自然科学概要（第二版）（微课版）课件 第11章 现代化学

1原子的结构CONTENTS第11章现代化学生命的基本化学组成211.1知识标准识记量子数、主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数的取值范围及作用。理解原子核外电子的排布规律。理解元素周期律的本质。

第一节原子的结构

一、四个量子数1926年，奥地利科学家薛定谔提出了二级偏微分方程：

这是一个描述一个粒子在三维势场中的定态薛定谔方程。所谓势场，就是粒子在其中会有势能的场，电场就是一个带电粒子的势场；所谓定态，就是假设波函数不随时间变化。E是粒子本身的能量；V(x，y，z)是描述势场的函数。这个方程的数学解很多，但从物理意义看，必须引出四个参数，这四个参数就叫量子数。

所谓量子数，是指表示微观运动状态的一些特定的不连续的数字。原子中电子运动状态的四个量子数是：n，l，ml，ms。其中:n为主量子数；l为角量子数；ml为磁量子数；ms为自旋量子数。三维势场示意图

1.主量子数（n）主量子数在确定电子运动的能量时起头等重要的作用。

当主量子数增加时，电子的能量随着增加，电子离核的平均距离也相应增加。

当n=1，2，3，4，5，6，7；对应的电子层从里到外依次用字母K，L，M，N，O，P，Q来区别表示。

2.角量子数（l）

角量子数确定原子轨道的形状，并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。对于给定的n值，l只能取小于n的正整数。

当l=0，1，2，3，…（n-1）；相应能级的符号为：s，p，d，f

…。

s为球型，p为哑铃型，d为花瓣型，f轨道更为复杂

3.磁量子数（

ml

）

磁量子数ml

决定每种轨道在空间的不同延伸方向。角量子数决定磁量子数，磁量子数等于（2l+1）。对于每种形状轨道，磁量子数的取值分别是：

ml

=0，±1，±2，±3，…±l。磁量子数l

和角量子数ml

的关系和它们确定的空间取向为：

轨道s、p、d、f分别有1个、3个、5个和7个空间取向。轨道s、p、d、f分别有1个、3个、5个和7个空间取向4.自旋量子数（ms）

自旋磁量子数ms，表示电子的自旋运动情况。原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋运动。

电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向。它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。通常取值为±1/2，用↑和↓符号表示，称为自旋量子数。电子的自旋有顺时针方向和逆时针方向

核外电子运动的可能状态数

二、原子核外电子分布规律

3.能量最小原理

在原子系统内，每个电子总是趋向于占有最低的能级。如果有n个相同的轨道，则电子在成对前分别平行填充各轨道；

当原子中每个电子能量最小时，整个原子的能量最低，此时原子处于稳定状态。

4.实际排布情况

核外电子严格按能量最小原理排布。

一般来说，能级层高则能量大，但不是绝对的。如果把壳层与人的辈分对应，把能量与人的年龄对应,那么随着世代的繁衍，就会出现辈分小的人比辈分大的人年龄大的情况。主量子数n角量子数l原子轨道符号相对能量n+0.7l101s1202s212p2.7303s313p3.723d4.4404s414p4.724d5.434f6.1505s515p5.725d6.435f7.1457.8606s616p6.726d7.4

理论值：Zn＝2n2核外电子实际排布情况

三、元素周期律

1.元素周期律的本质

在近代，门捷列夫发现的元素周期律是：化学元素按原子量的大小排列起来，化学性质会呈现出明显的周期性；在现代，发现元素的性质是随原子序数的增加而呈周期性变化的，而不是像过去认为的那样是由于原子量的增加而呈周期性变化的，两者的区别明显表现在同位素概念方面。

例如，原子序数79的Au（金）原子量为197，原子序数78的Pt（铂）同位素原子量为198；原子序数47的Ag（银）原子量为108，原子序数46的Pd（钯）同位素原子量为110。原子量的大小排列不能解释化学性质的周期性变化。元素的性质是随原子序数的增加而呈周期性变化的

2.元素性质的周期性变化

总的说来，元素在周期表中的位置，或者说元素的性质和周期性的变化是随着原子序数的变化而变化的。原子核外电子的总数等于原子核内的质子数或电荷数，即等于原子序数。元素周期律深刻反映了元素之间的内在联系，特别是反映了原子核外电子的排列分布情况，对于人们认识原子结构和发现新元素等有重要指导意义。

（1）元素在周期表中的周期数，等于该元素的原子的核外电子的壳层数，即主量子数。

（2）同一周期中的元素，从左向右，电子的数目由1变化到8，形成不同的族，其金属性依次减弱，非金属性逐渐增强，直至惰性气体。

（3）同一族的元素，由于最外层电子数目相同，其化学性质极为相似。

原子序数1-18核外电子的分布规律示意图思考与练习

1.量子数、主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数的取值范围及作用是什么？2.画出原子序数1—18元素的原子核外电子分布图。3.元素周期律的本质是什么？1原子的结构CONTENTS第11章现代化学生命的基本化学组成211.2课程标准1.知识标准

