重要生命元素

2023/2/51第四章

重要的生命元素ImportantLifeElement2023/2/52

學(xué)習(xí)要求1.了解元素的分布及其分類。

2.掌握s區(qū)、p區(qū)元素的通性，熟悉元素及其化合物的性質(zhì)，了解元素的生物效應(yīng)。

3.掌握d區(qū)元素的通性，了解重要元素及其化合物的性質(zhì)、元素的生物效應(yīng)。

2023/2/534.1元素概述4.2S區(qū)元素4.3p區(qū)元素4.4d區(qū)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巖石圈、水圈和大氣圈。

2023/2/55

元素在地殼中的含量稱為豐度，常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。

4-1地球上分布最廣的10種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

元素符號OHSiAlNa

質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%52.3216.9516.675.531.95

元素符號FeCaMgKTi

質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

1.501.481.391.080.222023/2/564.1.2元素的分類１．金屬和非金屬元素

按長式周期表中硼—硅—砷—碲—砹和鋁—鍺—銻—釙之間的對角線來區(qū)分。位于對角線左下方的都是金屬元素；右上方的都是非金屬元素。對角線附近的鍺、砷、銻、碲稱為準(zhǔn)金屬元素。非金屬金屬2023/2/57

2．普通元素和稀有元素

根據(jù)元素在自然界中的分布及應(yīng)用情況，將元素分為普通元素和稀有元素。稀有元素一般指在自然界中含量少，或被人們發(fā)現(xiàn)得較晚，或?qū)λ鼈冄芯康妮^少，或提煉它們比較困難以致在工業(yè)上應(yīng)用也較晚的元素。前四周期（Li，Be，稀有氣體除外），ds區(qū)元素為普通元素，其余為稀有元素。稀有元素也可繼續(xù)分為：輕稀有金屬、高熔點(diǎn)稀有金屬、分散稀有元素、稀有氣體、稀土金屬、放射性稀有元素等。2023/2/583．生命元素與非生命元素

根據(jù)元素的生物效應(yīng)不同，又分為有生物活性的生命元素和非生命元素。生命元素又可根據(jù)在人體中的含量及作用進(jìn)行細(xì)分，可分為人體必需元素（essentialelements、有毒元素（toxicelements）和不確定元素。2023/2/594.宏量元素（常量元素）和微量元素2023/2/5104.2s區(qū)元素4.2.1s區(qū)元素的通性

s區(qū)元素位于元素周期表的最左邊，包括ⅠA族和ⅡA族，分別稱為堿金屬和堿土金屬。ⅠA族元素包括H，Li，Na，K，Rb，Cs，F(xiàn)r共7個元素，ⅡA族元素包括Be，Mg，Ca，Sr,Ba，Ra共6種元素。其中，第七周期的Fr和Ra為放射性元素。

2023/2/5111.物理性質(zhì)s區(qū)元素（除H外）的單質(zhì)均為金屬，具有金屬光澤。它們的金屬鍵較弱，因此，具有熔點(diǎn)低、硬度小、密度小等特點(diǎn)。另外，s區(qū)元素還具有良好的導(dǎo)電性能和傳熱性質(zhì)。2023/2/512

2.化學(xué)性質(zhì)

ns1或ns2的價電子構(gòu)型形成穩(wěn)定的氧化數(shù)為+1(ⅠA）和+2（ⅡA）的離子，無變價；生成的化合物都是離子型化合物；最活潑的金屬，為強(qiáng)還原劑。2023/2/5134.2.2重要元素、化合物及其生物效應(yīng)

1.

氫（H）

電子結(jié)構(gòu)為1s1

；氫的成鍵方式主要有3種，一是失去價電子，成為H+；二是結(jié)合1個電子，形成H-；三是形成共價化合物，成為氫化物。氫是人和動、植物所必需的宏量元素，可與氧結(jié)合生成水；另外，它是構(gòu)成生命體中一切有機(jī)物不可缺少的重要元素。2023/2/5142.鈉和鉀

（1）金屬鈉和鉀與水反應(yīng)可釋放出大量熱；（2）氫氧化鈉（鉀）

LiOH為中強(qiáng)堿外，其余均為強(qiáng)堿；

堿金屬氫氧化物中以NaOH最重要。氫氧化鈉又稱燒堿，它是實(shí)驗(yàn)室常用的重要試劑，也是重要的工業(yè)原料。它能除去空氣中的酸性物質(zhì)如二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、硫化氫等，NaOH易于融化，能溶解某些金屬氧化物和非金屬氧化物，因此常用于溶解礦物試樣。

