无机化学第2章-终结版

1、1第二章第二章 物质的化学组成和聚集状态物质的化学组成和聚集状态工程化学基础2本章内容提要 物质是由原子、离子、分子等原子的结合态组成的，根据组成物质的元素的种类的不同，可以将物质分为无机物和有机物两大类。 原子、分子及其结合态因其所处条件不同，他们又可分成单质、简单化合物、配合物、高分子化合物、金属有机化合物等。在一定条件下，他们可以聚集成固体、液体和气体等宏观状态，表现出不同的性质、功能和用途。3目录目录2. 1 物质的化学组成物质的化学组成2. 2 固固 体体2. 3 液体和液晶液体和液晶2. 4 气体和等离子体气体和等离子体42. 1 物质的化学组成物质的化学组成 学学 习习 要要 求

2、求 1理解配位化合物、高分子化合物组成中的基本概念和命名原则，能写出一些常见配合物和高分子的化学式。 2认识物质化学组成的复杂性，了解 C60 等团簇和Si：H，Fe3C 等非整比化合物、不符合正常化合价规则的物质的存在及其工程应用。 3认识金属有机化合物，明确 MCC 键和 MOC 键键能大小，了解其工程应用。 4了解蛋白质、核酸等生物大分子的化学组成，能分别写出23 种碱基、氨基酸的化学式，理解 DNA、RNA、蛋白质在遗传信息传递过程中的作用，了解生物大分子的应用和开发前景。5理解物质的化学组成和结构是决定其性能和应用的基础。 5物质实物场：电磁场、引力场无机物有机物单质及简单化合物(氧

3、化物、酸、碱、盐)复杂化合物(配合物、团簇、超分子)无机高分子(无机固体材料等)简单化合物(烃及其衍生物、醇、醛、羧酸、酯等)有机高分子天然高分子(糖类、DNA、蛋白质等)合成高分子(合成塑料、橡胶、纤维)复杂化合物(超分子)金属有机物质的分类6 配合物是以金属正离子(或中性原子)作为中心，有若干个负离子或中性分子按一定的空间位置排列在其周围形成的复杂化合物。 英语中称做：Coordination Compound，或 Complex Compound，意为“协同化合物”或“复杂化合物”。译成“配合物”或“络合物”定义一、 配位化合物7 Pt (NH3)4 (NO2) Cl CO3中心离子内界

4、(配离子)外界K4 Pt Cl6 外界内界(配离子)配位体中心离子配位原子：Cl,N,N配位数：6配位键： Cl,N,N与Pt配位体概念说明8配位化合物的命名H2 Zn (OH)2 C12二氯二羟合锌()酸Na2 Mg Y乙二胺四乙酸合镁()酸钠K4 Pt Cl6 六氯合铂()酸钾K2 Hg I4 四碘合汞()酸钾Co (NH3)3 (H2O) C12 Cl 氯化二氯一水三氨合钴()Cu (NH3)2 (CH3COO) Cl 氯化乙酸根二氨合铜()Cu (en)2 SO4硫酸二乙二胺合铜()Co2 (CO)8八羰合二钴(0)Cr (C6H6)2二苯合铬(0)9配位化合物的命名 配合物组成比较复

5、杂，有必要进行系统命名，下面仅就较简单的配合物命名原则予以简介：1内界与外界命名同一般简单无机化合物。例如配合物的外界酸根是一个简单的阴离子如Cl ，则称某化某。例如Ag(NH3 ) 2Cl，称为氯化二氨合银（）。若外界酸根是复杂阴离子如SO2-4，则称某酸某，例如Cu(NH3 ) 4SO4 ，称为硫酸四氨合铜（）。即同一般酸、碱、盐的命名。 2内界可按以下顺序命名：配位体数配位体数配位体名称配位体名称合合中心离子（氧化数）中心离子（氧化数）10配位体数配位体名称（不同配体名称之间以中圆点“”分开）合（表示配位结合）中心离子名称中心离子的氧化值（加括号，括号内用罗马数字注明）。例如FeF6 3

6、- 配离子的命名为六氟合铁（）酸根离子。 3当配合物含有多种配体时，在命名时配位体列出顺序按如下规定：（1）若配体中既有无机配体又有有机配体，则无机配体在前，有机配体在后；（2）在无机配体中既有离子又有分子，则阴离子在前，阳离子其次，中性分子在后；（3）同类配体（如同是无机配体又同是分子），按配位原子的元素符号在英文字母中的顺序排列，如Co(NH3 )5 H2OCl3 命名为三氯化五氨一水合钴（）；11（4）同类配体，配位原子相同，则原子数目少的排在前面，若原子数目也相同，则按结构式中与配位原子相连原子的元素符号的英文字母顺序排列。如Pt(NH3 )(NO2 )(NH3 ) 2，应命名为氨基硝

7、基二氨合铂（）；（5）配位体个数用倍数词头二、三、四等数字表示。 有些常见的配合物，仍沿用一些习惯叫法，如Cu(NH3 )4 2+称为铜氨配离子，Ag(NH 3)2 + 称为银氨配离子，K 3Fe(CN) 6称铁氰化钾（赤血盐），K4 Fe(CN) 6亚铁氰化钾（黄血盐）等。 12 螯合效应是混乱度增大的反应，源于反应产生小分螯合效应是混乱度增大的反应，源于反应产生小分子，小分子数增多导致混乱度增大。子，小分子数增多导致混乱度增大。 （熵增大）（熵增大）配配键键 配体的配位原子供出孤对电子配体的配位原子供出孤对电子, 中心原子中心原子 接受孤接受孤对电子。对电子。 配体是配体是Lewis碱碱

