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高中生物学中的基础化学
高中生物学中的基础化学
· 原子、元素、同位素
· 分子、离子与化学键
· 分子作用力
· 电解质与化学电离
·化学反应的实质及其影响因素
·化学平衡及其移动的原理
· 水的电离和溶液的pH值
·氧化还原反应的实质
· 有机化合物
·物质的相溶性原理
· 原子
· 元素：核质子数相同、中子数不同的各种原子的统称 · 同位素 ：同种元素的不同原子之间的互称。在同位素
中，核不发生变化的原子称为稳定同位素，核易发生 质量或电量变化的原子称为不稳定同位素，或放射性
同位素。
· a、β、γ射线 ：α射线是放射性的原子核释放的一个 He核，β射线是原子核释放的一个电 子，γ射线是伴随 原子核释放α射线或β射线时同时释放的一个 光 子。这 些射线容易被检测。
质子 — — 每 个 质 子 带 一 个 单 位 的 正 电 荷
原 子 核
-中 子— — 不 带 电
核外电子—— 每个电子带一个单位的负电荷
一、原子、元素、同位素
原子-
一、原子、元素、同位素
· 原子、元素、同位素、αβγ射线
· 生物体的主要元素组成：碳、氢、氧、氮、磷、
硫、钾、钠、钙、镁、氯、铁、锰、硼、锌、铜、 钼、镍、硅、钴、碘等二、三十种主要的化学元 素。
其 中 ，碳、氢、氧、氮、磷、硫是每一生物体 中含量最多的，约占质量的95%以上，其他元素 含量很少，但通常又是细胞正常生命活动不可缺 少的。
当然，由于环境中元素种类的原因，生物体内
可能会含有少数可有可无的元素，甚至是有害的
元素。因此，环境污染会直接危害人类的健康。
元素 符号
含 量 ( % )
氧 0
66.0
碳 C
18.5
氢 H
9.5
氮 N
3.3
钙 Ca
1.5
磷 P
1.0
钾 K
0.4
硫 S
0.3
钠 Na
0.2
氯 Cl
0.2
镁 Mg
0.1
表1-1 组成人体的主要元素
二、分子、离子与化学键
·分子、离子与化学键
1.分子与共价键 共价键的极性与非极性， 分子的极性与非极性
共价键的极性与非极性
分子的极性与非极性
e-
H核
O核
6e-
水分子结构模型(平面)
H核
e-
2e
图1-2 水分子的极性原理及标识方式
二、分子、离子与化学键
· 分子、离子与化学键
1.分子与共价键 共价键的极性与非极性， 分子的极性与非极性
2.离子与离子键
p
8e
2e
十
氯原子
CI
NaCI
离子与离子键
钠离子 + 氯离子
氯化钠
8e
2e
钠原子 Na
图1-1 氯化钠“分子”的形成
离子键 8e
原子核
8e 8e
2e
2 e
二、分子、离子与化学键
·分子、离子与化学键
1.分子与共价键 共价键的极性与非极性， 分子的极性与非极性
2.离子与离子键
3.共价键和离子键之间的主要区别与联系
4.化学键的概念 分子或晶体内相邻原子/离 子间强烈的相互作用力。
·键能 大小排序为：
非极性共价键>极性共价键>离子键>氢键
水分子之间的氢键(立体)
—H · · 极性共价键| H 氢 键 0 —H··O—H · ·O—H-- · H H H 0 —H · H 水分子的结构式与水分子之间的氢键(平面)
三、分子作用力
· 氢键 分子间和
分子内的氢键
·疏水相互作用
: :H
极性共价键{ H
氢键
.0× H : :H : ;H
H H H
: :H
H
水分子的电子式与水分子之间的氢键(平面)
.