2023/2/515（3）.碳酸鈉與碳酸氫鈉

碳酸鈉俗稱純堿或蘇打，通常是含10個結(jié)晶水的白色晶體（Na2CO3·10H2O），在空氣中易風(fēng)化而逐漸碎裂為疏松的粉末，易溶于水，其水溶液有較強(qiáng)的堿性，可在不同反應(yīng)中作堿使用，這也是人們稱其為純堿的原因。

2023/2/516

碳酸氫鈉俗稱小蘇打，白色粉末，可溶于水，但溶解度不大，其水溶液呈弱堿性。主要用于醫(yī)藥和食品工業(yè)中。2023/2/517

碳酸鈉是一種基本化工原料，大量用于玻璃、搪瓷、肥皂、造紙、紡織、洗滌劑的生產(chǎn)和有色金屬的冶煉中，它還是制備其他鈉鹽或碳酸鹽的原料。工業(yè)上常用氨堿法生產(chǎn)碳酸鈉：

NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+H2O↑+CO2↑2023/2/518（4）鈉、鉀的生物效應(yīng)

保持神經(jīng)肌肉的應(yīng)激性。K＋和Na＋承擔(dān)著傳遞神經(jīng)脈沖的功能。保持一定的滲透壓。維持體液酸堿平衡。參與某些物質(zhì)的吸收過程。

Na、K作為生物必需的重要元素，在生物體內(nèi)具有重要的生理作用。

2023/2/5193.鎂和鈣

金屬單質(zhì)鎂和鈣

鎂和鈣屬于ⅡA族的堿土金屬元素，化學(xué)性質(zhì)很活潑，在自然界中一般以化合物形式存在。金屬鎂和鈣的單質(zhì)用電解熔融鹽的方法制備，在空氣中迅速氧化，在其表面形成一種氧化膜，阻止繼續(xù)氧化。與金屬鉀和鈉相比，鎂和鈣的金屬活動性相對較弱，與冷水作用緩慢，但與酸作用可置換出氫氣。金屬鎂具有重要的用途，鎂鋁合金以其密度小，硬度大、韌性高的特點(diǎn)，在飛機(jī)和汽車制造中得到廣泛的應(yīng)用。2023/2/520氧化鎂和氧化鈣鎂和鈣的碳酸鹽、硝酸鹽、草酸鹽和氫氧化物加熱，都可生成相應(yīng)的氧化物。氧化鎂俗稱苦土，是一種堿性白色粉末，難溶于水，但可與水反應(yīng)生成Mg(OH)2。氧化鎂熔點(diǎn)約為2850℃，可作耐火材料、潤滑劑以及抑酸劑等使用。氧化鈣俗稱生石灰，是一種白色塊狀或粉末狀堿性固體。它微溶于水，可與水作用生成Ca(OH)2，放出大量的熱。氧化鈣熔點(diǎn)為2615℃，具有強(qiáng)吸濕性，可作耐火材料和干燥劑。工業(yè)上生產(chǎn)鎂和鈣的氧化物主要是煅燒菱鎂礦和石灰石的方法來制備的。2023/2/521

鎂、鈣的生物效應(yīng)

鎂是一種細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑和細(xì)胞內(nèi)酶的輔因子，是許多酶的激活劑。細(xì)胞內(nèi)的核苷酸以鎂的配合物的形式存在。在綠色植物的光合作用中，鎂也有著非常重要的作用。葉綠素分子中Mg2＋扮演著結(jié)構(gòu)中心和活性中心的作用。此外，在生物體內(nèi)的糖代謝中，鎂也具有非常重要的作用。

葉綠素2023/2/522

Ca在人體內(nèi)的含量約為2%，是人和動、植物所必需的宏量元素。鈣是細(xì)胞膜的組織成分，細(xì)胞膜的堅(jiān)固程度與組織中的鈣含量有關(guān)，充足的鈣能夠防止細(xì)胞和液泡內(nèi)物質(zhì)外滲。缺鈣會引發(fā)人和動物產(chǎn)生多種疾病，如骨質(zhì)疏松、佝僂病等，但人體內(nèi)鈣含量過高，也易產(chǎn)生結(jié)石等疾病。

