高中生物竞赛入门——第一讲《水和盐》

1、第四单元第四单元 生命的物质基础生命的物质基础 第一节第一节 元素组成元素组成各种细胞形态各异、功能不同，但化学组各种细胞形态各异、功能不同，但化学组成却基本相似。成却基本相似。*C、H、N、O、P、S、Ca约占细胞约占细胞总重量的总重量的99.35%。 C、H、N、O四种元素占四种元素占96%，是构，是构成各种化合物的主要成分。成各种化合物的主要成分。*其他元素含量很少，甚至以痕量存在，但其他元素含量很少，甚至以痕量存在，但仍为细胞中不可缺少。如：仍为细胞中不可缺少。如：Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Mg等是酶的辅等是酶的辅 助因子。助因子。* *另有一些仅偶然存在于细胞中，另有一些仅偶然存

2、在于细胞中，作用不详，有些可能对生命活动作用不详，有些可能对生命活动有一定意义。有一定意义。* *C C有特别重要的作用有特别重要的作用。C C原子比原子比较小，有较小，有4 4个外层电子，能和别的个外层电子，能和别的原子形成原子形成4 4个强共价键。尤为重要个强共价键。尤为重要的是，的是，C C原子互相键接成原子互相键接成链链或或环环，从而从而生成各种大分子生成各种大分子。所以地球。所以地球上的上的生命就是在生命就是在C C元素的基础上元素的基础上建立起来的。建立起来的。组成细胞的元素及其相对含量（组成细胞的元素及其相对含量（%）*含量最高的含量最高的4种必需元素种必需元素 碳碳C 18.0

3、 氢氢H 10.0 氮氮N 3.0 氧氧O 65.0*其他必需元素其他必需元素 磷磷P 1.1 硫硫S 0.25 钙钙Ca 2.0 钾钾K 0.35 钠钠Na0.15 氯氯 Cl 0.15 镁镁Mg 0.05 铁铁Fe 0.004 碘碘I 0.0004痕量：痕量： 锰锰Mn 钴钴Co 铜铜Cu 锌锌Zn 硒硒Se 镍镍Ni*偶然存在的元素偶然存在的元素（均为痕量存在）（均为痕量存在） 钒钒V 钼钼Mo 锂锂Li 氟氟F 溴溴Br 硅硅Si 砷砷As 锡锡Sn 钡钡Ba 人体的元素组成元素的不平衡可造成生物生长与发育障碍1）缺硒：引发克山病，大骨节病；）缺硒：引发克山病，大骨节病；2）铁积累：血

4、色沉着病（）铁积累：血色沉着病（hemochromatosis），）， 由铁质代谢异常引起，体内保留了大量的铁由铁质代谢异常引起，体内保留了大量的铁 质质,最终造成肝硬化，糖尿病及心脏受损；最终造成肝硬化，糖尿病及心脏受损；3) 铅铅: 在儿童体内积累可影响大脑发育在儿童体内积累可影响大脑发育.4) 缺镁：植物叶绿体发育受阻；缺镁：植物叶绿体发育受阻；5）多铝：红壤含有很高的铝元素，可使植物中毒。）多铝：红壤含有很高的铝元素，可使植物中毒。6) 缺钙缺钙,缺磷缺磷: 身体发育不良身体发育不良, 个子矮小个子矮小.第二节第二节 分子组成分子组成不同生物的细胞，其分子组成大体相同。不同生物的细胞，

5、其分子组成大体相同。一、水和无机盐一、水和无机盐1、水、水 ：原始生命诞生于原始：原始生命诞生于原始海洋。水是生命的介质，没海洋。水是生命的介质，没有水就没有生命。有水就没有生命。 生物离不开水，是因为生物离不开水，是因为水的特性符合生物生存的需水的特性符合生物生存的需要。要。）水是极性分子）水是极性分子 水分子中氧质子有很强的吸引水分子中氧质子有很强的吸引电子的力量，它和氢形成了有极电子的力量，它和氢形成了有极性的共价键，电子为氧所吸引，性的共价键，电子为氧所吸引，水分子中氧的一端带负电，氢的水分子中氧的一端带负电，氢的一端带正电。一端带正电。 （如右图）（如右图） 生命活动中的水溶剂生化反

