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
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。