2023/2/523

4.3p區(qū)元素4.3.1p區(qū)元素的通性

電子構(gòu)型為ns2np1-6的，位于元素周期表右邊的元素，包括ⅢA至ⅧA共計(jì)6個主族，31個元素。

p區(qū)金屬元素在與其他元素化合時，既可以僅以p電子參加反應(yīng)，又可以s、p電子全都參與反應(yīng)，因此表現(xiàn)出兩種或兩種以上的氧化數(shù)。2023/2/5241．鋁和氧化鋁

鋁是典型的兩性金屬，具有銀白色光澤，質(zhì)軟，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和延展性能。鋁的電離能較小，電負(fù)性為1.5。鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.66V，但卻不能從水中置換出氫氣，因?yàn)樗c水接觸時表面易生成一層難溶解的氫氧化鋁。鋁與氧氣的結(jié)合能力很強(qiáng)，鋁暴露在空氣中，其表面會形成一層致密的氧化膜。4.3.2重要元素、化合物及其生物效應(yīng)2023/2/525

鋁在冷的濃H2SO4、濃HNO3中呈鈍化狀態(tài)，因此常用鋁制品貯運(yùn)濃H2SO4、濃HNO3。但鋁可與稀HCl、稀H2SO4及堿發(fā)生反應(yīng)放出氫氣：

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

鋁是一種很重要的金屬材料，廣泛用來作導(dǎo)線、結(jié)構(gòu)材料和日用器皿。特別是鋁合金質(zhì)輕而又堅(jiān)硬，大量用于飛機(jī)制造和其他構(gòu)件上。2023/2/527氧化鋁

氧化鋁可由氫氧化鋁加熱脫水而制得。在不同的溫度條件下，制得的Al2O3可以有不同的形態(tài)和不同的用途。一般常用希臘字母分別表示α、β、γ…等Al2O3。氧化鋁是離子晶體，具有很高的熔點(diǎn)和硬度。

α-Al2O3是一種多孔性物質(zhì)，有很大的表面積，并有優(yōu)異的吸附性、表面活性和熱穩(wěn)定性，常被用作催化劑的活性成分，又稱活性氧化鋁。2023/2/528

自然界存在的結(jié)晶氧化鋁是α-Al2O3，稱為剛玉。而Al（OH）3熱分解得到的α-Al2O3稱人造剛玉。α-Al2O3不溶于水，也不溶于酸，在催化劑中常用作載體。2023/2/529

含有少量雜質(zhì)的α-Al2O3常呈鮮明的顏色。如紅寶石就是含極微量Cr2O3的α-Al2O3，常用作制造耐磨的微型軸承（如手表中的“鉆”）。藍(lán)寶石則是含鐵和鈦氧化物的α-Al2O3。2023/2/530鋁的生物效應(yīng)

鋁在人和動植物體內(nèi)廣泛存在，是一種低毒、非必需的微量元素。鋁元素是否對人體有害，與鋁化合物的溶解性有關(guān)。鋁對植物的生長也有一定影響，研究發(fā)現(xiàn)適量的鋁對普通農(nóng)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量的提高具有一定的促進(jìn)作用。2023/2/5312.碳及其化合物

CO2為無色、無臭的氣體。大氣中含有約0.03%（體積）的CO2，它主要來自于生物的呼吸，有機(jī)化合物的燃燒，動植物的腐敗分解等。同時又通過植物的光合作用、碳酸鹽巖石的形成等而消耗。目前，世界各國工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展使空氣中CO2濃度逐漸增加，這已被認(rèn)為是造成“溫室效應(yīng)”的主要原因之一。

2023/2/532

固態(tài)CO2是分子晶體，它的熔點(diǎn)很低（-78.5℃），固態(tài)CO2會直接升華，故稱干冰。干冰常用作致冷劑，其冷凍溫度可達(dá)-70℃~-80℃；干冰還常被用于易腐食品的保存和運(yùn)輸中。

2023/2/533

CO2不能自燃，又不助燃。密度比空氣大，可使物質(zhì)與空氣隔絕，所以常用作滅火劑，也可作為防腐劑和滅蟲劑。

CO2還是一種重要的化工原料。如CO2與鹽可制成堿；CO2與氨可制成尿素、碳酸氫銨；CO2也可用于制甲醇等。

CO2可溶于水，溶于水的CO2部分與水作用生成碳酸。因而敞口貯放的蒸餾水會因溶入空氣中的CO2而顯微酸性。

2023/2/534

碳的生物效應(yīng)