6、应与代谢中的水分子1) 光合作用中能量的转移涉及水分子的光解光合作用中能量的转移涉及水分子的光解.2) 细胞呼吸涉及水分子的形成细胞呼吸涉及水分子的形成.3) 水分子参与有机化合物的水解反应水分子参与有机化合物的水解反应.4) 生物大分子聚合反应涉及水分子的生成生物大分子聚合反应涉及水分子的生成. 由于水分子是由于水分子是极性分子极性分子，所，所以每个水分子带负电的氧都和它以每个水分子带负电的氧都和它周围的另一些水分子带正电的氢周围的另一些水分子带正电的氢相吸引而形成氢键。这种氢键很相吸引而形成氢键。这种氢键很脆弱，很快就破开，每一氢键只脆弱，很快就破开，每一氢键只能保持能保持1010-10-

7、101010-11-11S S，但形成也很，但形成也很快。总结果是快。总结果是水总是以不稳定的水总是以不稳定的氢键连成一片氢键连成一片。此特性使水具有。此特性使水具有较强的较强的内聚力内聚力和和表面能力表面能力。 由于由于内聚力内聚力，水可在根、茎、，水可在根、茎、叶的导管中形成连续的水柱，故：叶的导管中形成连续的水柱，故：从部根上升至植物顶端。从部根上升至植物顶端。 由于较高的由于较高的表面能力表面能力，所以，所以水黾水黾等昆虫能在水面行走。等昆虫能在水面行走。 由于水分子的由于水分子的极性极性，它可与多种，它可与多种极性分子和极性表面结合，此即水极性分子和极性表面结合，此即水的的附着力附着

8、力。在活细胞中，水可附着。在活细胞中，水可附着于于纤维素纤维素、淀粉淀粉和和蛋白质蛋白质等多种分等多种分子上，对正常代谢具有重要意义。子上，对正常代谢具有重要意义。水分子的内聚力和粘着力植物的生长需要靠水的运输）水的比热（为）水的比热（为 1 1）较大）较大（1g水上升1需4.184J热，而空气只需1.046J） 这就使细胞的温度和代谢这就使细胞的温度和代谢速率得以保持稳定。水生生速率得以保持稳定。水生生物也因此而免遭水温剧烈变物也因此而免遭水温剧烈变化的冲击。化的冲击。）水的蒸发热较大）水的蒸发热较大（100 100 时，时， 1g1g液态水变为气态需要液态水变为气态需要2259.36J22

9、59.36J。这。这对生物的活动有利）对生物的活动有利） 出汗，利于维持体温。蒸腾作用出汗，利于维持体温。蒸腾作用使植物保持低体温。使植物保持低体温。 水的高比热和高蒸发热都是由于水的高比热和高蒸发热都是由于水分子间存在氢键之故。提高水温水分子间存在氢键之故。提高水温和水的汽化都必须打开氢键，使分和水的汽化都必须打开氢键，使分子能自由活动，而打开氢键则是需子能自由活动，而打开氢键则是需能的。能的。）固态水比液态水的）固态水比液态水的密度低密度低 水温降低，分子运动水温降低，分子运动变慢，分子间距缩小，变慢，分子间距缩小，密度增大。密度增大。4 4 时分子时分子间距最小，运动最慢，间距最小，运动

10、最慢，各水分子几乎都能与另各水分子几乎都能与另外外4 4个水分子形成氢键个水分子形成氢键（如右图）。（如右图）。 水温再下降，各水分子彼此又稍水温再下降，各水分子彼此又稍稍离开以保持最大数量氢键存在。稍离开以保持最大数量氢键存在。水温降至水温降至0 0 ，水分子互以氢键，水分子互以氢键相连而结冰，体积略大于同体积相连而结冰，体积略大于同体积液态水，密度低于液态水。液态水，密度低于液态水。 这一特性对水生生物至为重要。这一特性对水生生物至为重要。另外，结冰时散热，冰融时吸热，另外，结冰时散热，冰融时吸热，此过程有缓冲水温变化的作用，此过程有缓冲水温变化的作用，也对生物有利。也对生物有利。）水是最

