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上一篇文章回顧：化學(xué)是什么？-第3章化學(xué)是社會發(fā)展的推動者（3）
第4章 什么的化學(xué)和化學(xué)的什么
4.1 什么的化學(xué)
無機化學(xué)是研究無機化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互轉(zhuǎn)變規(guī)律及應(yīng)用的科學(xué)?！盁o機”兩字來源于早年認為這些化合物是從無生命物質(zhì)中提取和制得的。現(xiàn)在化合物從組成和結(jié)構(gòu)上分成兩大類：有機化合物和無機化合物。將碳氫化合物及其衍生物稱為有機化合物，其他都歸入無機化合物，包括單質(zhì)、簡單的含碳化合物（如一氧化碳、二氧化碳、碳酸鹽、碳化物等）和各種元素間形成的化合物。生命物體中包含有大量的無機物，例如人體中水占體重的60％～70％，水是無機物。隨著無機化學(xué)研究范圍不斷擴展并與其他學(xué)科交叉、滲透，形成了元素化學(xué)、無機合成化學(xué)、配位化學(xué)、有機金屬化學(xué)、生物無機化學(xué)、無機固體化學(xué)、原子簇化合物化學(xué)、超分子化學(xué)等次級學(xué)科。無機化學(xué)的研究對資源的開發(fā)利用、環(huán)境保護、新材料的開發(fā)、生命科學(xué)的研究等都具有重大意義。下面以元素化學(xué)、鋰化學(xué)和稀土元素化學(xué)為例加以說明。元素化學(xué)是按元素周期表中元素的排列，分族或?qū)δ承﹤€別元素進行研究的化學(xué)。例如堿金屬元素化學(xué)是研究鋰、鈉、鉀、銣、銫和鈁等六種元素的通性及每種元素的特性的化學(xué)。由于同族元素有許多相似之處，聯(lián)系在一起討論，容易理解它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的規(guī)律。這族金屬元素單質(zhì)的熔點和沸點都較低，都是電的良導(dǎo)體，都可溶于液氨。它們外層價電子都排布在s軌道上，成為ns1（n＝2，3，4，5，6，7），都容易丟失1個電子成一價正離子，都是強還原劑，化學(xué)性質(zhì)活潑，容易和鹵素、水和氧氣等進行化學(xué)反應(yīng)。由于隨著周期數(shù)n加大，原子半徑加大，電離能依次降低，原子的電負性也依次減小，化學(xué)活潑性增大，金屬性增強。一價正離子M＋（M表示金屬）的離子半徑隨n的增大而加大，在分離時，可選擇孔穴大小不同的冠醚進行絡(luò)合（配位）分離，提取含量較稀少的鋰、銣和銫，作為貴重的特種材料，提供給新興的產(chǎn)業(yè)部門使用。
鋰（Li）是最輕的堿金屬，水溶液中Li＋/Li電極的標準電勢為－3.04伏（V）。鋰電池質(zhì)量輕、電壓高，自放電少，低溫性能較好，比較理想，已制造出多種電池（包括蓄電池和熱電池）。鋰電池已成為綠色無碳排放的車用能源，將會大量使用在鋰電池電動汽車中，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機汽車。將鋰和碘（I）組成一種固體電解質(zhì)電池，負極為金屬鋰，正極為碘加聚（2-乙烯基吡啶），電解質(zhì)為固態(tài)的LiI。LiI的電導(dǎo)率很低（室溫下約10-7 S·cm-1），在電池制作時并不加入，它是鋰與碘發(fā)生反應(yīng)后在原位產(chǎn)生的，故LiI層極薄，足以維持一定的電流。因該電池是固態(tài)的，無氣、液泄漏等問題，壽命長達十余年，安全、可靠，特別適用于給心臟起搏器作電源，早已商品化。隨著信息產(chǎn)業(yè)和航空航天工業(yè)的發(fā)展，制造鋰電池、鋰合金所涉及的鋰化學(xué)，吸引著人們的關(guān)注。
稀土元素包括15種鑭系元素：鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）以及鈧（Sc）和釔（Y）共17種第3族元素。化學(xué)家和物理學(xué)家共同測定鑭系元素價層電子結(jié)構(gòu)為4f0～145d0～16s2，鈧為3d14s2，釔為4d15s2。原子電子組態(tài)的相似性，使它們（钷除外）在光、電、磁的物理性質(zhì)上有著共同的特點，成為制作各類材料的寶貴原料?，F(xiàn)今信息產(chǎn)業(yè)、航空航天工業(yè)以及許多涉及高科技的產(chǎn)業(yè)都需要含有稀土元素制作的材料和元器件。例如，高速鐵路所用鋼軌，要加入稀土金屬提高它的機械性能和抗腐蝕性能；航空航天所用的輕質(zhì)合金，需添加少量稀土元素，增加其機械強度和抗疲勞性能；稀土永磁材料是重要的功能材料，廣泛地用于能源、交通、家電、信息、醫(yī)療和機械各種行業(yè)。純粹的單一稀土元素，廣泛用于光、電、磁相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品，如電視機、激光器、控制器等元器件中，電視屏幕上的紅色熒光粉，常用銪和釔的氧化物制得，它發(fā)光效率高、性能穩(wěn)定；鋱和鈰用以制造綠色熒光粉；鏑燈具有亮度大、色澤好、體積小、電弧穩(wěn)定等特點，用于電影和印刷等照明光源；摻鉺的激光器，其激光波長范圍窄、光強高，性能優(yōu)良，應(yīng)用于光纖通信。稀土元素在化學(xué)工業(yè)中是重要的催化劑，用于化工生產(chǎn)中的許多反應(yīng)，在汽車尾氣凈化處理的裝置中，加入鈰可使尾氣中的一氧化碳和氮氧化物的含量減少。