8、; 中心原子是中心原子是Lewis酸。酸。配配键键 有两种情况：有两种情况： 1。配体供出电子对形成。配体供出电子对形成键键 2。中心原子供出电子对。中心原子供出电子对键（键（ 酸酸- -配合物）配合物）配位键（见配位键（见3.3）13Cu(H2O)42+ Fe(H2O)62+ Fe(H2O)63+ 天蓝色天蓝色 浅绿色浅绿色 浅紫色浅紫色Zn(H2O)62+ Al(H2O)63+ Sn(H2O)62+ 无色无色 无色无色 无色无色Pb(H2O)42+ Bi(H2O)63+ Cu(H2O)2+ 无色无色 无色无色 无色无色Cr(H2O)63+ Mn(H2O)42+ Co(H2O)62+ 暗蓝紫

9、色暗蓝紫色 粉红色粉红色 桃红色桃红色 Ni(H2O)62+ Ti(H2O)63+ 绿色绿色 浅蓝紫色浅蓝紫色规律：饱满电子壳层无色规律：饱满电子壳层无色配合物的颜色配合物的颜色14Cu2+H2NH2NNH2NH2CH2CH2CH2CH2CaONCH2COOONOCOCH2CH2CH2COCH2CH2CO2-CaY2 配离子多齿配体与螯合物 螯合物的稳定性很强。 螯合物的稳定性很强是因为螯合效应的结果。15螯合效应 对同一种原子，若形成螯合物比单基配位体形成的络合物（非螯合物）要更加稳定，这种效应称作螯合效应。螯合物一般以五元环、六元环为最稳定，且一个络合剂与中心离子所形成的螯环的数目越多就越

10、稳定。 16反式-二氯二氨合铂()PtH3NClClNH3PtNH3ClClNH3顺式-二氯二氨合铂()例如具有抗癌活性无活性。配合物的结构与性能 具有相同化学组成的配合物往往有不同的空间结构，并表现出不同的性能。17三乙二胺合钴的手性异构体三乙二胺合钴的手性异构体18卟啉环中的镁原子 1960年美国R.B.伍德沃德领导的实验室合成了叶绿素a19 团簇是指由几个至上千个原子、分子或其结合态粒子聚集而形成的相对稳定的介观聚集体。它的研究在20世纪80年代后迅速发展。团簇的空间尺度在纳米(109 m)量级左右。物质第五态。二、团簇二、团簇有金属簇，如 Lin，Cun，Hgn； 非金属簇，如 Cn，

11、Nn，Arn； 分子簇，如 (H2O)n，(NaCl)n 等。例如，常规 Fe、Co、Ni 等是铁磁性的，但它们的团簇可以是超顺磁性的；顺磁性的 Na、K 等的团簇却是铁磁性的。团簇是许多纳米材料的基础。 202122绝大多数原子团簇结构不清。原子的排列方式和电子状态决定团簇的结构和稳定性。可人工合成。能大量制备和分离的是C60(富勒烯）。任何元素都可形成原子团簇或离子团簇。团簇结构都是计算出来，测不出来。23图2-2 金刚石、石墨、C60 的结构示意图(c) C60黄色为双键红色为单键 原子数为 20，24，28，32，36，50，60，70，84，120，其中 C60 的丰度最高，C70

12、次之。C60 是1985年发现的（20六边形，12五边形）。 (a) 金刚石(b) 石墨碳团簇24 球碳团簇及其衍生物在超导电性、半导体、非线性光学等方面具有奇异性能，K3C60、Rb3C60、Rb2CsC60 、Rb2. 7Tl2. 2C60 和RbTl2C60 的超导转变温度分别为 18 K、30 K、31. 3 K、45 K 和 48 K。 Smalley R. E.，Curl R. F. 和英国化学家 Kroto H. W. 因对开拓这个新领域的贡献荣获1996年诺贝尔化学奖。 CsC60H. W. 克鲁托Harold W. KrotoR. E. 史沫莱Richard E. Small

13、eyR. F. 柯尔Robert F. Curl图2. 发现C60的三位科学家25C60 SP2-SP3 杂化，共价键，芳香性，溶于苯呈酱红色。可参加反应。 所有的C-C键都固定在球壳上，不能发生取代反应，但是其衍生物则可以。C60在一定条件下，能发生一系列化学反应，如亲核加成反应、自由基加成反应、光敏化反应、氧化反应、氢化反应、卤化反应、聚合反应以及环加成反应等。26碳纳米管1991年发现了碳纳米管（如右图2-3），也称“布基管” 。碳纳米管是一种由单层或多层石墨卷成的纳米微管，多层碳管各层之间的间隔为石墨的层间距。碳管两头可以是空的，也可被半个 C60或更大的球碳所封闭。外部直径只有几到几

14、十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的 1/6，而强度却是钢的 100 倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。图 碳纳米管的结构示意图 27 碳纳米管可以是不同禁带（见3.4）宽度的半导体，也可以是准一维导体。碳纳米管可以用于未来电子工业制造电子器件和超薄导线，使电子芯片集成度更高，体积更小。 纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。碳纳米管潜在的应用前景28 约简后，其原子数目不成整数比，这类化合物称为非整比化合物。金属间

15、化合物，SnNb3ZnCu5碳化物Fe3C，Mn7C3氮化物Fe2N，Fe4N 等，各元素均不符合正常化合价规则。又如：LaH2. 76，Fe1x O，Sn1+xO2，PbO1. 88三、非整比化合物29阳离子过剩（或阴离子短缺）的化合物： Zn1+x O， NaCl1x； 由混杂缺陷产生的非整比化合物，如 Na12xCaxCl，Ca1xYx F2+x，Zr1x Ca xO2x，Lix Si1x AlO2 等。在常温下多为固体。究其原因是晶体中存在着缺陷。阳离子短缺（或阴离子过剩）的化合物： Cd1xS， UO2+x；30这些缺陷对于晶体的化学性质影响较小，而对于许多物理性质（如电性能、磁性、

