第2章分子要点概述2.1原子是大自然的建筑材料原子。所有的物质都由一种叫做原子的微粒构成，它具有一个带正电的核和绕核运动的带负电的电子。电子决定了原子的化学性质。电子围绕着原子核运动。电子离核越近，能级越低。2.2组成生命的原子都在最小的原子之列原子种类。在自然界存在的92种元素中，只有11种在生物体中大量存在。2.3化学键连成分子离子键形成晶体。原子通过化学键连在一起形成分子，化学键是通过异性电荷相吸引或共享电子而形成作用力的结果。共价键构筑稳定分子。由共享电子形成的化学键很强，需要很大能量才能使其断裂。2.4水是生命之源水的化学性质。水分子的微弱缔合为生物体创造了必要的化学环境。水分子好像小小的磁铁。由于共享电子对在氢原子和氧原子之间并不是平均分配的，使分子的不同部分带上了部分电荷。每个水分子都有了正极和负极之分也就是说具有了“极性”。水分子结合极性分子。由于极性分子所带有的相反的部分电荷会互相吸引，所以水分子会亲和别的水分子或其他的极性分子，而排斥非极性分子水的电离。因为水分子的共价键会瞬间断裂，所以水中含有低浓度的氢离子(H）和氢氧根离子（OH），也就是水分子的碎片，即水分子电离的产物
第 2 章 分子 要点概述 2.1 原子是大自然的建筑材料 原子。所有的物质都由一种叫做原子的微粒构成 。 ，它具有一个带正电的核和 绕核运动的带负电的电子。 电子决定了原子的化学性质。电子围绕着原子核运动 。 。电子离核越近，能级 越低。 2.2 组成生命的原子都在最小的原子之列 原子种类。在自然界存在的 。 92 种元素中，只有 11 种在生物体中大量存在。 2.3 化学键连成分子 离子键形成晶体。原子通过化学键连在一起形成分子 。 ，化学键是通过异性电 荷相吸引或共享电子而形成作用力的结果。 共价键构筑稳定分子。由共享电子形成的化学键 。 很强，需要很大能量才能使 其断裂。 2.4 水是生命之源 水的化学性质。水分子的微弱缔合为生物体创造了必要的化学环境 。 。 水分子好像小小的磁铁。由于共享电子对在氢原子和氧原子之间并不是平均 。 分配的，使分子的不同部分带上了部分电荷。每个水分子都有了正极和负极之分， 也就是说具有了“极性”。 水分子结合极性分子。由于极性分子所带有的相反的部分电荷会互相吸引 。 ， 所以水分子会亲和别的水分子或其他的极性分子，而排斥非极性分子 水的电离。因为水分子的共价键会瞬间断裂 。 ，所以水中含有低浓度的氢离子 (H＋ )和氢氧根离子（OH－），也就是水分子的碎片，即水分子电离的产物
大约100到200亿年前，一场巨大的爆炸标志了宇宙的开始。随之而来的是进化过程的开始，最终导致了地球上生命的起源和分化。纵观这200亿年的历史，我们会发现太阳系里的生命不过是最近才出现的。但是为了更好地了解生命的起源，我们需要考虑一些更早发生的事件。导致生命进化的过程同样也是分子进化的过程（图2.1）。所以，我们对地球上生命起源的研究，应该从物理和化学开始。作为一个复杂的化学系统本身，我们想要图2.1细胞由分子构成。原子之间特殊的但往往是简单的联合产生出细胞内种类惊人的各种分了解我们的由来，必须先要了子，每一种都有着独特的功能特点。解化学。2.1原子是大自然的建筑材料原子宇宙里一切有质量（见下文）并占有一定空间的东西都称作物质（matter）。所有的物质都由一些极小的微粒构成，叫做原子（atoms）。因为原子实在是太小了，研究起来相当困难。直到二十世纪早期，科学家才设计出第一个实验来描述原子到底是什么样的。原子的结构像原子那样小的物体只能通过复杂的技术手段，比如隧道显微镜，来间接地“看到”。我们现在已经对原子的复杂结构了解了不少，这都要归功于1913年丹麦物理学家尼尔斯·波尔开了个好头。波尔提出所有的原子都具有由一种比原子还小的称为电子(electrons)的粒子所形成的轨道电子云，电子绕核旋转，就像一