我國在世界上蘊藏稀土元素最為豐富，經(jīng)化學(xué)家的努力，提高了冶煉和分離的技術(shù)，已成為生產(chǎn)混合稀土元素和單一稀土元素的大國，其中徐光憲教授發(fā)明的串級萃取分離稀土元素的工藝，為高效地從混合稀土元素中分離出單一稀土元素作出重大貢獻。隨著高新技術(shù)高速發(fā)展，許多熱點問題都涉及和稀土元素相關(guān)的材料，為稀土元素化學(xué)的發(fā)展提供了重大的機遇。
化學(xué)是什么？化學(xué)是一門充分利用蘊藏的自然資源，將它開發(fā)、分離、提純，為社會的現(xiàn)代化建設(shè)提供寶貴的材料的科學(xué)。
有機化學(xué)是研究有機化合物的來源、合成方法、組成、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及有關(guān)理論的一門基礎(chǔ)學(xué)科。有機化合物簡稱有機物，指碳氫化合物及其衍生物。早期已知的有機物都是從生物體得到的，于是人們認為有機物只有在生物的細胞中受“生命力”的作用才能產(chǎn)生出來，對有機物的產(chǎn)生賦予了神秘的色彩。自1828年人工合成尿素后，有機合成得到迅速發(fā)展，“生命力”的觀點逐漸失去影響，有機物和無機物之間的界線也隨之消失。但歷史上和習(xí)慣上沿用的“有機”這個名詞，仍廣泛地在化學(xué)中使用。在已知的由制備和分離所得的化合物品種中，有機化合物約占90％。據(jù)地球化學(xué)測算元素豐度得知，碳在地殼中的含量按質(zhì)量計只占0.027％，數(shù)量很少，況且其中的99.7％以煤、甲烷和碳酸鹽的形式存在，0.2％在大氣中以二氧化碳和甲烷的形式出現(xiàn)，剩余不到0.1％的碳構(gòu)成地球上全部生命物種的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，即有機化合物。碳能以很少的數(shù)量構(gòu)成種類達數(shù)千萬種的有機化合物，其關(guān)鍵在于碳原子間能形成豐富多彩的化學(xué)鍵，碳骨架的連接和成鍵情況與單質(zhì)碳的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
單質(zhì)的成鍵規(guī)律，在一定程度上在這些元素所形成的化合物中得到繼承。所以可根據(jù)碳的三種晶態(tài)異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)特征和成鍵規(guī)律，將有機化合物分成三族，如表4.1.1所示。
表4.1.1 三族有機化合物的名稱和通式
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脂肪族化合物通式RX中，R是脂肪烴基團，其中除飽和脂肪烴基團外，還包括烯和炔等不飽和脂肪烴基團，X為置換H原子的各種基團。它的典型代表是烷烴（CnH2n＋2），它的結(jié)構(gòu)特征是由四面體取向成鍵的碳原子連接而成。芳香族化合物通式ArX，Ar為芳香烴基團，X為置換H原子的各種基團。它的典型代表是苯（C6H6），它的結(jié)構(gòu)特征是由多個按平面三角形成鍵的碳原子相互形成離域鍵，使它具有芳香性。球碳族化合物通式為FuX，F(xiàn)u為球碳基團，X為加成于球面上和包合在球體內(nèi)部的各種基團。它的典型代表是含球形C60基團的化合物。球碳基團的結(jié)構(gòu)特征是由球面形成鍵的碳原子組成三維封閉的多面體。另外，球碳分子和其他試劑反應(yīng)產(chǎn)生的各種開口多面體化合物，也屬球碳化合物。有機化學(xué)包括天然產(chǎn)物化學(xué)、有機合成化學(xué)、物理有機化學(xué)、元素有機化學(xué)、高分子化學(xué)、有機分析化學(xué)、生物有機化學(xué)、燃料化學(xué)等。有機化學(xué)與人的物質(zhì)生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生有密切關(guān)系，對藥物、染料、香料、炸藥、食品與營養(yǎng)素、高分子材料、高能燃料、石油與煤化學(xué)、日用品化學(xué)、農(nóng)副產(chǎn)品利用等的發(fā)展起了奠定基礎(chǔ)的作用，對發(fā)展經(jīng)濟、改善生活有極其重要的意義。復(fù)雜生命現(xiàn)象的研究對象主要是有機分子，因此有機化學(xué)的深入研究也為研究生物活性物質(zhì)與解決生命科學(xué)的課題提供了必要的基礎(chǔ)與條件。