碳是最重要的生命元素之一，無論是植物還是動物的各種組織器官，都是由碳和其他元素構(gòu)成的。單質(zhì)碳難以被動植物直接利用，但碳可以通過各種途徑轉(zhuǎn)化為CO2

。自然界中的CO2被植物吸收后，通過葉綠素的光合作用，最終形成碳水化合物等有機(jī)物，并放出氧氣，維持了自然界中的碳和氧的相對平衡?？傊褪窃谠靥嫉幕A(chǔ)上形成和發(fā)展的。2023/2/5353.氮元素及其化合物NaNO2+NH4Cl=N2+NaCl+2H2O2NH4Cl+Ca(OH)2=CaCl2+2NH3+2H2O

氨的化學(xué)性質(zhì)很活潑，根據(jù)其元素組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要有下列三方面的性質(zhì)：

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

氮是動植物體內(nèi)最重要的元素之一，是組成蛋白質(zhì)的主要元素。

動物通過食用植物或動物蛋白質(zhì)，而獲得氮元素。植物主要通過生物固氮或人工氮肥，而補(bǔ)充氮元素。若氮元素缺少，由于蛋白質(zhì)的合成量減少，使作物生長緩慢、植株矮小。若氮肥過多，可使細(xì)胞增大、細(xì)胞壁變薄、水分增多，含鈣減少，植物變得葉大色濃、容易倒伏，減少收成，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殼中含量最多的元素，電負(fù)性較大，表現(xiàn)為典型的非金屬元素。氧的化學(xué)性質(zhì)比較活潑。在一定條件下，氧能與多數(shù)單質(zhì)直接化合，也能將許多氫化物、硫化物或低價化合物氧化，從而得到各種氧化物。多數(shù)金屬氧化物都是由離子鍵形成的，為離子晶體，具有較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度。少數(shù)過渡金屬氧化物為分子晶體，為共價化合物。非金屬氧化物都是共價鍵，為分子晶體，其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較低。少數(shù)非金屬氧化物為巨型分子，如SiO2為原子晶體，具有高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)。

2023/2/538

氧元素的生物效應(yīng)

氧是地球上是最豐富的元素，含氧化合物廣泛分布于生物體的各個器官和體液中。生物依靠氧來實(shí)現(xiàn)呼吸作用，一切生物都靠呼吸氧氣維持生命，植物在光合作用中合成碳水化合物并放出氧氣，形成了氧在生物界的循環(huán)?？傊踉厥巧闹匾刂?，可以毫不夸大地說，沒有了氧元素，就沒有了生命。2023/2/539

5.鹵素和其生物效應(yīng)

鹵素的性質(zhì)FClBrI原子序數(shù)9173553價電子結(jié)構(gòu)2s22p53s23p54s24p55s25p5主要氧化數(shù)-1,0,-1,0,+1,+3,+4,+5,+7-1,0,+1,+3,+5,+7-1,0,+1,+3,+5,+7原子半徑（pm）6499114133離子（X-1）半徑（pm）133181196220電負(fù)性4.03.23.02.7電子親和能（KJ·mol-1）322349324295第一電離能（KJ·mol-1）50736833510082023/2/540鹵素的生物效應(yīng)

氟具有很強(qiáng)的配位能力，能和許多金屬元素配位，影響多種酶的活性，氟是植物的有毒元素。另外，氟是人和動物必需的微量元素。體內(nèi)氟過量時，會影響鈣、磷正常代謝，抑制多種酶的活性，引起其他疾病。人類大量使用氟里昂(氟氯烴)作冷凍劑和霧化劑，當(dāng)其進(jìn)入大氣臭氧層時，會破壞臭氧層。

2023/2/541氯是生命必需的宏量元素。過量的氯化鈉也會引起高血壓，故食用的鹽應(yīng)適量。碘是生命中最重要的微量元素之一，尤其對人和動物來講是所必需的微量元素。極微量的碘對高等植物的發(fā)育有促進(jìn)作用，在植物體內(nèi)，一般不會有缺碘現(xiàn)象。若人體缺碘，會引起“大脖子病”。2023/2/542

4.4d區(qū)元素4.4.1d區(qū)元素的通性價電子層構(gòu)型一般為（n-1）d1～9ns1～2

；d區(qū)元素具有多種氧化數(shù)；d區(qū)元素易形成配合物；d區(qū)元素還以其特殊的催化性、磁性等，在化工生產(chǎn)、材料科學(xué)中發(fā)揮著巨大的作用。2023/2/5434.4.2重要元素及其生物效應(yīng)1.銅、鋅元素及其生物效應(yīng)銅、鋅元素及其化合物

