重要生命元素

2023/2/51第四章

重要的生命元素ImportantLifeElement2023/2/52

学习要求1.了解元素的分布及其分类。

2.掌握s区、p区元素的通性，熟悉元素及其化合物的性质，了解元素的生物效应。

3.掌握d区元素的通性，了解重要元素及其化合物的性质、元素的生物效应。

2023/2/534.1元素概述4.2S区元素4.3p区元素4.4d区元素2023/2/544.1元素概述4.1.1元素的分布地球上天然存在的元素主要存在于岩石圈、水圈和大气圈。

2023/2/55

元素在地壳中的含量称为丰度，常用质量分数表示。

4-1地球上分布最广的10种元素的质量分数

元素符号OHSiAlNa

质量分数/%52.3216.9516.675.531.95

元素符号FeCaMgKTi

质量分数/%

1.501.481.391.080.222023/2/564.1.2元素的分类１．金属和非金属元素

按长式周期表中硼—硅—砷—碲—砹和铝—锗—锑—钋之间的对角线来区分。位于对角线左下方的都是金属元素；右上方的都是非金属元素。对角线附近的锗、砷、锑、碲称为准金属元素。非金属金属2023/2/57

2．普通元素和稀有元素

根据元素在自然界中的分布及应用情况，将元素分为普通元素和稀有元素。稀有元素一般指在自然界中含量少，或被人们发现得较晚，或对它们研究的较少，或提炼它们比较困难以致在工业上应用也较晚的元素。前四周期（Li，Be，稀有气体除外），ds区元素为普通元素，其余为稀有元素。稀有元素也可继续分为：轻稀有金属、高熔点稀有金属、分散稀有元素、稀有气体、稀土金属、放射性稀有元素等。2023/2/583．生命元素与非生命元素

根据元素的生物效应不同，又分为有生物活性的生命元素和非生命元素。生命元素又可根据在人体中的含量及作用进行细分，可分为人体必需元素（essentialelements、有毒元素（toxicelements）和不确定元素。2023/2/594.宏量元素（常量元素）和微量元素2023/2/5104.2s区元素4.2.1s区元素的通性

s区元素位于元素周期表的最左边，包括ⅠA族和ⅡA族，分别称为碱金属和碱土金属。ⅠA族元素包括H，Li，Na，K，Rb，Cs，Fr共7个元素，ⅡA族元素包括Be，Mg，Ca，Sr,Ba，Ra共6种元素。其中，第七周期的Fr和Ra为放射性元素。

2023/2/5111.物理性质s区元素（除H外）的单质均为金属，具有金属光泽。它们的金属键较弱，因此，具有熔点低、硬度小、密度小等特点。另外，s区元素还具有良好的导电性能和传热性质。2023/2/512

2.化学性质

ns1或ns2的价电子构型形成稳定的氧化数为+1(ⅠA）和+2（ⅡA）的离子，无变价；生成的化合物都是离子型化合物；最活泼的金属，为强还原剂。2023/2/5134.2.2重要元素、化合物及其生物效应

1.

氢（H）

电子结构为1s1

；氢的成键方式主要有3种，一是失去价电子，成为H+；二是结合1个电子，形成H-；三是形成共价化合物，成为氢化物。氢是人和动、植物所必需的宏量元素，可与氧结合生成水；另外，它是构成生命体中一切有机物不可缺少的重要元素。2023/2/5142.钠和钾

（1）金属钠和钾与水反应可释放出大量热；（2）氢氧化钠（钾）

LiOH为中强碱外，其余均为强碱；

碱金属氢氧化物中以NaOH最重要。氢氧化钠又称烧碱，它是实验室常用的重要试剂，也是重要的工业原料。它能除去空气中的酸性物质如二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、硫化氢等，NaOH易于融化，能溶解某些金属氧化物和非金属氧化物，因此常用于溶解矿物试样。

2023/2/515（3）.碳酸钠与碳酸氢钠

碳酸钠俗称纯碱或苏打，通常是含10个结晶水的白色晶体（Na2CO3·10H2O），在空气中易风化而逐渐碎裂为疏松的粉末，易溶于水，其水溶液有较强的碱性，可在不同反应中作碱使用，这也是人们称其为纯碱的原因。

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碳酸氢钠俗称小苏打，白色粉末，可溶于水，但溶解度不大，其水溶液呈弱碱性。主要用于医药和食品工业中。2023/2/517

碳酸钠是一种基本化工原料，大量用于玻璃、搪瓷、肥皂、造纸、纺织、洗涤剂的生产和有色金属的冶炼中，它还是制备其他钠盐或碳酸盐的原料。工业上常用氨碱法生产碳酸钠：

NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+H2O↑+CO2↑2023/2/518（4）钠、钾的生物效应