11、好的溶剂）水是最好的溶剂 这也与水分子的极性有关。这也与水分子的极性有关。生命系统中很多分子都是电解质生命系统中很多分子都是电解质或是极性分子，如糖类分子，它或是极性分子，如糖类分子，它们都溶于水，所以水是生命系统们都溶于水，所以水是生命系统中各化学反应的理想介质。没有中各化学反应的理想介质。没有极性的分子，如脂类分子不溶于极性的分子，如脂类分子不溶于水，它们是生物膜的主要成分，水，它们是生物膜的主要成分，由于它们的疏水性，膜才能存在由于它们的疏水性，膜才能存在而不被溶解。而不被溶解。水的pH值与缓冲液1) 常温常温(250C)下纯粹水每下纯粹水每10-7个分子中只有一个分子中只有一个水分子解

12、离为个水分子解离为H+和和OH.2) 大多数生物的体液大多数生物的体液pH值在值在pH 6pH 8之间之间, 人体血液的人体血液的pH值接近值接近7.4, 如果血液如果血液pH降至降至7以下或高于以下或高于7.8, 只能存活几分种只能存活几分种.3) 生物可利用缓冲液调节体内生物可利用缓冲液调节体内pH值的变化值的变化, 以以保证生化反应的正常进行保证生化反应的正常进行.4) 人体血液和其它生物体液的缓冲液之一为碳人体血液和其它生物体液的缓冲液之一为碳酸酸 (H2CO3), H2CO3 = HCO3 + H+.5) 酸雨对生物会造成毁灭性灾害酸雨对生物会造成毁灭性灾害.水的结冰与人体低温保存水

13、的结冰与人体低温保存1) 有人设想采取低温办法将不治之症的有人设想采取低温办法将不治之症的患者低温保存患者低温保存,待将来科技发达之后再待将来科技发达之后再使之复苏治疗使之复苏治疗, 以此延长寿命以此延长寿命.2) 另一些人设想另一些人设想, 为了知道为了知道200百年后的百年后的世界是何模样世界是何模样, 现在可用低温将活体保现在可用低温将活体保存存, 200年后再使身体恢复到正常体温年后再使身体恢复到正常体温, 继续生活继续生活.3) 您认为这有可能吗您认为这有可能吗? 附：水的电离附：水的电离 水的一部分分子可解离成水的一部分分子可解离成 H H+ +和和OHOH- - ： H H2 2

14、O O H H+ + + + OHOH- -此种写法是为了方便，实际上水并不能解此种写法是为了方便，实际上水并不能解离为游离的离为游离的H H+ +，而是水分子中的一个氢质，而是水分子中的一个氢质子脱离其外周而跳到另一个水分子上去，子脱离其外周而跳到另一个水分子上去，结果结果2 2个水分子产生一个带正电的个水分子产生一个带正电的H H3 3O O+ +和和一个带负电的一个带负电的OHOH- - ： H H2 2O + HO + H2 2O O H H3 3O O+ + + + OHOH- - 纯水纯水2525时：时：H H3 3O O+ +=H H+ +=OHOH- - =1.010-7 mo

15、l/L（pH： 以以mol/L为单位的氢离子浓度的为单位的氢离子浓度的负对数）负对数）2 2、无机盐、无机盐： 细胞中的无机盐一细胞中的无机盐一般以离子状态存在，般以离子状态存在，如如NaNa+ +、K K+ +、CaCa2+2+、MgMg2+ 2+ 、ClCl - - 、HPOHPO4 42- 2-、HCOHCO3 3- - 等。等。功能：功能：对细胞的对细胞的渗透压渗透压和和pHpH起重要起重要的调节作用。的调节作用。 有些离子是有些离子是酶的活化因子和酶的活化因子和调节因子调节因子，如，如MgMg2+ 2+ 和和CaCa2+2+等。等。有些离子是有些离子是合成有机物的原合成有机物的原料料，如，如POPO4 43- 3-是合成磷脂、核苷是合成磷脂、核苷酸等的原料、酸等的原料、FeFe2+2+是合成是合成HbHb的的原料。原料。 生物生存环境的生物生存环境的pHpH范围为范围为3 38.58.5, ,但对一种生物来说但对一种生物来说, ,其其生命活动的适宜生命活动的适宜pHpH范围要窄范围要窄得多。细胞中的各种离子有得多。细胞中的各种离子有一定的缓冲能力，可在