生物有機化學(xué)是應(yīng)用有機化學(xué)的理論和方法研究生命現(xiàn)象的化學(xué)本質(zhì)，是當(dāng)前非?；钴S的前沿領(lǐng)域。它的主要研究對象是核酸、蛋白質(zhì)和多糖三類生物大分子以及參與生命過程的其他有機分子，它們是維持生命運轉(zhuǎn)的最重要基礎(chǔ)物質(zhì)。生物有機化學(xué)研究的前景廣闊無比，粗略地歸納一下，重要的有下列幾個方面：（1）從生物體中分離、提取得到生物大分子化合物的序列，進行分析和鑒定，測定結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，了解它們的性質(zhì)和功能。（2）從生物體中得到有機小分子的組成、結(jié)構(gòu)和性能，并進行人工合成及其應(yīng)用的研究。特別注意含量很低而活性很高的那些物種。（3）生物膜化學(xué)和信息傳遞的分子的化學(xué)。
4.1.3 分析化學(xué)
分析化學(xué)是研究分析方法及相關(guān)原理的學(xué)科，根據(jù)化學(xué)和物理學(xué)的原理，應(yīng)用各種方法和儀器，用以鑒別和測定物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、存在形式及有關(guān)組分的含量等，即對物質(zhì)進行表征和測量的科學(xué)。按其任務(wù)可分為定性分析、定量分析和結(jié)構(gòu)分析。定性分析是確定組成物質(zhì)的各組分“是什么”，定量分析是確定物質(zhì)中被測組分“有多少”，結(jié)構(gòu)分析是確定物質(zhì)各組分的結(jié)合方式及其對物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的影響。按分析方法分為化學(xué)分析和儀器分析。化學(xué)分析是指利用化學(xué)反應(yīng)和它的計量關(guān)系來確定被測物質(zhì)的組成和含量的一類分析方法，測定時需使用化學(xué)試劑、天平和一些玻璃器皿，它是分析化學(xué)的基礎(chǔ)。20世紀四五十年代以來，由于物理學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展，促進了儀器分析的快速發(fā)展，使分析化學(xué)從以化學(xué)分析為主的經(jīng)典分析化學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢x器分析為主的現(xiàn)代分析化學(xué)。儀器分析是現(xiàn)代分析化學(xué)的重要組成部分。它是利用比較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測量能表征物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化，來確定物質(zhì)的組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等的一類分析方法。儀器分析包括光學(xué)分析、電化學(xué)分析、色譜分析、熱分析、放射化學(xué)分析以及質(zhì)譜法和能譜法。儀器分析的產(chǎn)生為分析化學(xué)帶來了革命性的變化，它具有下面的優(yōu)點：（1）靈敏度高。樣品用量由化學(xué)分析的毫升、毫克量級降低到儀器分析的微升、微克量級，適用于微量、痕量和超痕量成分的測定。（2）選擇性好。很多儀器分析方法可以通過選擇或調(diào)整測定的條件，使共存的組分在測定時不產(chǎn)生干擾，不必分離除去。（3）操作簡便，分析速度快，易于實現(xiàn)自動化，進行在線測定，便于及時反映和指導(dǎo)生產(chǎn)操作。在儀器分析化學(xué)中，化學(xué)傳感器十分重要。化學(xué)傳感器是模仿人類感覺器官的人造儀器。它根據(jù)需要制造出來，對某些化學(xué)物種敏感，并能將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測，類似于人的嗅覺和味覺器官。例如一氧化碳傳感器可檢測居室或車間中一氧化碳的濃度，其檢測靈敏度可低至百萬分之幾，遠低于空氣中允許存在的一氧化碳的濃度。人的鼻子等器官不能感受到一氧化碳的存在，常出現(xiàn)中毒或爆炸現(xiàn)象，但制造并安裝探測一氧化碳傳感器可以有效地防止一氧化碳中毒的發(fā)生。同樣，制造和安裝探測易爆的氫氣、甲烷等的傳感器，可以減少爆炸事故的發(fā)生。