2Cu+H2O+CO2+O2=Cu2(OH)2CO33Cu+8HNO3（?。?3Cu(NO3)2+2NO+4H2OFe2O3+6H[ZnCl2（OH）]=Fe[ZnCl2（OH）]3+3H2O2023/2/544銅、鋅元素的生物效應(yīng)

銅和鋅都是生物體內(nèi)重要的必需元素之一。銅是植物體內(nèi)許多氧化酶(如多酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等)的組成元素，參與體內(nèi)氧化還原過程。在葉綠體中有含銅蛋白質(zhì)，在光合作用中具有傳遞電子的作用。在人和動物體內(nèi)，銅與蛋白質(zhì)結(jié)合成為血細(xì)胞銅蛋白，它影響鐵的代謝，從而參與造血活動。銅還是構(gòu)成體內(nèi)許多細(xì)胞色素的主要成分。

2023/2/545鋅是植物體內(nèi)許多酶(如谷氨酸酶、蘋果酸酶等)的必要元素。如含鋅碳酸酐酶與光合作用有關(guān)，植物體內(nèi)生長素的合成，也必須有鋅的參與。植物體內(nèi)缺鋅常表現(xiàn)為生長停滯，可以通過噴施鋅鹽稀溶液來促進(jìn)植物生長。人體含鋅為1.4～2.3g，約為鐵含量的一半，是含量僅次于鐵的微量元素。人體內(nèi)各個器官都含有鋅，主要集中于肝臟、肌肉、骨骼和皮膚（包括頭發(fā)）。血液中的鋅大多數(shù)分布在紅細(xì)胞中，主要以酶的形式存在。在人體中，鋅對人體蛋白質(zhì)的合成，物質(zhì)代謝和能量代謝，各種酶的活性，生長發(fā)育，智力發(fā)展和免疫功能等方面都具有重要的作用。2023/2/5462.釩和化合物及其生物效應(yīng)

釩和化合物

釩（V）是第四周期，ⅤB族的第一個元素。在地殼中的含量比Zn、Cu、Pb等普通元素大，但分布較廣，屬于稀有元素。釩的價層電子構(gòu)型為3d34s2，五個電子都能成鍵，形成+5、+3、+2等氧化數(shù)的化合物，其中重要的化合物是五氧化二釩（V2O5）偏釩酸銨（NH4VO3）。五氧化二釩可以通過灼熱偏釩酸銨而得到。2023/2/547釩元素的生物效應(yīng)

釩主要存在于植物、動物和人的脂肪中，參與動植物的許多生理過程，具有十分重要的生物作用。釩是植物固氮菌所必需的元素，它是固氮酶中蛋白質(zhì)的構(gòu)成成分，能補(bǔ)充和加強(qiáng)鉬的功能，促進(jìn)根瘤菌對氮的固定。此外，在植物中，釩還可參與硝酸鹽的還原，促使NO3-轉(zhuǎn)化為氮。過量的釩對人體會產(chǎn)生的毒性，它會抑制膽固醇、磷脂及其他脂質(zhì)的合成；影響胱氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸的形成；干擾鐵在血紅蛋白合成中作用。2023/2/548鉻和化合物

Cr2O3是綠色固體，微溶于水，是兩性氧化物，它能溶于酸或堿：

Cr2O3+3H2SO4=Cr2(SO4)3+3H2OCr2O3+2NaOH+3H2O=2Na〔Cr(OH)4〕Cr2O3是制備其他鉻化合物的原料，也常作為綠色顏料而廣泛應(yīng)用于陶瓷、玻璃、涂料、印刷等工業(yè)。

2023/2/549

重鉻酸鉀是鉻的重要鹽類，為橙紅色晶體，俗稱紅鉀礬。重鉻酸鉀不含結(jié)晶水，低溫時溶解度小，易提純，所以常用作定量分析中的基準(zhǔn)物質(zhì)。重鉻酸鉀在酸性溶液中有強(qiáng)氧化性，是分析化學(xué)中常用的氧化劑之一，如：

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

用重鉻酸鉀與濃硫酸可配成鉻酸洗液，它具有強(qiáng)氧化性，是玻璃器皿的高效洗滌劑，多次使用后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色（Cr3+）而失效。重