大约 100 到 200 亿年前， 一场巨大的爆炸标志了宇宙的 开始。随之而来的是进化过程 的开始，最终导致了地球上生 命的起源和分化。纵观这 200 亿年的历史，我们会发现太阳 系里的生命不过是最近才出现 的。但是为了更好地了解生命 的起源，我们需要考虑一些更 早发生的事件。导致生命进化 的过程同样也是分子进化的过 程（图 2.1）。所以，我们对地 球上生命起源的研究，应该从 物理和化学开始。作为一个复 杂的化学系统本身，我们想要 了解我们的由来，必须先要了 解化学。 2.1 原子是大自然的建筑材料 2.1 原子是大自然的建筑材料 原子 宇宙里一切有质量（见下文）并占有一定空间的东西都称作物质（matter）。 所有的物质都由一些极小的微粒构成，叫做原子（atoms）。因为原子实在是太小 ） 了，研究起来相当困难。直到二十世纪早期，科学家才设计出第一个实验来描述 原子到底是什么样的。 原子的结构 像原子那样小的物体只能通过复杂的技术手段，比如隧道显微镜，来间接地 “看到”。我们现在已经对原子的复杂结构了解了不少，这都要归功于 1913 年丹 麦物理学家尼尔斯·波尔开了个好头。波尔提出所有的原子都具有由一种比原子 还小的称为电子(electrons)的粒子所形成的轨道电子云，电子绕核旋转，就像一 图 2.1 细胞由分子构成。原子之间特殊的但往往 是简单的联合产生出细胞内种类惊人的各种分 子，每一种都有着独特的功能特点
个微缩太阳系里的行星那样。原子的中心是一个极Hydrogen1Proton小的、密度很大的核，由1Electron两种小于原子的粒子，即质子（protons）和中子Oxygen(neutrons)组成。（图2.2)。8Protons8Neurons在原子核内部，质子8Electrons和中子靠一种在远小于原NeutronProtonElectron(Negative charge)(Positivecharge)(No charge)子直径的距离内才能起作用的力（即强相互作用力，图2.2原子的基本结构。除了氢原子以外，所有的原子都又称核力。校者注）聚在具有一个由中子和质子组成的核。氢原子是最小的原子，它的核里没有中子，只有一个质子。而氧原子的核内有八一起。每个质子带一个正个质子和八个中子。电子在距离核很远的地方绕核旋转。电荷(+)，而每个电子带有Hydrogen氢原子，Oxygen氧原子，Proton(s）质子Neuron(s）中子，Electron(s）电子，Positive charge带正电一个负电荷（-），一般来Nocharge不带电，Negativecharge带负电说原子带有的质子和电子是一比一的。质子的数目（原子的原子序数(atomicnumber)）决定了原子的化学性质，因为它决定了能够参加化学反应的绕核运动的电子数。中子不带电，这也正是其名称的由来。原子质量质量(mass)和重量（weight）这两个词经常混用，但实际上它们在含义上有着微小的差别。质量指的是实际含有多少物质，而重量指的是施加在物质上的重力有多大。故而，同一个物体在地球和月球上具有相同的质量，但在地球上的重量却比在月球上大，因为地球的引力比月球大。原子质量（atomicmass）等于原子的所有的质子和中子的质量之和。地球上自然存在的原子含有1到92个质子，最多有146个中子。衡量原子和亚原子微粒的质量单位叫做道尔顿(Dalton)。这个单位有多小呢？须要6.02x1023道尔顿才等于1克！一个质子的质量约等于一道尔顿（实际上是1.009道尔顿），一个中子也差不多（1.007道尔顿）。相比之下，电子仅重1/1840道尔顿，所以与整个原子的质量相比，它们的质量可以忽略不记