识记单糖、双糖、多糖、脂肪、蛋白质、核酸、核苷酸的组成。理解蛋白质的多样性、核酸的多样性。

理解DNA和RNA的区别。2.能力目标具备初步创新思维工作能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。

第二节生命的基本化学组成

一、糖类

1.单糖单糖是最简单的糖，最常见和最重要的单糖是葡萄糖，它的分子式为C6H12O6。1克葡萄糖彻底氧化可释放出17138焦耳（J）的热量。除葡萄糖外，高等动物和人类乳汁中的半乳糖、蜂蜜和鲜果中的果糖等都属于单糖。它们是葡萄糖的同分异构体。

2.双糖

双糖是由两个单糖分子脱去一分子水缩合而成的，分子式为C12H22O11。

植物中最重要的双糖是蔗糖和麦芽糖；动物中主要是乳糖，它们都溶于水，便于在生物体内运输。

当生物体需要能量时，它们又可水解成各自组成的单糖。麦芽糖、蔗糖、乳糖双塘分子

3.多糖

多糖是由许多个单糖分子脱水缩合而成为链状或分支链状结构的大分子。植物中最重要的贮藏多糖是淀粉（弯曲）。动物中最重要的贮藏多糖是糖原（侧链多）。

纤维素（直链）是重要的结构多糖。植物细胞的细胞壁主要成分是纤维素，棉花、竹、木，除水分外几乎全部由纤维素组成，它们依赖纤维素的支撑，保持生物体的形态和坚韧性。淀粉、糖原、纤维素多塘分子

二、脂类

1.脂肪在动物的脂肪组织和油料作物种子里，脂肪的含量特别高。1克脂肪彻底氧化，可释放出38874焦耳（J）的热能，比糖的热能高一倍多，因此脂肪是生物体内最经济的贮能物质。2.磷脂生物体内最重要的类脂是磷脂，磷脂是构成细胞膜的基本原料。

每个磷脂分子都有一个亲水性头部和疏水性尾部。当磷脂分子被水包围时，便会自动排列为双层分子的膜，在膜的两侧是亲水性头部，而疏水性尾部则朝向膜的内面。所以磷脂在细胞里参与膜结构的形成。脂肪分子结构细胞膜的结构

3.胆固醇

人体和动物中最重要的固醇类是胆固醇。

胆固醇在紫外线照射下，在体内能转变成维生素D、肾上腺皮质激素和性激素，调节人体和动物的生长、发育和代谢等重要生理过程。但如果体内胆固醇含量过高或胆固醇代谢失调，会使动脉硬化、血管阻塞，引起高血压、心脏病和中风。

蛋白质是生命最基本的物质之一。组成生物体的有机物中，蛋白质的含量较高，约占身体干重的50%左右。最简单的蛋白质的相对分子质量也有6000左右，大的蛋白质其相对分子质量可达几百万以上。组成蛋白质的单体是氨基酸。

三、蛋白质含蛋白质高的食品

1.氨基酸

现已知组成蛋白质的氨基酸有20种，这20种氨基酸在结构上具有共同的特点，即每种氨基酸至少含有一个氨基和一个羧基，并且都连接在同一个碳原子上。

2.肽键

当两个氨基酸相互连接时，脱去一分子水，缩合形成肽键。

这样，两个氨基酸分子就连接成二肽。二肽分子中还有一个自由的氨基和一个自由的羧基，都可以分别与其他氨基酸脱水缩合成三肽、四肽。多个氨基酸脱水缩会形成多肽，由于多肽是链状结构又称多肽链。3.蛋白质的多样性蛋白质分子是由一条或几条多肽链聚合而成的，它包含着上百个乃至上千个氨基酸。由于氨基酸的种类和排列的顺序不同，构成了蛋白质的多样性，就像26个英文字母，可以拼出成千上万个单词一样。

同时蛋白质分子中的多肽键可以不同的方式折叠，又构成了蛋白质复杂而多样的空间结构，这也是构成蛋白质多样性的原因。

四、核酸

核酸最初是从细胞核中提取出来的，呈酸性，故名核酸。

核酸是由许多核苷酸组成的多核苷酸链。

生物体内存在两大类核酸，一类是脱氧核糖核酸，简称DNA，主要存在于细胞核中。另一类是核糖核酸，简称RNA，主要存在于细胞质中。核酸也是生物大分子，相对分子质量差别很大，小的2.5万，大的可达到3000万。核酸是生物的遗传物质。

1.核苷酸

把DNA和RNA可以分别得到4种核苷酸。每个核苷酸由3种成分组成：一个五碳糖、一个磷酸和一个含氮碱基。在DNA中，五碳糖都是脱氧核糖。含氮碱基有4种即：鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）；

胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）。在RNA中，五碳糖都是核糖（比脱氧核糖多一个氢原子），含氮碱基也是4种，即：鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）；