《重要的生命元素》PPT课件.ppt

2020/10/11 1 第四章 重要的生命元素 2020/10/11 2 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 。 2020/10/11 3 4.1 元素概述 4.2 S区元素 4.3 p区元素 4.4 d区元素 2020/10/11 4 4.1 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 。 2020/10/11 5 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 O H Si Al Na 质量分数 /% 52.32 16.95 1 6.67 5.53 1.95 元素符号 Fe Ca Mg K Ti 质量分数 /% 1.50 1.48 1.39 1.08 0.22 2020/10/11 6 4.1.2 元素的分类 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 2020/10/11 7 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。 2020/10/11 8 3 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（ essential elements、 有毒元素（ toxic elements） 和不确定元素。 2020/10/11 9 4.宏量元素（常量元素）和微量元素 2020/10/11 10 4.2 s区元素 4.2.1 s区元素的通性 s区元素位于元素周期表的最左边 ， 包括 A 族和 A族 ， 分别称为碱金属和碱土金属 。 A族 元素包括 H， Li， Na， K， Rb， Cs， Fr共 7个元素 ， A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 。 2020/10/11 11 1.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。 2020/10/11 12 2.化学性质 ns1或 ns2的价电子构型 形成稳定的氧化数为 +1(A ）和 +2（ A ） 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 。 2020/10/11 13 4.2.2 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 。 2020/10/11 14 2. 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。 2020/10/11 15 （ 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（ Na2CO310H2O），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。 2020/10/11 16 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。 2020/10/11 17 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+NH4Cl 2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2 2020/10/11 18 （ 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。 2020/10/11 19 3.镁和钙 金属单质镁和钙 镁和钙属于 A 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，但与酸作用可臵换出氢气。 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。 2020/10/11 20 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。 2020/10/11 21 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 2020/10/11 22 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。 2020/10/11 23 4.3 p区元素 4.3.1 p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 A至 A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。 2020/10/11 24 1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， 但却不能从水中臵换出氢气，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 2020/10/11 25 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 2020/10/11 26 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。 2020/10/11 27 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 、 、 等 Al2O3。氧化铝是离子晶体，具有很高的熔 点和硬度。 -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。 2020/10/11 28 自然界存在的结晶氧化铝是 -Al2O3，称为 刚玉。而 Al（ OH） 3热分解得到的 - Al2O3称人造 刚玉。 - Al2O3不溶于水，也不溶于酸，在催化 剂中常用作载体。 2020/10/11 29 含有少量杂质的 - Al2O3常呈鲜明的颜色。 如红宝石就是含极微量 Cr2O3的 - 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 - Al2O3。 2020/10/11 30 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 。 2020/10/11 31 2. 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。 2020/10/11 32 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。 2020/10/11 33 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。 2020/10/11 34 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。 2020/10/11 35 3. 氮元素及其化合物 NaNO2+ NH4Cl=N2 +NaCl + 2H2O 2NH4Cl +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） 42+ 取代反应 ： 2NH3 + 2Na = 2NaNH2+ H2 氧化反应 ： 4NH3 + 5O2 =6H2O + 4NO 2020/10/11 36 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。 2020/10/11 37 4. 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。 2020/10/11 38 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。 2020/10/11 39 5. 卤素和其生物效应 卤素的性质 F Cl Br I 原子序数 9 17 35 53 价电子结构 2s22p5 3s23p5 4s24p5 5s25p5 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） 64 99 114 133 离子（ X-1）半径（ pm） 133 181 196 220 电负性 4.0 3.2 3.0 2.7 电子亲和能（ KJmol-1） 322 349 324 295 第一电离能（ KJmol-1） 507 368 335 1008 2020/10/11 40 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。 2020/10/11 41 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 ” 。 2020/10/11 42 4.4 d区元素 4.4.1 d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。 2020/10/11 43 4.4.2 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)2CO3 3Cu + 8HNO3（稀） = 3Cu (NO3)2 + 2NO + 4H2O Fe2O3 + 6HZnCl2（ OH） = FeZnCl2（ OH） 3 + 3H2O 2020/10/11 44 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。 2020/10/11 45 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。 2020/10/11 46 2. 钒和化合物及其生物效应 钒和化合物 钒（ V）是第四周期， B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。 2020/10/11 47 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。 2020/10/11 48 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 + 3H2O Cr2O3 + 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。 2020/10/11 49 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+7H2O Cr2O72-+6I-+14H+ = 2Cr3+3I2+7H2O 2020/10/11 50 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 。 重铬酸钾不仅是常用的化学试剂 ， 在工业上 还大量用于鞣革 、 印染 、 电镀和医药等方面 。 2020/10/11 51 铬元素 的生物效应 铬是植物、动物和人所必需的微量元素。 Cr6 对人和动物有巨毒， Cr6 具有强氧化性，能影响体 内的氧化、还原、水解等过程，并可使蛋白质变性， 核酸沉淀。 铬酸盐还会与血液中的氧反应，或使血红蛋白 变成高铁血红蛋白，从而破坏红细胞携带氧的功能， 导致细胞内窒息。 人体内的 Cr主要来源于食物中有机铬。因精制 的白糖和面粉中 Cr的含量远远比不上原糖和粗制面 粉，因此提倡多吃原糖和粗粮。 2020/10/11 52 4. 锰和化合物及其生物效应 锰和化合物 高锰酸钾是化学上常用的试剂，主要作为氧化 剂使用，也可用作特殊织物、蜡、油脂等的漂白剂， 在医药上也可作为防腐剂、杀菌剂、消毒剂，除臭 剂 等。 锰元素 的生物效应 锰是植物、动物和人所必需的微量元素，是许多 氧化酶的组成部分， 能参与蛋白质合成和遗传信息 的传递，以及对植物的光合作用和呼吸作用都有影 响。 2020/10/11 53 5. 铁和化合物及其生物效应 铁和化合物 铁是第四周期， 族的一个元素，铁原子的价层 电子构型为 3d64s2，其主要氧化数 +6、 +3、 +2，其中 +6、 +3的 Fe具有较强的氧化性， +2的 Fe具有还原性。 铁的重要化合物是三氧化二铁（ Fe2O3）、氧化 铁（ FeO）、氢氧化亚铁 Fe(OH)2、氢氧化铁 Fe(OH)3 、 氯化铁和硫酸铁等。其中， Fe2+的化合物具有还原性， 而 Fe3+的化合物具有氧化性，在空气中，氧的作用即 可把 Fe2+氧化为 Fe3+。 2020/10/11 54 铁元素 的生物效应 铁是一切生命体（植物、动物 和人）不可缺少的必需元素。 在植物中，铁主要作为酶的组成 元素，在氧化还原、叶绿素的合成 中起着重要作用。 在人体内，铁是最丰富的过渡 金属，其含量为 4 6g，其中 70左 右主要以血红蛋白和肌红蛋白形式 贮存于血液和肌肉组织中，其余则 与各种蛋白质和酶结合。铁主要参 与氧的转运和利用。 血红蛋白