个微缩太阳系里的行星那 样。原子的中心是一个极 小的、密度很大的核，由 两种小于原子的粒子，即 质 子 (protons) 和 中 子 (neutrons)组成。（图 2.2）。 在原子核内部，质子 和中子靠一种在远小于原 子直径的距离内才能起作 用的力（即强相互作用力， 又称核力。校者注）聚在 一起。每个质子带一个正 电荷(+)，而每个电子带有 一个负电荷（-），一般来 说原子带有的质子和电子 是一比一的。质子的数目（原子的原子序数(atomic number)）决定了原子的化学 性质，因为它决定了能够参加化学反应的绕核运动的电子数。中子不带电，这也 正是其名称的由来。 原子质量 质量(mass)和重量（weight）这两个词经常混用，但实际上它们在含义上有 着微小的差别。质量指的是实际含有多少物质，而重量指的是施加在物质上的重 力有多大。故而，同一个物体在地球和月球上具有相同的质量，但在地球上的重 量却比在月球上大，因为地球的引力比月球大。原子质量(atomic mass)等于原子 的所有的质子和中子的质量之和。地球上自然存在的原子含有 1 到 92 个质子， 最多有 146 个中子。 衡量原子和亚原子微粒的质量单位叫做道尔顿(Dalton)。这个单位有多小 呢？须要 6.02 x 1023 道尔顿才等于 1 克！一个质子的质量约等于一道尔顿（实际 上是 1.009 道尔顿），一个中子也差不多（1.007 道尔顿）。相比之下，电子仅重 1/1840 道尔顿，所以与整个原子的质量相比，它们的质量可以忽略不记。 图 2.2 原子的基本结构。除了氢原子以外，所有的原子都 具有一个由中子和质子组成的核。氢原子是最小的原子， 它的核里没有中子，只有一个质子。而氧原子的核内有八 个质子和八个中子。电子在距离核很远的地方绕核旋转。 Hydrogen 氢原子，Oxygen 氧原子，Proton(s) 质子 Neuron(s) 中子，Electron(s) 电子，Positive charge 带正电 No charge 不带电，Negative charge 带负电
同位素原子序数相同（就是具有相同数目的质子）的原子，具有相同的化学性质，都属于同一种元素(element)。准确的说，元素就是不能通过任何普通的化学方法分裂成其他物质的物质。但是，尽管一种元素的所有原子都含有同样多的质Carbon-13Carbon-14Carbon-12子，它们却可能具有6Protons6Protons6Protons7Neutrons6Neutrons8Neutrons不同的中子数。具有6Electrons6Electrons6Electrons不同中子数的同种图2.3含量最丰富的三种碳的同位素。元素的同位素含有不同元素原子叫做该种数目的中子。碳一12：6个质子，6个中子，6个电子；碳一13：6个质子，7个中子，6个电子：碳一14：6个质子，8个中子，元素的同位素6个电子。Carbon碳，Proton质子，Neutron中子，Electron电子(isotopes)。自然界的大多数元素往往是几种同位素的混合物。比如碳具有三种同位素，都具有六个质子（图2.3）。自然界里超过99%的碳都是具有六个中子的同位素，因为它的质量是12道尔顿（6个质子加上6个中子），这种同位素又叫做碳一12，记为12C：其余大部分是碳一13，这种同位素有7个中子：最稀少的碳同位素是碳一14，与前两种不同的是14C不稳定，它的核会分裂成原子序数更低的元素。这种会释放出大量能量的核的破裂，叫做放射性衰变，会发生这种衰变的的同位素叫做放射性同位素(radioactiveisotopes)。