化学与人类文明笔记

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

19——21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1012~1013cm），但通常有一个带正电荷的原子核（使α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γ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λ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=hc／λ

3、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λ或频率ν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10-12~10-13cm），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（ⅠA-ⅧA）；3-12列为副族元素（ⅢB-ⅡB），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λ=h／p= h／m

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

①波动性——λ德布罗衣波

②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α-螺旋和β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β—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）控制污染源

（2）采用无污染运输

（3）其他对策。

（四）酸雨的形成——主要由煤烟型污染而引起

所谓酸雨是指PH〈5.6的降水，是大气污染的现象之一。

3、酸雨对环境的危害——破坏生态平衡

酸雨已被公认为全球性的重大环境问题之一，主要是：

（1）使水域和土壤酸化，损害农作物和林木的生长，危害渔业生产（pH〈4.8时，鱼类就会消失〉；

（2）腐蚀建筑物，工程设备和文化古迹；

（3）危害人类健康

4、防治酸雨的主要措施防治酸雨最根本的方法是控制SO2和NOx在大气中的排放量。

（1）燃料脱硫，（2）烟气脱硫，（3）对已经酸化的河流、湖泊等，采取投加石灰或石灰石的办法来中和水体的酸度。

水与人类

2、水及液体的一些理化性质

（1）其物理性质介于气体和固体之间，

（2）具有润湿现象和毛细管现象（即渗透性）；

（3）具有流动性、显著的膨胀性；

（4）可作为溶剂，包括水溶剂和非水溶剂两大类。非水溶剂，如液氨、CCl4苯及石油烃类等。

3、描述水及液体性质的几个重要物理量。

（1）粘度：（2）表面张力：（3）沸点：（4）饱和蒸气压（P饱）：

水体污染的两种类型

（1）自然污染

（2）人为污染

2、影响较大的几类污染物

（1）重金属污染

（2）酸碱污染物

（3）有害的有机污染物

（4）碳氢化合物、脂肪和蛋白质

（5）水体的富营养化

（6）石油

（7）热污染

世界水资源：地球上约有13.6*108km3水，其中海水占97.3%，冰帽和冰川占2.14%，地表水（包括江、河、湖泊）约占0.02%，地下水占0.61%，即地表水和地下淡水量总和只占总水量的0.63%。大气中的水蒸气不到0.01%。

1、水的化学净化（1）物理净化（2）化学净化（3）曝气除味（4）氯气消毒

绿色化学又称环境无害化学或称环境友好化学，包括三个方面的内容：

（1）原料的绿色化（2）化学反应的绿色化（3）产品的绿色化

绿色化学不是通常所说的“三废“治理（废气、废水和废渣），而是从”源头上“清除污染，使废物不再产生的一种新的概念。