保持神经肌肉的应激性。K＋和Na＋承担着传递神经脉冲的功能。保持一定的渗透压。维持体液酸碱平衡。参与某些物质的吸收过程。

Na、K作为生物必需的重要元素，在生物体内具有重要的生理作用。

2023/2/5193.镁和钙

金属单质镁和钙

镁和钙属于ⅡA族的碱土金属元素，化学性质很活泼，在自然界中一般以化合物形式存在。金属镁和钙的单质用电解熔融盐的方法制备，在空气中迅速氧化，在其表面形成一种氧化膜，阻止继续氧化。与金属钾和钠相比，镁和钙的金属活动性相对较弱，与冷水作用缓慢，但与酸作用可置换出氢气。金属镁具有重要的用途，镁铝合金以其密度小，硬度大、韧性高的特点，在飞机和汽车制造中得到广泛的应用。2023/2/520氧化镁和氧化钙镁和钙的碳酸盐、硝酸盐、草酸盐和氢氧化物加热，都可生成相应的氧化物。氧化镁俗称苦土，是一种碱性白色粉末，难溶于水，但可与水反应生成Mg(OH)2。氧化镁熔点约为2850℃，可作耐火材料、润滑剂以及抑酸剂等使用。氧化钙俗称生石灰，是一种白色块状或粉末状碱性固体。它微溶于水，可与水作用生成Ca(OH)2，放出大量的热。氧化钙熔点为2615℃，具有强吸湿性，可作耐火材料和干燥剂。工业上生产镁和钙的氧化物主要是煅烧菱镁矿和石灰石的方法来制备的。2023/2/521

镁、钙的生物效应

镁是一种细胞内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子，是许多酶的激活剂。细胞内的核苷酸以镁的配合物的形式存在。在绿色植物的光合作用中，镁也有着非常重要的作用。叶绿素分子中Mg2＋扮演着结构中心和活性中心的作用。此外，在生物体内的糖代谢中，镁也具有非常重要的作用。

叶绿素2023/2/522

Ca在人体内的含量约为2%，是人和动、植物所必需的宏量元素。钙是细胞膜的组织成分，细胞膜的坚固程度与组织中的钙含量有关，充足的钙能够防止细胞和液泡内物质外渗。缺钙会引发人和动物产生多种疾病，如骨质疏松、佝偻病等，但人体内钙含量过高，也易产生结石等疾病。

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4.3p区元素4.3.1p区元素的通性

电子构型为ns2np1-6的，位于元素周期表右边的元素，包括ⅢA至ⅧA共计6个主族，31个元素。

p区金属元素在与其他元素化合时，既可以仅以p电子参加反应，又可以s、p电子全都参与反应，因此表现出两种或两种以上的氧化数。2023/2/5241．铝和氧化铝

铝是典型的两性金属，具有银白色光泽，质软，具有良好的导电、导热和延展性能。铝的电离能较小，电负性为1.5。铝的标准电极电位为-1.66V，但却不能从水中置换出氢气，因为它与水接触时表面易生成一层难溶解的氢氧化铝。铝与氧气的结合能力很强，铝暴露在空气中，其表面会形成一层致密的氧化膜。4.3.2重要元素、化合物及其生物效应2023/2/525

铝在冷的浓H2SO4、浓HNO3中呈钝化状态，因此常用铝制品贮运浓H2SO4、浓HNO3。但铝可与稀HCl、稀H2SO4及碱发生反应放出氢气：

2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑2Al+3H2SO4=Al2（SO4）3+3H2↑2Al+NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑2023/2/526

铝是一种很重要的金属材料，广泛用来作导线、结构材料和日用器皿。特别是铝合金质轻而又坚硬，大量用于飞机制造和其他构件上。2023/2/527氧化铝

氧化铝可由氢氧化铝加热脱水而制得。在不同的温度条件下，制得的Al2O3可以有不同的形态和不同的用途。一般常用希腊字母分别表示α、β、γ…等Al2O3。氧化铝是离子晶体，具有很高的熔点和硬度。

α-Al2O3是一种多孔性物质，有很大的表面积，并有优异的吸附性、表面活性和热稳定性，常被用作催化剂的活性成分，又称活性氧化铝。2023/2/528

自然界存在的结晶氧化铝是α-Al2O3，称为刚玉。而Al（OH）3热分解得到的α-Al2O3称人造刚玉。α-Al2O3不溶于水，也不溶于酸，在催化剂中常用作载体。2023/2/529

含有少量杂质的α-Al2O3常呈鲜明的颜色。如红宝石就是含极微量Cr2O3的α-Al2O3，常用作制造耐磨的微型轴承（如手表中的“钻”）。蓝宝石则是含铁和钛氧化物的α-Al2O3。2023/2/530铝的生物效应