16、光学性能以及机械性能等）常常起决定性作用。所以缺陷对晶体的利用有着重要意义。31 非整比化合物等在材料中十分重要，可以控制或改善无机固体材料的光、电、声、磁、热、力学等性质。发光二极管材料：GaAs1x Px，它可以发出从红光到绿光的各种颜色的光；彩色电视发光材料用的红粉、绿粉和蓝粉：Y2O2S:Eu3+，Y2O2S:Tb3+，(Ca, Sr)10(PO4)6C12:Eu3+“黑漆”古铜镜表面耐磨物质：Sn1-xCuxO2例如：碳化物、氮化物在钢材中能有效地提高钢材的硬度；32 根据不同的显示器件对显示技术的要求，科润光电推出了阴极射线与投影管（CRT）发光材料、半导体二极管（LED）发光材料

17、、场发射（FED）发光材料、低压荧光屏（VFD）发光材料、等离子体（PDP）发光材料、X射线发光材料等显示器件发光材料，并适应背投电视蓬勃发展的市场状况，建设了红、蓝、绿投影管专用发光材料生产线。 上述各类材料体系可根据用户不同用途及要求选择合成，发光颜色主体为红、蓝、绿等过渡色。 上海科润光电材料有限公司Phosphors for Display显示器件发光材料33非晶氢化硅 SiH 是信息、电子工业中经常用到的半导体材料，录音磁头合金：(Co0. 90 Fe0. 06 Ni0. 02 Nb0. 02 )78 Si22x Bx 计算机储存元件：(GdCo，GdFe) ，一种非晶态材料；高温超

18、导体：Yn Ba2 Cum O7 8：La1n Lim3Ba0. 88 Pb0. 88 Ca0. 04 TiO3 陶瓷广泛用于超声加工声纳、水听器等；压电陶瓷：Pb1x Lax (Zry Ti1y )1x/4 O3形状记忆合金：Ti50 Ni34 非整比化合物（不定组成）与整比化合物(定组成)（水，二氧化碳等）是一对矛盾，他们代表着物质形成的两种方式，各自发挥着自己的作用。35 由金属原子和有机基团中碳原子键合而成，含金属碳键（MC）的化合物称金属有机化合物，如 (C2H5)2 Zn、C6H5Ti(OC3H7)3、(C2H5)4Pb、RMgX（R为烷基，X为卤素）。金属有机化合物大体分三类：(

19、1)离子型化合物(2)键化合物(3)非经典键化合物如： Cr (C6H6)2、Fe (C5H5)2（二茂铁）、 K+ (Pd Cl3CH2=CH2)； 四、金属有机化合物四、金属有机化合物36 (1)离子型化合物。碱金属和碱土金属所形成的烃基化合物多为离子型，其通式为 RM，R2M，具有离子化合物的典型特征，可以看作烃 R-H 的盐类。它们一般不溶于烃类溶剂，具有异乎寻常的反应活性，对空气敏感，遇水剧烈水解。 (2)键化合物。第 IIIAVIIA 族和第 IB、IIB 族元素与有机基团主要以共价键结合形成化合物，如 R2Hg，(C2H5)4Pb，(CH3)3SnCl 等。具有挥发性，对空气稳定

20、，一般溶于非极性溶剂。 37 (3)非经典键化合物。包括由过渡元素与不饱和基团通过金属轨道和电子之间相互作用而生成的配合物，如 Cr(C6H6)2、Fe(C5H5)2（二茂铁）、K+(PdCl3CH2=CH2)；过渡元素与羰基等配合形成同时含键和键的金属有机化合物，如羰基金属M(CO)n。 38 另外，还有多中心键型金属有机化合物，如含桥连烷基的Al(CH3)2C6H52、Be(CH3)2n，多核羰基金属 Mx(CO)y 等。事实上，周期表中除惰性气体以外的绝大多数元素都可以与有机基团中的碳以各种方式结合，硼、磷、砷和硅等的有机化合物一般也包括在金属有机化合物范围之内；对过渡金属，可形成 MO

21、、MS、MP 或 MN键，如 Pd(PPh3)4（Ph指苯基）、Al(OC3H7)3 等，也常划为金属有机化合物。所以金属有机的范围在不断扩大，也说明科学和人的认识都是不断发展的。 39 金属有机化合物是电子、光学、磁性等功能材料、超纯材料和精细陶瓷等许多工业加工中的重要物质基础。金属镍粉与 CO 反应得到液态 Ni(CO)4，在稍高温度下分解便得到纯镍。Ni (s) + 4 CONi(CO)4 (l)43 oC50 oC金属有机化合物应用实例40MC 键 CC 键，容易在 MC 处断裂。能沉积成高附着性的金属膜。例如三丁基铝 A1(C4H9)3 和三异丙基苯铬CrC6H4CH(CH3)23

22、热分解，分别得到金属铝膜和铬膜。CO 键 MO 键，因此易在 CO 键处断裂，沉积出金属的氧化物：2 Al(OC3H7)3 Al2O3 6 C3H6 3 H2O 420Si(OC2H5)4 SiO2 H2O CH(碳氢化合物)700化学气相沉积（Chemical Vapor Deposit， CVD）41 高分子化合物，简称高分子，又称高聚物，它的相对分子质量高达几千甚至几百万。五、高分子化合物n HCHO + nOHOHCH2nn H2O+世界上第一个合成高分子是1907年诞生的酚醛树脂。无机高分子有机高分子天然高分子纤维素、蛋白质、淀粉、木质素合成高分子42例如：聚氯乙烯的分子是由许多氯乙