在醫(yī)治疾病時，化學(xué)傳感器能夠迅速測定人體血液或尿液中的糖含量，對醫(yī)生診斷疾病大有幫助。物理化學(xué)是化學(xué)中一個內(nèi)容十分廣泛的分支學(xué)科，它是以物理學(xué)的原理和實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學(xué)體系所遵循的規(guī)律的學(xué)科，是化學(xué)的理論基礎(chǔ)，有時又稱它為理論化學(xué)。物理化學(xué)的內(nèi)容大體上可分為三個方面：化學(xué)熱力學(xué)將物理學(xué)中的熱力學(xué)基本原理，用于化學(xué)體系研究宏觀平衡態(tài)的性質(zhì)及規(guī)律。物理學(xué)中熱力學(xué)所依據(jù)的基本規(guī)律是熱力學(xué)第零定律、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律。從這些定律出發(fā)，用數(shù)學(xué)方法加以演繹推論，結(jié)合熱化學(xué)數(shù)據(jù)用以解決化學(xué)體系發(fā)生的化學(xué)變化和物理變化的方向和進行的限度問題。根據(jù)體系的物態(tài)和性質(zhì)，它又有若干分支學(xué)科：熱力學(xué)、電化學(xué)、溶液化學(xué)、膠體與表面化學(xué)等。化學(xué)動力學(xué)研究由于化學(xué)或物理因素的擾動而使體系中發(fā)生的化學(xué)變化過程的速度和變化機理。它的分支學(xué)科有：催化、分子反應(yīng)動力學(xué)、光化學(xué)、分子動態(tài)物理化學(xué)和分子激發(fā)態(tài)譜學(xué)等。
3．結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)是將現(xiàn)代物理學(xué)中建立的物理理論和實驗方法（例如光譜學(xué)、光的衍射原理和技術(shù)、固體物理學(xué)和量子力學(xué)等）和化學(xué)融合在一起，用于研究原子、分子和晶體中的空間結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)和化學(xué)鍵等內(nèi)容，歸納出物質(zhì)在原子-分子水平上的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能相互聯(lián)系的規(guī)律，并將所得結(jié)果應(yīng)用于化學(xué)各個分支學(xué)科中，包括晶體化學(xué)、無機結(jié)構(gòu)化學(xué)、有機結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子有機化學(xué)、量子無機化學(xué)、超分子化學(xué)等。量子化學(xué)是將量子力學(xué)的原理和方法應(yīng)用于研究化學(xué)問題的一門基礎(chǔ)學(xué)科。量子力學(xué)是根據(jù)電子、原子和分子等微觀粒子具有波粒二象性的運動特征和運動規(guī)律，遵循它們的量子化特性和統(tǒng)計性特征建立起來的。1929年，德國人海特勒（W．Heiter，1904—1981）和倫敦（F．London，1900—1954）首次用奧地利人薛定諤（E．Schr?dinger，1887—1961）的方程計算最簡單氫分子的能量和電子能級，獲得很大的成功，這是量子化學(xué)學(xué)科的開創(chuàng)性工作。量子化學(xué)已成為現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)。量子化學(xué)的主要內(nèi)容是通過求解微觀體系的薛定諤方程，得到原子及分子中電子運動和核運動的波函數(shù)及相應(yīng)的能量，揭示它們相互作用的圖像及化學(xué)鍵的本質(zhì)，解釋各種圖譜對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)，了解分子的穩(wěn)定性及化學(xué)反應(yīng)機理，說明結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。隨著新的理論和計算技術(shù)的發(fā)展，量子化學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域中的作用日益增長。量子化學(xué)是發(fā)展各個新興的化學(xué)分支學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)化學(xué)家去開發(fā)和制備各類新材料的依據(jù)。下面以物理化學(xué)諸多分支學(xué)科中的三個為例，說明物理化學(xué)與國計民生密切相關(guān)，也和物理學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥科學(xué)、材料科學(xué)、地學(xué)、冶金學(xué)等有著廣泛而密切的聯(lián)系。
