Fe、Zn、Se、I、F、B等约占0.05%2、非必需元素（20-30种） 其生物效应和作用还未被人们所认识，有待研究，所以称为非必需元素。3、有害元素 如Hg、Pb、Cd、As等是能显著毒害机体的元素。元素在人体内的作用1、结构材料 C、H、O、N、S等以构成有机大分子，如蛋白质和糖类等。Ca、P等构成硬组织。2、运载作用 如含有铁（Fe2+）的血红蛋白对O2和CO2的运载作用，包括呼吸、输运、体内的传递和能量的新陈代谢等。 3、激活剂 人体内约四分之一的酶的活性必须有金属离子的参与，才能发挥它的催化功能。4、调节体液的物理与化学特性 体液主要由水和电解质组成，存在于体液内的Na+、K+、Cl-等发挥了重要作用。5、“信使”作用 如Ca2+是作为细胞中功能最多的“信使”。 6、综合生物功能作用营养&营养素 人体从外界获取事物满足生理需要的过程称为营养。营养是维持人体生命的先决条件，是保证身心健康的物质基础，其中包括摄取、消化、吸收和体内利用等。 营养素：是保证人体生长、发育、繁衍和维持健康的物质。目前已经有40-45种人体必需的营养素：其中最主要的有糖类（或称碳水化合物）、蛋白质、脂类、水、矿物质和维生素等六类物质。（二）营养素对人体的主要生物功能 1、作为能源物质，提供人体从事劳动所需的能量，依次是糖类、脂类、蛋白质类等； 2、作为人体结构的物质供给身体生长、发育和修补组织所需的原料，如蛋白质、脂类等； 3、调节生理功能，（三）人体内的物质交换1、新陈代谢 食物在体内消化后，营养素即被吸收进入血液循环，供组织细胞进一步利用，并发生多种不同的化学反应，并转变为能量或组织材料，这些反应总称新陈代谢，包括消化吸收，中间代谢和排泄三个阶段。2、生物转化 消化过程主要是由一系列消化酶完成的。食物经过消化，将大分子物质转化为小分子物质，然后通过肝脏或肾脏等途径排出体外。 维生素和矿物质 从食物的细胞中释放出来，通过消化道（管壁） 进入血液循环（吸收过程）六大营养素（一）糖类生物体内的主要能量来源，并发挥其他作用4、碳水化合物的营养和主要生理功能 （1）供给热能。 C6H12O6(S)+6O2(g)=6CO2(g)+6H2O(L)+Q（2）构成机体组织。 蛋白质2、主要营养生物功能。（1）构成和修补机体组织 （2）调节生理功能。 （3）运输功能。 （4）增强机体的免疫力。（5）供给热能，脂类 脂类是脂肪和类脂的总称。 类脂是一类性质类似于油脂的物质，包括磷脂、糖脂、脂蛋白、固醇和蜡。脂蛋白是血液中脂类的主要运输工具。3、脂类的营养生物功能。 脂类是一类重要物质，它以各种形式存在于人体的各种组织中，是构成人体组织细胞的重要成分之一，在人体内具有重要的生理作用。 （1）供能与储能。 硬脂酸的氧化反应如下： C17H35COOH(S)+2CO2(g)=18CO2(g)+18H2O(L)+Q（2）构成生物膜。 （3）维持体温、保护脏器。 既对重要器官起固定支持、又犹如软垫起到保护作用。（4）促进脂溶性维生素A、D、K、E及胡萝卜素的溶解和吸收。（5）供给必需的脂肪酸，调节生理功能，（6）提高食物的美味和饱腹感。维生素（四）维生素维持人体正常生理功能所必需的一类小分子有机化合物。（1）存在于天然食物中，但没有一种天然食物能提供人体所需的全部维生素。（2）在人体内不能提供热能，也不是肌体的组成部分。（3）参与维持肌体正常生理功能。（4）必须由食物不断汲取。两大类维生素（1）脂溶性维生素，主要有维生素A、D、E、K。（2）水溶性维生素，主要有维生素C（抗环血酸）及B1、B2、B3、B6、B12。