23、烯加聚结合而成： 单体链节多分散性：高分子化合物相对分子质量大小不等的现象简写：ClCH2CHn聚合物nCH2CHClCH2CHCH2ClCHCH2ClCHCl.聚合聚合度加成聚合加成聚合与缩合聚合缩合聚合 43n H2N(CH2)6NH2己二酸 己二胺n HOOC(CH2)4COOH+ (2n1) H2O聚酰胺66 或尼龙66n OH+又如，聚酰胺66（尼龙66）由己二胺和己二酸为单体经过缩聚反应制得： H NH(CH2)6NH CO (CH2)4CO聚合度为2n 聚合度是以链节数来计量的 在聚酰胺化学式中，名称后的第一个数字“6”指二元胺的碳原子数，第二个数字“6”指二元酸的碳原子数。 4

24、4碳链高分子化合物碳链高分子化合物 主链中均是 CC 键 主链中引入了 O，N 等杂元素，不但有 CC 键，还有 CO，CN 键， 杂链高分子化合物杂链高分子化合物 主链中仅含有 Si，P，O等元素而没有 C 原子元素有机高分子化合物元素有机高分子化合物高分子化合物的分类高分子化合物的分类45表表2. 1 一些高分子化合物及其单体一些高分子化合物及其单体 名名 称称化化 学学 式式 单单 体体聚乙烯CH2CH2聚丙烯CH3 CHCH2 聚氯乙烯ClCHCH2 聚苯乙烯聚四氟乙烯CF2CF2 聚异戊二烯 CH2CH2nCHCH2nCH3CHCH2nClCHCH2nCF2CF2nCH2CH2nCC

25、HCH3CHCH2CH2CCHCH2CH3 46名名 称称化化 学学 式式 单单 体体聚酰胺H2N(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH 聚甲基丙烯酸甲酯聚环氧乙烷聚丙烯腈CH2CHCNOnNH(CH2)5CCH2CnCOOCH3CH3CH2CH2nONH(CH2)5C=O CH2CCOOCH3CH3CH2CH2OOONH(CH2)6NHC (CH2)4CnHOHCHCH2CNn47名名 称称化化 学学 式式单单 体体聚丙烯酰胺聚对苯二甲酸乙二(醇)酯 HO CH2 CH2OH 酚醛树脂HCHO ，聚二甲基硅氧烷 CH2CH2nCOH2NCCOOCH2CH2nOOOHCH2nSiOnC

26、H3CH3SiOHOHCH3CH3OHCOOHCHOOCH2CHCNH2O48名名 称称ABS化学式化学式单单 体体CH2CHCN，CH2CHCHCH2， CHCH2xCNCH2CH2yCH CHCHCH2zCHCH249高分子化合物的命名 (4)有时还以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名，属习惯名称或商品名称，如乙烯-丙烯共聚物称乙丙橡胶，聚酰胺高聚物称尼龙或锦纶。 归纳起来一般有以下几种情况：(1)在单体或组成特征前面加“聚”(Po1y-)，表示高分子化合物是通过聚合反应得到的，如聚乙烯、聚酰胺等。(2)在单体后面加“树脂”，曾表示树上流出的脂，多为天然高分子化合物，现在也将某些合成

27、高分子化合物称作“树脂”，如酚醛树脂，脲醛树脂，环氧树脂，聚氯乙烯树脂等。(3)英文缩写，如ABS是以其单体丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)和苯乙烯(Styrene)英文名称的第一个字母大写组合来表示；PE是聚乙烯(Polyethylene)的英文缩写50表2. 2 一些常见高分子化合物的名称高分子材料 化学名称 习惯名称或商品名称 英文名称 英文缩写 塑 料 聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚苯乙烯丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物 聚乙烯，乙纶聚丙烯，丙纶聚氯乙烯，氯纶聚苯乙烯腈丁苯共聚物PolyethylenePolypropylenePoly (vinyl chloride

28、)PolystyreneAcrylonitrile-butadiene-styrene copolymer PEPPPVCPSABS纤 维 聚对苯二甲酸乙二(醇)酯聚己二酰己二胺 聚丙烯腈聚乙烯醇缩乙醛 涤纶，的确良锦纶66或尼龙66腈纶维纶 Poly (ethylene terephthalate)Poly (hexamethylene adipamide), PolyacrylonitrilePoly (vinyl acetal) PETPA PANPVA 橡 胶 丁二烯苯乙烯共聚物顺聚丁二烯顺聚异戊二烯乙烯丙烯共聚物 丁苯橡胶顺丁橡胶异戊橡胶乙丙橡胶 Butadiene-styrene

29、rubbercis-1,4-Polybutadiene rubbercis-1,4-Polyisoprene rubberEthylene-propylene rubber SBRBRIREPR 51 构成生命的物质种类很多，有脂、维生素、激素、血红素、叶绿素等生物小分子，有蛋白质、核酸、糖类等生物大分子。六、生物大分子52血红素：由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与一个亚铁离子配位结合 531，自由基原子分子离子自由基OHO2H2O2NO自由基自由基(free radical)：有着不成对电子的原子或分子叫做自由基。 氧化还原平衡失平衡过氧化自由基大量生成54O2（超氧阴离子）（超氧阴离子） 人体

30、内的氧自由基有不同的来源，但人体内的氧自由基有不同的来源，但O2 在其中在其中起核心作用，许多活性中间产物形成起始于起核心作用，许多活性中间产物形成起始于O2，人体，人体利用的氧有利用的氧有1-3%转化为转化为O2 ，可由呼吸链产生。，可由呼吸链产生。OH （羟基自由基）（羟基自由基） 活性最强，半衰期约活性最强，半衰期约10-9s，可在高能辐射，可在高能辐射(如如X射线射线)下体内产生下体内产生(水的均裂：水的均裂：H2OH + OH)，紫外线条件下可将紫外线条件下可将H2O2裂解成裂解成OH。人体人体 氧自由基氧自由基 （95）：）：55大量自由基生成损伤蛋白质DNA脂质导致AS心脑血管疾