铝在人和动植物体内广泛存在，是一种低毒、非必需的微量元素。铝元素是否对人体有害，与铝化合物的溶解性有关。铝对植物的生长也有一定影响，研究发现适量的铝对普通农作物的生长发育和产量的提高具有一定的促进作用。2023/2/5312.碳及其化合物

CO2为无色、无臭的气体。大气中含有约0.03%（体积）的CO2，它主要来自于生物的呼吸，有机化合物的燃烧，动植物的腐败分解等。同时又通过植物的光合作用、碳酸盐岩石的形成等而消耗。目前，世界各国工业生产的迅速发展使空气中CO2浓度逐渐增加，这已被认为是造成“温室效应”的主要原因之一。

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固态CO2是分子晶体，它的熔点很低（-78.5℃），固态CO2会直接升华，故称干冰。干冰常用作致冷剂，其冷冻温度可达-70℃~-80℃；干冰还常被用于易腐食品的保存和运输中。

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CO2不能自燃，又不助燃。密度比空气大，可使物质与空气隔绝，所以常用作灭火剂，也可作为防腐剂和灭虫剂。

CO2还是一种重要的化工原料。如CO2与盐可制成碱；CO2与氨可制成尿素、碳酸氢铵；CO2也可用于制甲醇等。

CO2可溶于水，溶于水的CO2部分与水作用生成碳酸。因而敞口贮放的蒸馏水会因溶入空气中的CO2而显微酸性。

2023/2/534

碳的生物效应

碳是最重要的生命元素之一，无论是植物还是动物的各种组织器官，都是由碳和其他元素构成的。单质碳难以被动植物直接利用，但碳可以通过各种途径转化为CO2

。自然界中的CO2被植物吸收后，通过叶绿素的光合作用，最终形成碳水化合物等有机物，并放出氧气，维持了自然界中的碳和氧的相对平衡。总之，生命就是在元素碳的基础上形成和发展的。2023/2/5353.氮元素及其化合物NaNO2+NH4Cl=N2+NaCl+2H2O2NH4Cl+Ca(OH)2=CaCl2+2NH3+2H2O

氨的化学性质很活泼，根据其元素组成和结构特点，主要有下列三方面的性质：

加合反应：Cu2++4NH3=[Cu（NH3）4]2+取代反应：2NH3+2Na=2NaNH2+H2氧化反应：4NH3+5O2=6H2O+4NO2023/2/536氮元素的生物效应

氮是动植物体内最重要的元素之一，是组成蛋白质的主要元素。

动物通过食用植物或动物蛋白质，而获得氮元素。植物主要通过生物固氮或人工氮肥，而补充氮元素。若氮元素缺少，由于蛋白质的合成量减少，使作物生长缓慢、植株矮小。若氮肥过多，可使细胞增大、细胞壁变薄、水分增多，含钙减少，植物变得叶大色浓、容易倒伏，减少收成，所以要合理施肥。

2023/2/5374.氧元素及其化合物氧及其化合物氧是地壳中含量最多的元素，电负性较大，表现为典型的非金属元素。氧的化学性质比较活泼。在一定条件下，氧能与多数单质直接化合，也能将许多氢化物、硫化物或低价化合物氧化，从而得到各种氧化物。多数金属氧化物都是由离子键形成的，为离子晶体，具有较高的熔点、沸点和硬度。少数过渡金属氧化物为分子晶体，为共价化合物。非金属氧化物都是共价键，为分子晶体，其熔点、沸点较低。少数非金属氧化物为巨型分子，如SiO2为原子晶体，具有高的熔点、沸点。

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氧元素的生物效应

氧是地球上是最丰富的元素，含氧化合物广泛分布于生物体的各个器官和体液中。生物依靠氧来实现呼吸作用，一切生物都靠呼吸氧气维持生命，植物在光合作用中合成碳水化合物并放出氧气，形成了氧在生物界的循环。总之，氧元素是生命的重要元素之一，可以毫不夸大地说，没有了氧元素，就没有了生命。2023/2/539

5.卤素和其生物效应

卤素的性质FClBrI原子序数9173553价电子结构2s22p53s23p54s24p55s25p5主要氧化数-1,0,-1,0,+1,+3,+4,+5,+7-1,0,+1,+3,+5,+7-1,0,+1,+3,+5,+7原子半径（pm）6499114133离子（X-1）半径（pm）133181196220电负性4.03.23.02.7电子亲和能（KJ·mol-1）322349324295第一电离能（KJ·mol-1）50736833510082023/2/540卤素的生物效应