電化學(xué)，涉及電流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用，以及電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。這些效應(yīng)都是通過電池來實現(xiàn)的，故電化學(xué)實為電池的科學(xué)。電池包括電極和電解質(zhì)兩部分，其基礎(chǔ)內(nèi)容相應(yīng)分為電極學(xué)（電極的熱力學(xué)和動力學(xué)）和電解質(zhì)學(xué)（電解質(zhì)的熱力學(xué)和動力學(xué)）兩方面。電化學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如電解、電鍍、化學(xué)電源、金屬腐蝕等，這些都屬于電化學(xué)工業(yè)（電化工）。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，蓄電池的制造已成為發(fā)展快速而極為重要的新興產(chǎn)業(yè)。下面以兩個例子說明：第一，中國人手中擁有的手機量已超過8億個，每個手機都有一個蓄電池供應(yīng)電能，僅此一項可見所需蓄電池的數(shù)量之多。第二，“綠色汽車”和“電動汽車”已在城市中行駛，降低原來用汽油、柴油汽車排放的二氧化碳和氮氧化物。綠色汽車開動時所需能量靠車內(nèi)的蓄電池提供。這種車用蓄電池所需功率大、耗電多。這種汽車所用的蓄電池及其供電系統(tǒng)成為制造汽車的核心內(nèi)容。催化是催化作用的簡稱，是指化學(xué)家以催化劑為魔杖，指揮化學(xué)反應(yīng)，使其沿著指定的途徑進行，生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品，還根據(jù)需要加速或放慢化學(xué)反應(yīng)進行的速度。催化已在化學(xué)的各個分支學(xué)科中廣泛地應(yīng)用。下面通過一些應(yīng)用實例介紹催化學(xué)科的內(nèi)容。無機化學(xué)家制備出鐵催化劑將N2和H2合成NH3，生產(chǎn)價廉、物美的氮肥，使糧食豐收，惠及億萬人民。有機化學(xué)家在石油煉制過程中用催化劑將重油裂解生產(chǎn)出航空汽油，提高油品的價值。食品專家尋找出寶貴的酒粬作催化劑，釀造出高品位的好酒。藥物學(xué)家篩選出合適的酶作催化劑，以葡萄糖為原料合成出價格低廉、具有特定立體結(jié)構(gòu)、適合人們服用的維生素C。可見，催化作用已使化學(xué)家“變化”出豐富多彩的產(chǎn)品。還有許多問題，例如減緩高分子材料的老化、減慢人體衰老過程、延長人體壽命等，都有待催化去實現(xiàn)。
晶體化學(xué)又稱結(jié)晶化學(xué)。它是晶體學(xué)和化學(xué)結(jié)合形成的交叉學(xué)科，是研究晶態(tài)物質(zhì)的化學(xué)。它也是研究晶體的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的科學(xué)。晶體結(jié)構(gòu)具有空間點陣式的周期性結(jié)構(gòu)，在晶體中原子的排列相對穩(wěn)定。近一個多世紀以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已為深入精確地研究晶體的結(jié)構(gòu)提供了符合實際的理論、有效的方法和先進的儀器設(shè)備，快速而精確地測定晶體結(jié)構(gòu)，為在原子水平上探討晶體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用提供了全面的微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。它涉及無機化學(xué)、有機化學(xué)、生物化學(xué)、礦物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科及相關(guān)的固體化學(xué)和材料化學(xué)，成為現(xiàn)代化學(xué)的重要基礎(chǔ)，也是材料科學(xué)和生命科學(xué)深入發(fā)展的重要支柱。