31、病N.S退行性改变帕金森病阿尔茨海默病老年性斑变及白内障糖尿病癌症炎症自身免疫性疾病 如风湿、类风湿自由基与疾病的关系56 蛋白质分子是一条或多条多肽链构成的生物大分子，相对分子质量可从一万到数百万。多肽链由氨基酸通过肽键（酰胺键，CONH）共价连接而成，各种多肽链都有自己特定的氨基酸顺序。 2蛋白质57 人体细胞含有 3 000 至 10 000 种以上的蛋白质，人体蛋白质由 20 种氨基酸组成。除脯氨酸外，其它 19 种均是-碳上有一个氨基(NH2) 的有机羧酸（-氨基酸）。氨基酸结构通式：RCH(NH2)COOH最简单的氨基酸是甘氨酸，氨基酸可分为脂肪族、芳香族和杂环族三类；58序号中文

32、名称英文缩写R基团的结构1甘氨酸Gly(G)2丙氨酸Ala(A)3丝氨酸Ser(S) 4半胱氨酸Cys5苏氨酸*Thr(T) CH(OH)CH36缬氨酸*Val(V) CH(CH3 )27亮氨酸*Leu(L) CH2CH(CH3 )28异亮氨酸*Ile(I) CH(CH3 )CH2CH39蛋氨酸*Met CH2CH2SCH310赖氨酸*Lys CH2CH2CH2CH2NH2NH2COOHCHHH3CNH2COOHCHHOCH2NH2COOHCHNH2COOHCHHSCH2表表2. 3 20 种氨基酸的名称和结构种氨基酸的名称和结构59序号 中文名称英文缩写R基团的结构11色氨酸*Trp12酪氨

33、酸Tyr13天冬氨酸Asp14天冬酰胺Asn15苯丙氨酸*Phe(F)16 精氨酸*Arg17谷氨酸Glu18谷氨酰胺Gln19组氨酸*His20脯氨酸PrO(P)CH2CH2CH2COOHCH2COOHCH2CONH2CH2NHCH2OHCH2CH2CH2NHCNHNH2CH2CH2CONH2NNHCH2NHHCOOH续表表中带*者为人体必需氨基酸60图2-4 L- 和 D- 构型的- 氨基酸L- 构型D- 构型CHCOOHRH2NCHRNH2HOOC61 除甘氨酸外，其余 19 种氨基酸的- 碳原子都与 4 个不相同的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：这两种不同的排布化合

34、物不能重叠，它们之间的关系就象实物和镜像、左手和右手的关系：CHH2NHOOCRCCOOHNH2HR手性分子62 生物界 10101012 数量级的蛋白质种类中，有些完全由氨基酸组成，这是简单蛋白质简单蛋白质；有些除蛋白质外，还有被称为辅基或配基的非蛋白质成分，这是结合蛋结合蛋白质白质。 63蛋白质的空间结构 蛋白质的空间结构又叫蛋白质的构象、高级结构、立体结构、三维结构等，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。 维持蛋白质分子构象的化学键有：氢键、盐键、疏水键、Van der Waals 力和二硫键。 蛋白质的空间结构主要包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。64在-螺 旋结构中

35、，多肽链中各肽键平面通过-碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分子中所存在的-螺旋几乎都是右手螺旋。65-螺旋的四种表示方法6667-螺旋（-helix）是蛋白质二级结构的主要形式之一。指多肽链主链围绕中心轴呈有规律的螺旋式上升，每3.6 个氨基酸残基螺旋上升一圈，向上平移0.54nm，故螺距为0.54nm，两个氨基酸残基之间的距离为0.15nm。螺旋的方向为右手螺旋。氨基酸侧链基团伸向螺旋外侧，每个肽键的N-H和第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。由于肽链中的全部肽键都可形成氢键，故-螺旋十分稳定。 68蛋白质的三级结构 纤维状蛋白质一般只有

36、一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。 蛋白质的三级结构（tertiary structuer）是指蛋白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的基础上进一步卷曲、折叠而构成的一种不规则的、特定的、更复杂的空间结构。无规卷曲无规卷曲-螺旋螺旋-折迭折迭-转角转角69OOOHHOOHHOCH2NHOHOHOCH2Phe2923MeTCRSer30TCRAsp151CD1dAsp80 (CD1d)12MeHydrophobicF pocket (CD1d)HydrophobicA pocket (CD1d)Arg95 (TCR)(TCR) Gly96Thr154(CD

37、1d)6432234703核酸 核酸因首先发现于细胞核并且具有酸性而得名。核酸是信息分子，担负着遗传信息的储存、传递及功能表达。核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两类。DNA主要集中在细胞核内，RNA主要分布在细胞质中。它们由磷酸、脱氧核糖或核糖、有机碱组成，DNA 和 RNA 之间主要是戊醛糖和嘧啶碱有区别。71 核酸组成DNARNA酸H3PO4H3PO4戊醛糖含氮有机碱嘌呤碱嘧啶碱NNNNOH2NNNNNNH2HHH腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) 腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G)NNNNOH2NNNNNNH2HHHCH3HHHNNOONNNH2ONNNH2ONNOOHHH胞嘧啶(C)