H核
2e
H核 O 核
6e
水分子结构模型(平面)
一极性共价键 … ·氢键 :孤对电子 共同电子对
图1-3 水分子的结构及水分子间的氢键
· 由于水的排斥作用，而使疏水分子之间相 互融为一体的现象称为疏水作用。
图1-4 油滴与水的接触面积
油滴
油滴融合
疏水相互作用
空气
水体
空气
水体
四、电解质与化学电离
· 电解质：溶 于水中或在熔融状态下就能够 导电的化合物。
·化 学 电 离 ：电解质在水溶液中或熔融状态 下解离成能自由移动的阴、阳离子的过程。
1. 离子化合物溶于水中或在熔融状态下都能 产生离子，因而可导电。
2.共价化合物只有溶于水中才能产生离子，
才能导电。
CIF Na+CIFNa+CF NatCl-Nat(Cl-N Cl- CF Na+CFNa Cr
CI
CI Na
· 每一个Na+的前后上下左右各有一个Cl-。同 样，每一个Clr的前后上下左右各有一个Na+。
Na+ CI-Na+(Cl7)N Cl-
CIFNa CINatCl C Na+ Cl-Na+(Cl-Nat(Cl-N
Na+CIFNa+CIFN CIFN CI
CFNa CF Na CFNa CF Na
氯化钠的晶体结构图
图1-5 氯化钠在水中的电离示意图
四 、电解质与化学电离
· 电解质：溶于水中或在熔融状态下就能够导电 的化合物。
·化学电离：电解质在水溶液中或熔融状态下解 离成能自由移动的阴、阳离子的过程。
· 强电解质与弱电解质
表1-2 强电解质与弱电解质的比较
比较项目 强电解质
弱电解质
概 食 在水板眼企部电构为需于的电解质
徙水光基仅部分电离为离子的电解员
化合物类型 含有离子键的离子化合物和具有强极性 键的共价化合物
具有极性键的共价化合物
所含物质 盐、强酸、强碱等
水、弱酸、弱碱
离信湿 完全电离，电陶位可进即不存作电窗平御
不完全电离，电离印这(即存猛感离平树
联 系 都属于电解质，其水溶液均可导电
五、化学反应的实质及其影响因素
·化学反应
· 活化分子
·有效碰撞
· 活化能
·化学反应速率的概念及其影响因素
浓度
碰撞次数
运动速率
供能
活化分子数
活化能
图1-6 细胞中化学反应速率的主要影响因素
细胞中的化学反应速率一——有效碰撞次数
温度 (加热
降低
酶
六、化学平衡及其移动的原理
·可逆反应、化学平衡和电离平衡
· 平衡移动的原理：在一个已经达到平衡的 反应中，如果改变影响平衡的条件(如温 度、压强、反应物或生成物的浓度)之一， 平衡将朝着能够减弱这种改变的方向移动。
· 细胞中影响平衡移动的因素主要是浓度
H-OH+O=C=0 一 H OH +O-C=0—O-C=O
H OH
H O +CO H CO
七、水的电离和溶液的pH值
H O+H O— 一 H O*+OH 简写为：H O——H*+OH
· 水的电离平衡常数：K =[H+][OH-]/[H O]
令水的离子积常数：Kw=K[H O]
25℃时，Kw=[H+][OH-]=10-7mol/L×10-7mol/L=10-14
溶液的pH=—Ig[H+]=7
· 物质的酸碱性 在水溶液中 ，
能电离出H+或结合OH-的物质，为酸性物质；
相反，能电离出OH-或结合H+的物质，为碱性物质； 不电离也不结合OH-或H+的物质，为中性物质。
·
HCI=H +CI NaHSO =Na +H*+SO Fe +30H =Fe(OH) ↓
NaOH =Na*+OH NH +H =NH
Na CO +H =2Na*+HCO
水的电离方程式
七、水的电离和溶液的pH值
· 缓冲溶液
1. 弱酸及其强碱盐包括碳酸及其碳酸氢钠、有
机酸及其钠盐，后者如醋酸和醋酸钠、柠檬酸和 柠檬酸钠、氨基酸和氨基酸钠，等等。
2.多元弱酸的酸式盐及其对应的次级盐如
NaH PO —Na HPO 。
3.氨及其强酸铵盐 如NH 一NH C1。
例如，碳酸和碳酸氢钠这个缓冲体系在细胞中存 在以下化学平衡：
H O+CO H,CO, 一 H*+HCO
八、氧化还原反应的实质
· 氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原 子间的电子得失。
电子的转移数 2Na×+:ci: i:
八、氧化还原反应的实质
·氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原 子间的电子得失。
le
Na
1e 转移
电子的转移数
A.钠在氯气中燃烧
十 CIi:C
2Na*
点燃
子间的电子得失。
电子的转移数2Na*+: ci : i: 点燃Na* i:+*Na———2Na ( i
1e转移
A.钠在氯气中燃烧
八、氧化还原反应的实质
· 氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原
子间的电子得失。
失电子，化合价0—+1,被氧化
1e转移
点燃
电子的转移数
1e 转移
A.钠在氯气中燃烧
八、氧化还原反应的实质
·氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原