生物化學(xué)是研究微生物、植物、動物、人體等有機生物體的化學(xué)組成和生命過程中的化學(xué)變化規(guī)律的一門科學(xué)，主要內(nèi)容包括研究和探討生物體的化學(xué)組成；研究蛋白質(zhì)、糖類、脂類、酶類、核酸等生物大分子以及輔酶、激素、抗生素等小分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其生理功能；研究這些生物分子在生物體內(nèi)不斷轉(zhuǎn)化的代謝過程以及伴隨其中的能量利用和轉(zhuǎn)化的規(guī)律；研究生物體生長、發(fā)育、繁殖的機制，特別是從分子水平認識遺傳信息傳遞的規(guī)律；研究機體各種生物化學(xué)變化過程的調(diào)節(jié)機制以及代謝紊亂和遺傳缺陷與人類各種疾病的關(guān)系。特別是脫氧核糖核酸（DNA）雙螺旋結(jié)構(gòu)的闡述、遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)和遺傳信息傳遞的中心法則的確定，揭示了生物代謝、生長發(fā)育與遺傳的內(nèi)在聯(lián)系，使生物化學(xué)成為現(xiàn)代生物科學(xué)的一門新興的、最具活力的學(xué)科，標志著生命科學(xué)進入了一個新的發(fā)展時期。生物化學(xué)研究借助于化學(xué)及物理學(xué)的原理和方法，以及包括遺傳學(xué)、微生物學(xué)、細胞學(xué)、免疫學(xué)、分子生物學(xué)和生物信息學(xué)等生物學(xué)的方法。目前許多現(xiàn)代物理學(xué)方法，如光譜分析、X射線衍射、核磁共振、電子顯微鏡、同位素標記等技術(shù)的引入對生物化學(xué)研究的深入發(fā)揮了重要作用。特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用，對大量生物信息的儲存、利用、管理和開發(fā)作出特殊的貢獻。最新的生物芯片技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，將突破原有生化研究的模式，推動生物化學(xué)的迅速發(fā)展。
水是由兩種元素組成的分子量最小的三原子分子；水是地球上數(shù)量最多的分子型化合物，約覆蓋地球表面70％的面積；水是一種性能最為獨特奇異的化學(xué)物質(zhì)；水是和生命物質(zhì)關(guān)系最為密切、最不可缺少的化合物；水是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中最常用的試劑和溶劑。上述幾個“最”反映出水在自然科學(xué)，特別是在化學(xué)中的重要性。
1．水的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)水的化學(xué)式為H2O，分子量為18.0。水分子呈彎曲形，O原子在中心分別向外和2個H原子以共價鍵結(jié)合，O—H鍵長為95.72 pm（皮米，10-12m），![]()
鍵角為104.52°，如圖4.1.1（a）所示。O原子有6個價電子，其中2個分別和H原子以共價鍵結(jié)合，剩余兩對孤對電子。H2O分子中的O原子周圍的4對價電子的分布呈四面體形，如圖4.1.1（b）所示。
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圖4.1.1 （a）H2O分子的結(jié)構(gòu)， （b）H2O分子電荷分布的四面體形式
水分子的兩個H原子指向四面體的兩個頂點，呈正電性（＋），O原子的兩對孤對電子指向四面體的另外兩個頂點，呈負電性（-），所以H2O是極性分子。氣態(tài)分子的電偶極矩為6.17×10-30 C·m（庫［侖］·米）。極性水分子中正電性的一端常和另一個水分子中負電性的一端結(jié)合，形成O—H…O或O…H—O氫鍵。氫鍵的結(jié)合力介于共價鍵和范德華引力之間，不論水處于液態(tài)或結(jié)晶成固態(tài)的冰，分子間都有氫鍵作用將它們結(jié)合在一起。分子間的氫鍵作用力使水具有很特殊的物理性質(zhì)，如表4.1.2所列。水的沸點和冰的熔點都很高，將它和分子量相同的甲烷（CH4）相比，水的沸點為100℃，甲烷的沸點為-161.5℃，兩個化合物的沸點相差261.5°。冰的熔點為0℃，甲烷的熔點為-182.4℃，兩種化合物熔點相差182.4°。兩種化合物各自的熔點和沸點間的差距明顯不同，H2O達100℃，而CH4只有21℃，這些差別都因兩種分子的分子間作用力不同所致。
表4.1.2 水的物理性質(zhì)
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常壓下，水冷至0℃以下，結(jié)晶成日常見到的冰、霜、雪。在冰中每個H2O分子都和周圍4個H2O分子通過O—H…O氫鍵結(jié)合，如圖4.1.2所示。注意冰中H原子無序地分布，即對每個氫鍵存在O—H…O與O…H—O的概率相等。冰中O—H…O氫鍵鍵長平均為276 pm，鍵能為27 kJ·mol-1。冰的晶體結(jié)構(gòu)屬六方晶系，具有六重軸對稱性。冰中水分子間氫鍵的變化，使得在天空中自由生長的雪花外形豐富多彩、變化無窮。圖4.1.3示出幾種雪花的形狀。天上降落的雪花，其形狀沒有兩朵是完全相同的。但是不論雪花外形怎樣變化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的六重對稱軸決定雪花都具有六重對稱性的特點不會改變。![]()