有一些放射性同位素比其他的更不稳定，更易衰变。但对于任意一种给定的同位素来说，它的衰变率是一定的。衰变率通常表示为半衰期(half-life)，是样品中一半原子发生衰变的时间。举例来说，碳一14的半衰期为5600年。今天含有1克碳一14的样品，5600年后将剩下0.5克碳一14，11200年后只剩0.25克，而距今16800年后就只剩下0.125克，以此类推。通过测定岩石或生物试样中碳或其他元素不同的同位素含量的比率，科学家可以精确地测出样品形成的时间。放射性同位素有很多用处，但是在使用放射性同位素的时候必须也要考虑到它有害的一面。放射性同位素会释放出高能的粒子，有可能对活细胞造成严重伤害，导致基因突变，高剂量时甚至会使细胞死亡。因此，暴露在放射源下的操作
同位素 原子序数相同（就是具有相同数目的质子）的原子，具有相同的化学性质， 都属于同一种元素(element)。准确的说，元素就是不能通过任何普通的化学方法 分裂成其他物质的 物质。但是，尽管一 种元素的所有原子 都含有同样多的质 子，它们却可能具有 不同的中子数。具有 不同中子数的同种 元素原子叫做该种 元 素 的 同 位 素 (isotopes)。自然界的 大多数元素往往是几种同位素的混合物。比如碳具有三种同位素，都具有六个质 子（图 2.3）。自然界里超过 99%的碳都是具有六个中子的同位素，因为它的质量 是 12 道尔顿（6 个质子加上 6 个中子），这种同位素又叫做碳—12，记为 12C； 其余大部分是碳—13，这种同位素有 7 个中子；最稀少的碳同位素是碳—14，与 前两种不同的是 14C 不稳定，它的核会分裂成原子序数更低的元素。这种会释放 出大量能量的核的破裂，叫做放射性衰变，会发生这种衰变的的同位素叫做放射 性同位素(radioactive isotopes)。 有一些放射性同位素比其他的更不稳定，更易衰变。但对于任意一种给定的 同位素来说，它的衰变率是一定的。衰变率通常表示为半衰期(half-life)，是样品 中一半原子发生衰变的时间。举例来说，碳—14 的半衰期为 5600 年。今天含有 1 克碳—14 的样品，5600 年后将剩下 0.5 克碳—14，11200 年后只剩 0.25 克,而 距今 16800 年后就只剩下 0.125 克，以此类推。通过测定岩石或生物试样中碳或 其他元素不同的同位素含量的比率，科学家可以精确地测出样品形成的时间。 放射性同位素有很多用处，但是在使用放射性同位素的时候必须也要考虑到 它有害的一面。放射性同位素会释放出高能的粒子，有可能对活细胞造成严重伤 害，导致基因突变，高剂量时甚至会使细胞死亡。因此，暴露在放射源下的操作 图 2.3 含量最丰富的三种碳的同位素。元素的同位素含有不同 数目的中子。碳—12：6 个质子，6 个中子，6 个电子；碳—13： 6 个质子，7 个中子，6 个电子；碳—14：6 个质子，8 个中子， 6 个电子。 Carbon 碳，Proton 质子，Neutron 中子，Electron 电子
被小心地加以控制和调节。从事放射性工作的科学家（无论基础研究工作者还是应用科学家，比如X射线技术人员）要佩带对射线敏感的标牌（一种能够测量辐射剂量的小牌子，佩戴于胸前或腹部。译者注。）以监测他们接受的辐射总量。每个月标牌都被收上来仔细地检查，这样，不得不在超剂量放射性的危险环境中工作的雇员，都配备了一套“预警系统”。电子原子中核所带的正电性被在不同轨道绕核旋转的带负电的电子中和，所以，具有相同质子数和电子数的原子是中性不带电的。电子被带正电的核吸引而固定在轨道上，这种吸引力有时会被其他力所抵消，原子就会失去一个或几个电子。另外一些情况下，原子会获得额外的电子。