维生素功能 维生素A：能保持正常视觉，严重缺乏者容易引起夜盲症； 维生素D：能促进钙和磷在小肠内吸收，维持血清中钙磷浓度的稳定，是调节钙磷正常代谢所必需的。还能促进牙齿和骨骼的正常生长，促进骨组织的钙化，促进皮肤的新陈代谢等； 维生素E：又称生育酚，是一种极有效的天然抗氧化剂，具有抗衰老作用，能促进肌肉的生长发育。严重缺乏者，会引起肌肉萎缩症等； 维生素C（又称抗坏血酸）：能防止坏血病，有利于组织创伤的愈合。严重缺乏者，会感到全身乏力，食欲减退，容易出血等症。矿物质人体中所有的元素中，除C、H、O、N主要以有机化合物（如蛋白质、核酸、糖、脂类等）的形式存在外，其余各种元素均成为矿物质， 1、钙骨骼和牙齿的主要成分，多种酶的激活剂。2、铁（1）非血红素铁： （2）血红素铁：3、锌是人体中70多个不同种属的酶的组成成分，是调节DNA聚合酶的必需组成部分。4、碘主要以蛋白质结合碘形式。碘在人体有两条利用途径：一是被甲状腺所利用，合成甲状腺素。二是在肝脏与葡萄醛酸结合随胆汁肠道。食品添加剂食品中危害较大的3种致癌物为黄曲霉素、亚硝胺和苯并a芘。一、世纪神药阿司匹林（Aspirin）二、从染料到磺胺药非常有效的杀菌剂1、青霉素2、头孢菌素 四、化学家是如何创造新药物的？ 1、从天然产物中寻找新药物2、基于构效关系的药物分子设计3、基于靶分子的合理药物设计环境与生态文明 人类环境可分为自然环境和社会环境（又称人工环境） 2、生态平衡 最主要的化学物质的循环包括水循环、氮循环、氧循环和碳循环。1、水循环 所有生物机体组成中都含有水，自然界中绝大多数生物及非生物变化多在水中进行，没有水参与的循环，就没有生态系统的功能，生命就不能维持， 2、氮循环 氮是蛋白质的基本组成元素之一，所有生物体均含有蛋白质，所以氮的循环涉及到生物圈的全部组成。 （2）生物固氮（模拟豆科植物根瘤菌和固氮酶）3、碳循环 碳是构成生物体的最基本的元素之一，也是构成地壳岩石、煤、石油、天然气等的主要元素，其物种约4000万种之多，具有成键的特殊性。4、氧循环 氧在自然界中含量丰富，分布广泛，而且性质活泼，环境中处处有游离态的氧（O2）和化合态的氧（如NO3-、SO42-、CO32-、SiO32-等等）,所以氧在自然界的循环最为复杂。气体的性质1、气体具有可压缩性2、气体具有扩散性3、气体分子处于永恒的且无规则的运动，没有固体的体积和确定的形状，分子本身体积和分子间作用都很小，一般可以忽略。4、理想气体与真实气体 如果忽略了分子本身的体积和分子间的作用力，这在科学研究中叫做理想气体，或称理想气体模型。大气层1、对流层最可能发生大气污染2、平流层臭气（O3）含量较高的大气层（或称臭氧层）1、八大类主要污染物2、四大类主要污染来源 大气污染的主要来源于人类生活及生产活动，其中燃料的燃烧是造成大气污染的主要原因。大气的人为污染可分为四大类： （1）生活来源： （2）工业生产： （3）农业生产： （4）交通、运输： 4、四大污染现象（一）臭氧层空洞1、臭氧层空洞对人类的威胁2、影响大气臭氧层的化学物质及来源（1）氟里昂系列氟氯甲烷（2）哈龙系列溴的卤代甲烷和卤代乙烷（3）氧化氮（NO），（二）温室效应1、温室效应与温室气体 温室效应：地球大气中CO2等微量气体，可以让太阳短波辐射自由通过（吸收极少），而对地表的长波辐射有强烈吸收作用，这些气体有类似花房温室的玻璃的作用，使大气的温度升高，故称为温室效应。温室气体：包括CO2、CFC、N2O、O3，（三）汽车与光化学烟雾光化学烟雾危害： （1）对人体的影响（2）对植物的危害（3）降低大气的能见度是光化学烟雾的重要特征之一，(4)其他危害：如加速橡胶制品的老化和龟裂、腐蚀建筑物和衣物、缩短其使用寿命。3、光化学烟雾的控制对策（1）控制