38、 胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C) 尿嘧啶(U)OOHOHHOH2C-D-2-脱氧核糖HOH2COOHOHOH-D-核糖DNA和RNA的组成单元72在 DNA 分子中存在 4 种脱氧核糖核苷，其结构如下： HNNNNNH2NNNNOH2NOOHHOH2CHOH2COOHOOHHOH2COOHHOH2CCH3HNNOONNNH2O (脱氧胞苷) (脱氧胸苷) (脱氧腺苷) (脱氧鸟苷) 胞嘧啶脱氧核苷 胸腺嘧啶脱氧核苷 腺嘌呤脱氧核苷 鸟嘌呤脱氧核苷73747576蛋白质逆转录(酶)转录(酶)RNA(酶)复制DNA(酶)复制翻译(酶)图2-7 “中心法则” 示意图 核酸是遗传信息的携带者与传递者。生物

39、体的遗传信息以特定的核苷酸排列顺序，似密码的形式排列在 DNA 分子上，并通过 DNA 的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自 DNA 转录给 RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能。这就是所谓的遗传信息传递的中心法则 中心法则7778 基因是一个特定的 DNA 片段，通常有 1 000 5 000 个碱基对，一个 DNA 分子可以含有多达上万个基因，人体的 46 条染色体大约含 100 万个基因。人类基因组计划的核心就是要测定人类基因组的全部 DNA 序列，从而获得人类全面认识自我的最重要的生物信息。基因79 基因芯片的检测速度之所以这么快，主要是因为基因芯片

40、上有成千上万个微凝胶，可进行并行检测；同时，由于微凝胶是三维立体的，它相当于提供了一个三维检测平台，能固定住蛋白质和 DNA 并进行分析。内嵌基因芯片的基因检测装置 基因芯片，又称 DNA 芯片，与计算机芯片非常相似，只是高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针。每个基因探针包含着由若干个核苷酸组成的 DNA 片段。目前已经可以在一枚邮票大小的基因芯片上布满 40 100 万种基因探针，根据碱基互补配对原则捕捉相应的 DNA，从而对遗传物质进行分子检测。这是一种革命性的新方法、新工具。基因芯片80 基因工程从狭义上理解就是指 DNA 重组技术，即提取或合成不同生物的遗传物

41、质(DNA)，在体外切割、拼接和重新组合，然后通过载体将重组的DNA分子引入受体细胞，使重组DNA在受体细胞中得以复制与表达。基因工程 例如，作为人类主要食物的谷类作物含有大量糖类，而人体所必需的蛋白质、氨基酸与维生素的含量却很少。有些微生物可以产生这些物质，用大规模发酵的方法培养微生物，进而提取这些物质，就可以进行工业化生产。 采用 DNA 重组及细胞融合等技术改造了苏氨酸、色氨酸、赖氨酸等氨基酸的生产菌，与原始菌株相比，氨基酸的含量提高了几十倍，且生产成本下降。基因工程的直接目的就是改造生物。814糖类 糖类主要由 C，H 和 O 三种元素组成，大多具有通式 Cn(H2O)n，故又称碳水化

42、合物。从化学结构上看，糖类物质是含多羟基的醛或酮及其衍生物。这类物质是生物体基本营养物质的重要成分。糖类物质由植物光合作用合成，n H2O + n CO2 Cn(H2O)n + n O2光叶绿素 糖类通过生物氧化为自身提供能量，以满足生命活动的能量需要。如葡萄糖的氧化反应：C6H12O6 6 O2 6 H2O 6 CO282糖类常分三类：(1)单糖(2)低聚糖或寡糖(3)多糖， 糖的分类由4个核苷酸组成的寡核苷酸，可能的序列仅有24种；而由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3万多种。 复杂的生命过程中所需的极其巨大的“生物信息”由所含信息量比核酸和蛋白质大几个数量级的糖分子来承担。包括糖脂

43、、糖苷、糖蛋白、蛋白聚糖等的研究属世界学术界的热点。 83糖组学 糖链参与几乎所有真核生物的每一生命过程，其功能是复杂而多样的，无论受精、发生、发育、分化、神经系统、免疫系统恒态的维持，还是在炎症及自身免疫疾病、老化、癌细胞异常增殖及转移、病原体感染、植物与病原菌相互作用等过程中都涉及糖链的参与，糖链在这些生命和疾病过程中起特异性的识别和介导作用 。84图图 生物体内细胞识别和调控过程的分子生物体内细胞识别和调控过程的分子糖类糖类85(1)单糖HCHOOHOHHOHHOHHCH2OHHOCHOHOHHOHHOHHCH2OHHCHOOHHHOOHHOHHCH2OHHOCHOHHHOOHHOHHC

44、H2OHHCHOOHOHHHHOOHHCH2OHHOCHOHOHHHHOOHHCH2OHHOCHOHHHOHHOOHHCH2OHHCHOOHHHOHHOOHHCH2OHD-己醛糖的构型阿苏糖阿卓糖葡萄糖甘露糖古罗糖艾杜糖半乳糖塔罗糖86果糖单体葡萄糖单体(2)低聚糖或寡糖OHHOHHOHOOHHHCH2OHHHOHHOHOCH2OHCH2OH蔗糖(双糖)CH2OHOHHOOHHOHHCH2OH果糖单体FischerProiection能水解成 2 10 个单糖。蔗糖、乳糖和麦芽糖都是二糖。87 淀粉是麦芽糖的高聚体，彻底水解后得到葡萄糖。淀粉是植物体中储存的养分，主要存在于种子和块茎中，是食物

45、的重要组成部分。大米中含有淀粉 62 86%，麦子中含 57 75%，玉米中含 65 72%，马铃薯中含 12 14%。淀粉遇水可水解成为糊精的混合物。糊精可用作食品添加剂、胶水、浆糊，并用于药品、纸张和纺织品的制造等。淀粉等加以改性可代替合成高分子，制成不污染环境的可降解塑料制品。(3)多糖 能水解成10个以上的单糖。如植物体内的淀粉、纤维素，动物体内的糖原、甲壳素等。多糖广泛存在于自然界，是一类聚合度不同的天然高分子化合物。多糖没有甜味，一般不溶于水。与生物体关系最密切的多糖是淀粉、糖原和纤维素。 88 糖原又称动物淀粉，是动物的能量储存库。糖原呈无定型无色粉末，较易溶于热水形成胶体溶液。