电子数不等于质子数的原子就是离子(ions)，它们带有一定的电性。质子多于电子的原子带有净的正电，是阳离子（cation)。比如钠（Na）失去一个电子就成为钠离子（Na），带电+1。质子比电子少的原子带有净的负电，叫做阴离子(anion)。一个氯原子（CI）得到一个电子后成为氯离子（CI），带电-1。原子由一个含有质子和中子的核以及绕核运动的电子组成。原子带有的电子数很大程度上决定了原子的化学性质。具有相同质子数不同中子数的原子叫做同位素。同位素的原子质量不同，但化学性质相似。电子决定了原子的化学性质决定原子化学性质的关键在于核外电子在轨道上的排布。尽管把单个电子想象成在分离的圆轨道上绕着原子核中心旋转是很方便的，就像波尔的原子模型那样，但是这种结构并不是原子的真实结构。要想知道单个电子在某一时刻的准确位置是不可能的。实际上，某个特定的电子在给定时刻有可能出现在任何地方，从离核很近到无限远。但是，某个特定的电子在某些位置出现的几率更大一些。核周围电子最可能出现的位置就叫做电子轨道(orbital）（图2.4）。近核的轨道是球形的（s轨道），其他轨道是哑铃形的（p轨道）。还有一些离核较远的轨道可以具有其它的形状。不论什么形状，一个轨道上都不可能含有两个以上的电子。原子所占的全部体积几乎都是空的，因为跟核的体积相比起来电子离它的距离要大的多。如果原子核像一个苹果那样大小的话，最近的电子轨道也在1600
被小心地加以控制和调节。从事放射性工作的科学家（无论基础研究工作者还是 应用科学家，比如 X 射线技术人员）要佩带对射线敏感的标牌（一种能够测量 辐射剂量的小牌子，佩戴于胸前或腹部。译者注。）以监测他们接受的辐射总量。 每个月标牌都被收上来仔细地检查，这样，不得不在超剂量放射性的危险环境中 工作的雇员，都配备了一套“预警系统”。 电子 原子中核所带的正电性被在不同轨道绕核旋转的带负电的电子中和，所以， 具有相同质子数和电子数的原子是中性不带电的。 电子被带正电的核吸引而固定在轨道上，这种吸引力有时会被其他力所抵 消，原子就会失去一个或几个电子。另外一些情况下，原子会获得额外的电子。 电子数不等于质子数的原子就是离子(ions)，它们带有一定的电性。质子多于电 子的原子带有净的正电，是阳离子(cation)。比如钠（Na）失去一个电子就成为 钠离子（Na+），带电+1。质子比电子少的原子带有净的负电，叫做阴离子(anion)。 一个氯原子（Cl）得到一个电子后成为氯离子（Cl-），带电-1。 原子由一个含有质子和中子的核以及绕核运动的电子组成。原子带有的电子数 。原子带有的电子数 很大程度上决定了原子的化学性质。具有相同质子数不同中子数的原子叫做同 。具有相同质子数不同中子数的原子叫做同 位素。同位素的原子质量不同 。同位素的原子质量不同，但化学性质相似 ，但化学性质相似。 电子决定了原子的化学性质 决定原子化学性质的关键在于核外电子在轨道上的排布。尽管把单个电子想 象成在分离的圆轨道上绕着原子核中心旋转是很方便的，就像波尔的原子模型那 样，但是这种结构并不是原子的真实结构。要想知道单个电子在某一时刻的准确 位置是不可能的。实际上，某个特定的电子在给定时刻有可能出现在任何地方， 从离核很近到无限远。 但是，某个特定的电子在某些位置出现的几率更大一些。核周围电子最可能 出现的位置就叫做电子轨道(orbital)（图 2.4）。近核的轨道是球形的（s 轨道）， 其他轨道是哑铃形的（p 轨道）。还有一些离核较远的轨道可以具有其它的形状。 不论什么形状，一个轨道上都不可能含有两个以上的电子。 原子所占的全部体积几乎都是空的，因为跟核的体积相比起来电子离它的距 离要大的多。如果原子核像一个苹果那样大小的话，最近的电子轨道也在 1600