圖4.1.2 常壓下冰的晶體結(jié)構(gòu)
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圖4.1.3 雪花的形狀
冰的密度為0.9168 g·cm-3（0℃），比水的密度0.99987g·cm-3（0℃）要小。冰是浮在水面上的，導(dǎo)致水的結(jié)冰是從水面開始自上而下進行，這不同于一般結(jié)晶物質(zhì)沉在底部。正是冰的這一特點有利于水中動植物的生長，得以平安地渡過寒冷的冬天。但是也要注意，水結(jié)冰時體積膨脹會導(dǎo)致冬天室外水管和汽車散熱器常常因冰凍而破裂，要及時進行保溫等預(yù)防措施。水在0℃到4℃之間，隨著溫度的上升而體積縮小，密度增加，到4℃時達到1.0000 g·cm-3。冰在這溫度區(qū)間出現(xiàn)的熱縮冷脹現(xiàn)象，和一般物質(zhì)的熱脹冷縮規(guī)律是相反的。從水的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，在此溫度區(qū)間隨著溫度上升，分子振動加劇，破壞部分還處于冰結(jié)構(gòu)的氫鍵，使它變成水，密度增大，體積縮小。水分子間的氫鍵結(jié)構(gòu)，使它的比熱容（或簡稱比熱）數(shù)值很高，達4.18 J/（g·℃）。液態(tài)水是已知的液體中比熱最高的物質(zhì)之一，原因在于冰化為水只破壞部分氫鍵，仍保留大量分子間的氫鍵，使分子不能自由運動。水的高比熱使它成為一種特別優(yōu)異的冷卻劑和蓄熱劑。水的高比熱性能在調(diào)節(jié)氣候中起重要作用。在缺水的干旱沙漠地區(qū)，夏天太陽照射地面，溫度會迅速上升，到夜晚太陽落山，氣溫迅速下降，晝夜溫差很大。反之，在沿海或水鄉(xiāng)地區(qū)，晝夜溫差值要小得多。冰的升華熱大，說明冰中分子間的氫鍵作用力強，在升華時要得到更多的熱能才能完全破壞這些氫鍵。冰的熔化熱較小，說明冰熔化時只是一小部分（約15％）的氫鍵斷裂。隨著溫度升高，吸收能量，使氫鍵逐漸斷裂，所以水的比熱容很大。在沸點時，液態(tài)水中依然存在相當(dāng)數(shù)量的氫鍵，因而蒸發(fā)熱較大。2．水是化學(xué)反應(yīng)的一種重要溶劑和試劑許多化合物在水中的溶解度比較大，海水中溶有大量的NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2等無機鹽。世界海洋其大無比，互相連通，海洋中的化學(xué)成分基本恒定，其中離子成分的平均數(shù)量列于表4.1.3。
表4.1.3 海水中的離子成分
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內(nèi)陸鹽湖含鹽量和大海不盡相同，一方面是由于水分蒸發(fā)，含鹽度上升；另一方面鹽湖周圍地表水和雨水溶解當(dāng)?shù)氐乇淼牡V物成分，注入鹽湖逐漸積累，使一些鹽湖含鹽量上升，甚至湖底含有大量鹽礦，成為鹽湖的礦物資源。例如，我國青海的柴達木盆地盛產(chǎn)NaCl、KCl和硼酸鹽、硫酸鹽。由上表可見，海水含有大量無機鹽，它是人們生活所需的鹽資源，也是化工生產(chǎn)的重要原料。但是海水含鹽量若超過3.5％，對魚類等海洋動物的生存具有制約作用，只有少量動物經(jīng)過長期的進化演變才可以適應(yīng)。對人類而言，海水含鹽量太高不能直接飲用，也不適用于工業(yè)生產(chǎn)，海水淡化處理是一項重大的化學(xué)工程。水作為化學(xué)反應(yīng)和生命物質(zhì)的溶劑或試劑時，了解水溶液中包含H＋和OH-的濃度極為重要，在純水或水溶液中，H2O分子具有少量的解離性能：![]()
在室溫（25℃）時，水的離子積常數(shù)Kw的數(shù)值為：![]()
由此可得純水在室溫下H＋的濃度［H＋］和OH-的濃度［OH-］為：［H＋］＝［OH-］＝10-7 mol·dm-3
在化學(xué)中，通常對H＋濃度值不用上述指數(shù)式表示，而用pH表示：pH＝-lg［H＋］
pH＝-lg［H＋］＝-lg（10-7）＝7
在酸性水溶液中，［H＋］＞10-7 mol·dm-3，可得pH＜7。pH減小，酸度增加，pH降低1個單位值，H＋濃度［H＋］增大10倍。水溶液中不可能只有H＋而沒有OH-，反之亦然。但它們的濃度要符合［H＋］［OH-］＝1×10-14。例如［H＋］為1×10-5mol·dm-3時，［OH-］濃度為1×10-9 mol·dm-3。正常人體血液的pH為7.4，即它略帶堿性。胃中分泌的胃液呈酸性，pH在2～4之間。醋和檸檬汁的pH在2.0～2.5。在大氣中，因CO2含量高，下雨時CO2溶于水，并和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：![]()