46、糖原在动物的肝脏和肌肉中含量最大。当动物血液中葡萄糖含量较高时，就会结合成糖原储存于肝脏中，当葡萄糖含量降低时，糖原就分解成葡萄糖而供给机体能量。 糖原89 纤维素是自然界中最丰富的多糖。棉花中纤维素含量为 97 99%，木材中为 50%，亚麻中为 80%，玉米茎中为 30%。 由于纤维素分子间氢键的作用，使分子链平行排列、紧密结合，形成纤维束，每一束有100200条分子链。这些纤维束拧在一起形成绳状结构，具有良好的机械强度和化学稳定性。纤维素不仅不溶于水，甚至不溶于稀的酸或碱，但能与浓的酸水解作用而生成葡萄糖，与浓碱作用生成纤维素碱。人体中由于缺乏具有分解纤维素结构所必需的酶，因此纤维素一般

47、不能为人体所利用，不能成为人类的主要食品。纤维素是植物支撑组织的基础，是植物细胞壁的主要成分；是制造人造丝、人造棉、玻璃纸、火棉胶等的主要原料；在制备复合材料中也有较多应用。 纤维素90HOOHHHOHOOHHOHHHOHOHOHHHHOHOHHOOHHHOHOHOHHHOHHOOHHHOHHOHHOHHOHOOHHHOHHOHHOOHHHOHHOHHOHOHOH 式式 式式淀粉纤维912. 2 固体固体 1了解晶体、非晶体概况，理解各类晶体名称、晶格结点上粒子及其作用力、熔点、硬度、延展性、导电性的不同。 2了解耐高温、易熔金属实例及应用，理解过渡元素、稀土元素及碘化物，氮化硼、硅酸盐组成元

48、素间的作用力及应用。 3理解非晶态高分子化合物的三种物理状态及成因，理解玻璃化温度、粘流化温度的意义及应用，了解Si：H的应用。 4联系活性炭、分子筛等实例，理解固体吸附剂的表面组成特点及功用。 5了解固体废弃物的产生、危害和资源化途径。 学学 习习 要要 求求92 固体即固态系统。习惯上称系统为体系，故有固体这个术语。固体中的原子及其结合态粒子在空间的排布，如果长程有序便称为晶体，如果短程无序就称为非晶体。 晶体非晶体9394晶体的共性晶体的共性1、长程有序（晶体中原子在至少微米数量级范围均为有序排列）2、自限性（自发形成封闭集合多面体的特性）3、各向异性（晶体内部不同方向其物理性质不尽相同

49、）95晶体的微观特征晶体的微观特征平移对称性平移对称性 在晶体的微观空间中，原子呈现周期性的整在晶体的微观空间中，原子呈现周期性的整齐排列。对于理想的完美晶体，这种周期性齐排列。对于理想的完美晶体，这种周期性是单调的，不变的。这是晶体的普遍特征，是单调的，不变的。这是晶体的普遍特征，叫做平移对称性。叫做平移对称性。图图 晶态与非晶态微观结构的对比晶态与非晶态微观结构的对比 961848年晶体学家布拉维年晶体学家布拉维(A.Bravais)从宏观对称规则研究认为晶体可分为七从宏观对称规则研究认为晶体可分为七个晶系，包含十四中晶格。个晶系，包含十四中晶格。 七个晶系的性质七个晶系的性质晶 系边 长

50、角 度实 例立方晶系a=b=c=90食盐（NaCl）四方晶系a=bc=90白锡六方系a=bc= 90=120石墨菱形晶系a=b=c=90 (120单斜硫三斜晶系abc重铬酸钾97十四中布拉维晶格十四中布拉维晶格98图2-8 晶格及晶胞(a)(b)(c)等径圆球密堆积晶格或点阵晶胞一、晶体99十二面体钻石晶体钻石及其母岩 如果能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体，这个晶体又叫单晶体。如自然界存在的金刚石、人工制备的单晶硅、锗等。单晶体100 当地时间 2003 年 10 月 7 日，在伦敦索思比拍卖行，一名工作人员在展示一颗大 D 色级的钻石，这枚钻石将会在下月 20 日在日内瓦进行拍卖，预计起拍价

51、会在 500 和 600 万英磅 (800 万-1 000 万美元) 之间人民网 2003年10月08日天价钻石天价钻石101硅单晶用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。 102103 一般的固体材料不能用一个空间点阵图形贯穿，它们称为多晶体。 多晶体104 按晶格结点上微粒的种类、组成及其粒子间相互作用力的不同，晶体可分为：离子晶体分子晶体原子晶体金属晶体过渡型晶体混合型晶体1051离子晶体 离子晶体的晶格结点上交替排列着正、负离子，靠离子键结合。 较高的熔点、较大的硬度、较脆。在熔融状态或在水溶液中具有优良的导电性，但在固体状态时几乎不导电。 Na+Cl-图

52、2-9 NaCl 离子晶体 106一个粒子的周围最近邻的粒子数，可以被用来描写晶体小粒子排列的紧密程度，这个数称为配位数配位数粒子排列愈紧密，配位数应该愈大现在来考虑晶体中最大的配位数和可能的配位数。离子晶体的类型离子晶体的类型(AB型型) 类型类型 晶胞形状晶胞形状 配位数配位数 举例举例NaCl型型 正立方体正立方体 6 LiF,KICsCl型型 正立方体正立方体 8 CsBr立方立方ZnS型型 正立方体正立方体 4 BeO107CsCl型晶体型晶体 属简单立方晶格属简单立方晶格NaCl型晶体型晶体 属立方面心晶格属立方面心晶格立方立方ZnS型型 属立方面心晶格属立方面心晶格108AB型离