氟具有很强的配位能力，能和许多金属元素配位，影响多种酶的活性，氟是植物的有毒元素。另外，氟是人和动物必需的微量元素。体内氟过量时，会影响钙、磷正常代谢，抑制多种酶的活性，引起其他疾病。人类大量使用氟里昂(氟氯烃)作冷冻剂和雾化剂，当其进入大气臭氧层时，会破坏臭氧层。

2023/2/541氯是生命必需的宏量元素。过量的氯化钠也会引起高血压，故食用的盐应适量。碘是生命中最重要的微量元素之一，尤其对人和动物来讲是所必需的微量元素。极微量的碘对高等植物的发育有促进作用，在植物体内，一般不会有缺碘现象。若人体缺碘，会引起“大脖子病”。2023/2/542

4.4d区元素4.4.1d区元素的通性价电子层构型一般为（n-1）d1～9ns1～2

；d区元素具有多种氧化数；d区元素易形成配合物；d区元素还以其特殊的催化性、磁性等，在化工生产、材料科学中发挥着巨大的作用。2023/2/5434.4.2重要元素及其生物效应1.铜、锌元素及其生物效应铜、锌元素及其化合物

2Cu+H2O+CO2+O2=Cu2(OH)2CO33Cu+8HNO3（稀）=3Cu(NO3)2+2NO+4H2OFe2O3+6H[ZnCl2（OH）]=Fe[ZnCl2（OH）]3+3H2O2023/2/544铜、锌元素的生物效应

铜和锌都是生物体内重要的必需元素之一。铜是植物体内许多氧化酶(如多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶等)的组成元素，参与体内氧化还原过程。在叶绿体中有含铜蛋白质，在光合作用中具有传递电子的作用。在人和动物体内，铜与蛋白质结合成为血细胞铜蛋白，它影响铁的代谢，从而参与造血活动。铜还是构成体内许多细胞色素的主要成分。

2023/2/545锌是植物体内许多酶(如谷氨酸酶、苹果酸酶等)的必要元素。如含锌碳酸酐酶与光合作用有关，植物体内生长素的合成，也必须有锌的参与。植物体内缺锌常表现为生长停滞，可以通过喷施锌盐稀溶液来促进植物生长。人体含锌为1.4～2.3g，约为铁含量的一半，是含量仅次于铁的微量元素。人体内各个器官都含有锌，主要集中于肝脏、肌肉、骨骼和皮肤（包括头发）。血液中的锌大多数分布在红细胞中，主要以酶的形式存在。在人体中，锌对人体蛋白质的合成，物质代谢和能量代谢，各种酶的活性，生长发育，智力发展和免疫功能等方面都具有重要的作用。2023/2/5462.钒和化合物及其生物效应

钒和化合物

钒（V）是第四周期，ⅤB族的第一个元素。在地壳中的含量比Zn、Cu、Pb等普通元素大，但分布较广，属于稀有元素。钒的价层电子构型为3d34s2，五个电子都能成键，形成+5、+3、+2等氧化数的化合物，其中重要的化合物是五氧化二钒（V2O5）偏钒酸铵（NH4VO3）。五氧化二钒可以通过灼热偏钒酸铵而得到。2023/2/547钒元素的生物效应

钒主要存在于植物、动物和人的脂肪中，参与动植物的许多生理过程，具有十分重要的生物作用。钒是植物固氮菌所必需的元素，它是固氮酶中蛋白质的构成成分，能补充和加强钼的功能，促进根瘤菌对氮的固定。此外，在植物中，钒还可参与硝酸盐的还原，促使NO3-转化为氮。过量的钒对人体会产生的毒性，它会抑制胆固醇、磷脂及其他脂质的合成；影响胱氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸的形成；干扰铁在血红蛋白合成中作用。2023/2/548铬和化合物

Cr2O3是绿色固体，微溶于水，是两性氧化物，它能溶于酸或碱：

Cr2O3+3H2SO4=Cr2(SO4)3+3H2OCr2O3+2NaOH+3H2O=2Na〔Cr(OH)4〕Cr2O3是制备其他铬化合物的原料，也常作为绿色颜料而广泛应用于陶瓷、玻璃、涂料、印刷等工业。

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重铬酸钾是铬的重要盐类，为橙红色晶体，俗称红钾矾。重铬酸钾不含结晶水，低温时溶解度小，易提纯，所以常用作定量分析中的基准物质。重铬酸钾在酸性溶液中有强氧化性，是分析化学中常用的氧化剂之一，如：

Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++5Fe3++7H2OCr2O72-+6I-+14H+=2Cr3++3I2+7H2O2023/2/550

用重铬酸钾与浓硫酸可配成铬酸洗液，它具有强氧化性，是玻璃器皿的高效洗涤剂，多次使用后，转变为绿色（Cr3+）而失效。重