通常雨水呈弱酸性，pH介于5～6之間，若測得雨水的pH＝5，表明下降的雨水H＋濃度增高到10-5 mol·dm-3。水是一切生物必要的生存條件，這里的生物包括動物、植物、微生物，人是進化最高階段的生物體。水是生命的源泉，人們判斷某個星球中是否有生命存在的依據(jù)，首要的標準就是該星球是否有水存在，有液態(tài)水存在才有生命。水是組成人體的主要化學(xué)物質(zhì)，按整個人體質(zhì)量計，水超過半數(shù)。根據(jù)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的統(tǒng)計，兒童身體中水占75％，成年人占50％～65％，人體中各個器官含水量不同，大腦中水占80％以上，血液中水占83％，骨骼中水占20％。水維持著人體的各種生理功能：消化吸收、分泌排泄、呼吸循環(huán)、皮膚蒸發(fā)等都必須通過水參與其中的生理過程。人體如果失去體重10％的水，生命就難以維持。生物體由數(shù)量很多的各種類型的細胞組成，細胞有細胞膜和細胞質(zhì)。細胞膜一般對體積很小的水分子是暢通的，而對各種生物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、糖類及核酸等分子和金屬離子配位化合物等，則選擇性地為它們開門進出。進入細胞內(nèi)部的分子和離子在細胞內(nèi)部的水溶液中相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物，通過細胞膜輸出到生物體的其他器官進行新的生物化學(xué)作用，執(zhí)行新的生物功能。細胞處在水為主體的溶液中運行，即細胞膜內(nèi)外整個細胞都和水有密切的關(guān)系。由于水分子除了可以和生物體中的N和O等原子之間形成O—H…O氫鍵外，還可以形成N—H…O和O—H…N氫鍵，這些氫鍵對蛋白質(zhì)、糖類以及核酸的結(jié)構(gòu)和構(gòu)型、構(gòu)象的變化起著重大的作用。水不僅是生物化學(xué)反應(yīng)的溶劑，還是所有生物化學(xué)反應(yīng)的參與者。
水在人體中起溶劑作用的功能可從人體的呼吸過程來理解。血漿是多種可溶性生化物質(zhì)組成的水溶液，當(dāng)吸入肺中的氧溶于血漿，氧氣和血紅蛋白結(jié)合在一起，通過血液循環(huán)輸送到其他器官，使氧氣和相關(guān)的營養(yǎng)物質(zhì)，如糖類進行氧化反應(yīng)，產(chǎn)生CO2、H2O和其他產(chǎn)物及廢物，放出熱量供人體維持一定的溫度。溶于血漿中的CO2通過肺部的呼吸作用，從呼吸道排出體外；反應(yīng)產(chǎn)生的殘渣輸送到消化器官，通過尿液和糞便排出體外。水溶液中的各種離子在細胞內(nèi)部的溶液中相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物，通過細胞膜輸出到生物體其他區(qū)域進行新的生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的生物功能。
未完待續(xù)......
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技術(shù)咨詢服務(wù)包括：北京高?？萍假Y源對接、危險廢棄物梳理、環(huán)境影響評價、環(huán)保項目竣工驗收、場地環(huán)境調(diào)查等多個領(lǐng)域。開展的分析測試服務(wù)包括：X射線衍射分析、土壤礦物檢測、水質(zhì)檢測、場地環(huán)境檢測、二噁英檢測、建材VOC檢測、固廢檢測、理化參數(shù)等檢測項目，已取得CMA檢驗檢測機構(gòu)資質(zhì)認定和ISO/IEC 17025檢測實驗室認可資質(zhì)。科學(xué)儀器研發(fā)方面：具備國內(nèi)領(lǐng)先的 X 射線衍射 / 熒光分析儀器的研發(fā)生產(chǎn)能力，在 X 射線分析儀器的開發(fā)領(lǐng)域擁有多項自主知識產(chǎn)權(quán)。單位先后通過北京市級企業(yè)科技研究開發(fā)機構(gòu)、高新技術(shù)企業(yè)、中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)等認證。 若您有任何咨詢問題，可聯(lián)系我們，我們會為您解答。400-0064-028 、010-62423361
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