2Na×+:ci:ci:
5
CI: +*Na
2Na*
Na
CI
子间的电子得失。
失电子，化合价0 →+1,被氧化
le转移
电子的转移数2Na×+:Ci CI Na *Na 2Na*
1e 转移
得电子，化合价0—-1,被还原
A.钠在氯气中燃烧
点燃
八、氧化还原反应的实质
·氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原
子间的电子得失。
失电子 ，化合价 0 — +1,被氧化
1e转移
电子的转移数2Na × +:0
1e 转移
得电子 ，化合价0 —-1, 被还原
A.钠在氯气中燃烧
H
H::H +:0:8:
H
甲烷 氧气
八、氧化还原反应的实质
· 氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原
共用电子对 的偏移数
Na ×Na
2Na
点燃
子间的电子得失。
失电子 ，化合价 0 — +1,被氧化
1e转移
点燃 Na +*Na 2Na
1e 转移
得电子 ，化合价0 —-1, 被还原
A.钠在氯气中燃烧
八、氧化还原反应的实质
· 氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原
H
:0::c :0:+:0 H + 热能
共用电子对 的偏移数
电子的转移数
H
H H
H
甲烷 氧气
2Na×+:0
:0::0:
点燃
C
八、氧化还原反应的实质
· 氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原 子间的电子得失。
失电子 ，化合价 0 — +1,被氧化
1e转移
2Na×+:0 点燃 Na Na 2Na*
1e 转移
得电子 ，化合价0—-1, 被还原
A.钠在氯气中燃烧
共用电子对偏离H更远，H化合价升高而被氧化
共用电子对 的偏移数
H
: H 十 热能
电子的转移数
甲烷 氧气
H
H
:0:8:
点 燃
八、氧化还原反应的实质
· 氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原 子间的电子得失。
失电子 ，化合价 0 — +1,被氧化
1e转移
点燃 Na Na 2Na*
1e 转移
得电子 ，化合价0 —-1, 被还原
A.钠在氯气中燃烧
共用电子对偏离H更远，H化合价升高而被氧化
共用电子对偏向于C到偏离于C,C 化合价升高而被氧化 H
共用电子对 的偏移数
电子的转移数2Na×+ :0
0 0: 十 : H + 热 能
点燃
:0::0:
H H H
甲烷 氧气
H
八、氧化还原反应的实质
· 氧化还原反应的实质：是在反应过程中存在原 子间的电子得失。
1e 转移
得电子 ，化合价0—-1, 被还原
A.钠在氯气中燃烧
共用电子对偏离H更远，H化合价升高而被氧化
共用电子对从居中到偏向于0,0化合价下降而被还原
甲烷 氧气 二氧化碳 水分子
B.甲烷在空气中燃烧
共用电子对 的偏移数
1e转移
Na Na
H
十 : H + 热 能
点燃
:0::0: :0: ::
电子的转移数
共用电子对偏向于C到偏离于C,C 化合价升高而被氧化
H
H H +
H
失电子 ，化合价 0 — +1,被氧化
2Na
2Na×+:0
点燃
强还原剂+强氧化剂— →弱氧化剂+弱还原剂
(Na) (Cl ) (Na*) (Cl-)
(氧化产物)(还原产物)
C.化学反应中的氧化和还原、氧化剂和还原剂与电子得失的关系
氧化剂与还原剂
电子转移
→ 弱氧化剂+弱还原剂 (Na*) (Cl-)
(氧化产物)(还原产物)
C.化学反应中的氧化和还原、氧化剂和还原剂与电子得失的关系
氧化剂与还原剂
强还原剂+强氧化剂— (Na) (Cl )
电子转移 得电子被还原
→弱氧化剂+弱还原剂 (Na*) (Cl-)
(氧化产物)(还原产物)
C.化学反应中的氧化和还原、氧化剂和还原剂与电子得失的关系
氧化剂与还原剂
强还原剂+强氧化剂一 (Na) (Cl )
电子转移 得电子被还原
强还原剂+强氧化剂一 →弱氧化剂+弱还原剂
(Na) (Cl ) (Na*) (Cl-)
(氧化产物)(还原产物)
失电子被氧化
C.化学反应中的氧化和还原、氧化剂和还原剂与电子得失的关系
氧化剂与还原剂
九、有机化合物
·有机化合物的概念和碳元素的特点 ·烃 ：烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃
· 醛与酮
·羧酸与酯
· 有机(化合)物的概念
C
A.直连 B.支 连 C.环
图1 - 8 碳原子形成的几种结构
·有机化合物的特点
有机物和无机物的主要区别在于：元素组
成、成键类型、分子种类和大小、溶解性、 可燃性等方面。
1.有机化合物的概念和碳元素的特点
2.烃
·烃的概念：分子中只含C与H两种元素的化 合物。包括脂肪烃和芳香烃，脂肪烃又分 为烷烃、烯烃、炔烃、环烃。
2.烃
·烃的概念