53、子晶体离子半径比与晶体构型的对应关系型离子晶体离子半径比与晶体构型的对应关系r r+ +/r/r- -阳离子阳离子配位数配位数阴离子多阴离子多面体面体构型构型0.2250.4140.2250.414 4 4正四面体正四面体 ZnSZnS型型0.4140.7320.4140.732 6 6正八面体正八面体 NaClNaCl型型0.7321.000.7321.008 8立方体立方体CsClCsCl型型1091.1.离子键的形成离子键的形成 NaNaNaNa+ +（2s2s2 22p2p6 6） ClClClCl- -（3s3s2 23p3p6 6）形成离子键的条件是原子间电负性相差较形成离子键的条

54、件是原子间电负性相差较大，一般要大于大，一般要大于2.02.0。2.2.离子键的本质：离子键的本质：是静电作用力是静电作用力3.3.离子键的特征离子键的特征 无方向性，无饱和性无方向性，无饱和性 Na+Cl-离子型分子离子型分子静电静电引力引力110晶格能（晶格能（U）晶格能是相互远离的气态正离子和负离子晶格能是相互远离的气态正离子和负离子结合成离子晶体时所释放的能量。结合成离子晶体时所释放的能量。 NaCl(s) Na+(g) + Cl-(g) U=786 kJmol-1用来衡量离子键的强弱用来衡量离子键的强弱解释和预言离子化合物的物理性质。解释和预言离子化合物的物理性质。 对于相同类型的离

55、子晶体对于相同类型的离子晶体U随着离子间随着离子间距离的减少而增大；随着离子电荷的增距离的减少而增大；随着离子电荷的增多而增大。多而增大。111表2. 5 KF、NaF和CaO晶体离子间作用力及其熔点变化规律物质 KFNaF CaF2CaO离子的电荷+1 1+1 12 2 2 2 离子半径nm0. 133 0. 1330. 097 0. 1330. 099 0. 132 离子半径之和nm 0. 2660. 230 ？0. 231离子间的作用 增大 熔点8609332 164112硫酸铜紫外光滤光片Copper Sulfate UV FilterNickel Sulfate UV Filter硫

56、酸镍紫外光滤光片113 2分子晶体 分子晶体的晶格结点上排列着极性分子或非极性分子，分子间以范德华力(分子间力)或氢键相结合。属于分子晶体的物质一般为非金属元素组成的共价化合物，如 SiF4，SiCl4，SiBr4，SiI4，H2O，CO2，I2 等。CO2 分子晶体(干冰)如图 2-10 所示。114O=C=O图2-10 CO2分子晶体(干冰) 115C60 的溶液A students view of the discovery of Buckminsterfullerene(adapted from Jonathan Hares PhD thesis, Sussex University,

57、 1993.) C60 的晶体结构.uk 116 对于无氢键的相同类型分子晶体，分子间力随相对分子质量增大而增大，熔点、沸点也随之增高。由于分子间力较弱，分子晶体的硬度较小，熔点一般低于 400 ，并有较大的挥发性，如碘片、萘等。 分子晶体的物理性质1173原子晶体 原子晶体的晶格结点上排列着中性原子，原子间由共价键结合。由非金属元素组成的共价化合物多为分子晶体，但有少部分形成原子晶体，如常见的 C (金刚石，立方型)，Si，Ge，As，SiC (俗称金刚砂)，SiO2，B4C，BN (立方型)，GaAs 等。118CCCCCCCCC图2-11

58、金刚石(C) 的晶体结构金刚石蓝色球和红色球都是碳原子，用红色球凸显四个位置特殊的碳原子。1194金属晶体 金属晶体的晶格结点上排列着原子或正离子。原子或正离子通过自由电子结合，这种结合力是金属键。金属键的强弱与构成金属晶体原子的原子半径、有效核电荷、外层电子组态等因素有关。 金属键无方向性，无固定的键能，金属键的强弱和自由电子的多少有金属键无方向性，无固定的键能，金属键的强弱和自由电子的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关，关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关， 很复杂。很复杂。 金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故金属晶体不透明，金属可以吸收波长范围极广

59、的光，并重新反射出，故金属晶体不透明，且有金属光泽。且有金属光泽。 在外电压的作用下，自由电子可以定向移动，故有在外电压的作用下，自由电子可以定向移动，故有导电性导电性 。受热时通。受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞，传递能量。故金属是热的过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞，传递能量。故金属是热的良导体良导体。120自由电子自由电子+金属离子金属离子金属原子金属原子位错位错+ + + + + + + 金属受外力发生变形时，金属键不被金属受外力发生变形时，金属键不被破坏，故金属有很好的破坏，故金属有很好的延展性延展性，与离子晶体，与离子晶体的情况相反。的情况相反。121金属晶

60、体堆积方式A1型密堆积ABCABCA3型密堆积ABABA2型密堆积ABAB体心立方六方面心立方122 金属晶体单质多数具有较高的熔点和较大的硬度，通常所说的耐高温金属就是指熔点高于铬的熔点 (1 857 ) 的金属，集中在副族，其中熔点最高的是钨(3 410 ) 和铼 (3 180 )，它们用作测高温的热电偶材料。 金属晶体的物理性质 与离子晶体、分子晶体和原子晶体相比，金属晶体具有良好的导电、导热性，尤其是第 IB 族的 Cu，Ag，Au。金属晶体还有良好的延展性等机械加工性能，有金属光泽、对光不透明等特性。纯金属及其合金构成的金属材料是最重要的结构材料之一。 1235过渡型晶体例如，二碘化