·烷烃：甲烷与乙烷
C H
H H
甲烷CH
图1-9 甲烷和乙烷分子结构模型
C
1.54A
乙烷C H
109.5
H
H H H - + . 答 H H H → H H H * : H H H
H H
H: ·
H H
H C-+-CH →H C-CH
H C-CH -
甲基 甲基 乙 烷 C H
乙 基 C H -
式 H H H×;H →H ·+xH H H
简式
CH → -CH +-H
(H C-)
甲烷 甲基氢原子
烷烃
· 甲烷与乙烷：甲烷与甲基，乙烷与乙基，烷烃
电子
结构
结构
图1-10 甲烷和乙烷、甲基和乙基的结构式及其关系
烷烃
· 甲烷与乙烷
· 同分异构体
图1-11 丙烷和丁烷分子的立体结构模型
(连接同一个C的四个共价键的任意相邻两个共价键之间的键角都是109°28’)
H H ■X■X 电子式 H*C:C:H H H H H 1×X C=C H H
H×CC×H
结构简式 H C—CH H C=CH HC=CH
名称和分子式 乙 烷 C H 乙 烯 C H 乙 炔 C H
烷烃
·烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃，及其关系 ·饱和烃与不饱和烃
图1 - 12 乙烷、乙烯与乙炔之间的氧化还原反应
电子式 H H X 0:0 × H H X X H H × X 00 H *C:C:0 x × 00 H H
H
H C=C H
结构简式 H C=CH H C—CH OH
名称和分子式 乙 烯 C H 乙醇C H OH
H H 一C H H C-H 或表示为 H
结构式 3H-C=C-H — 3 H C=C H
结构简式 HC=CH l I HC=CH
名称和分子式 乙 炔C H 苯结构式 苯结构简式
结构式
电子式 H×C:C:H H×c:C H
图1-13 乙烯与水之间的加成反应和乙醇的脱水反应
H
H
图1-14乙炔聚合成苯的过程
3.醇
·羟基与氢氧根
· 醇的概念，一元醇、二元醇和多元醇
H
H+:0H
H O
水分子
图1-15 氢氧根与羟基的区别
二元醇(丙二醇)
CH CHOHCH OH
一元醇(丙醇) CH CH CH OH
R- 示烃基、羟基或氢原子 R 、R 、R,可同可异
醇的结构通式
-OH
羟 基
(电中性)
三元醇(甘油)
CH OHCHOHCH OH
OH-
氢氧根
图1-16 醇的结构通式和举例
O H +*H
共价键断裂
氢离子
氢原子
电离
×o
O
H
H H
|
H—C—C—C—H
| —
H H
CH COCH 丙酮(C H O)
-
0
O
4.醛与酮
· 醛与酮的概念与结构通式
H H O
异构
H— C—C——C—H
—
H H
R-C-R
酮的结构通式
R和R 为烃基，相同或相异
—8—
醛的结构通式 R是氢或烃基
H H H
CH CHOHCH
异丙醇(C H OH)
H OH H
H—C C C H
图1-17B 异丙醇、丙酮与丙醛之间的关系
CH CH CHO
丙醛(C H O)
图1-17A 醛和酮的结构通式
氧化
还原
2H
2H
——
-
-
电子式 H H X ■X 00 H×C:C:0×H X X■ 00 H H H X 0 H×C:C:80: X ×■ H H
H
X
H×C:C:80:
× 0m
H:O8H
00
结构简式 CH CH OH CH CHO
CH COOH
名称和分子式 乙醇C H OH 乙 醛 C H O
乙 酸 C H O
醛 本尼迪特试剂(蓝色) 羧酸 砖红色
· 醇、醛、酸的关系
· 醛的氧化性与还原性
图1-18 醇、醛和酸之间的关系
链状 葡萄糖 果糖
H
环状
HO
H OH OH H H OH OH H
葡萄糖 果糖 蔗糖 水
A.单糖 B. 二 糖
R-C=0+H-0R → R-c-0-+H-+-0R
醛 醇 半缩醛
-C-.+H-OR → a--.+H-+-0 -
酮 醇 半缩酮
图1-19 半缩醛和半缩酮反应
图1-22 单糖和二糖的结构与关系
CH OH
H
OH H
CH OH H 0
CH OH
H
H
OH H
CH OH 0
+HO-H
CH OH
CH OH
H HO
H HO
OH
HO
HO
H
H
H
十
O-
O
R-c-0H R-- O
(R 氢酸 烃式基) 酰基 羧基
或
通
酯键
do -0
酯 水
断键 断键
反
羧酸 醇
5.羧酸与酯
图1-20 羧酸与酰基、羧基，羧酸、醇与酯的关系
图1-21 酯化反应
十、物质的相溶性原理
·物质相溶性的基本原理：物质的溶解性符 合“相似相溶”的原理。“相似”指分子结构 上的相似和分子间作用力大小上的相当。
· 能溶于水的物质有两个主要的基本特点：
①分子有极性(如乙醇、甲醛)、或具 有强极性键(如HCl)、 或存在离子键(如 KCl), 这样的分子在极性的水分子的作用 下，前者易溶解，后两者易电离而溶解。
②能与水分子之间形成足够多的氢键。

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