《分子与原子》课件

《分子与原子》在这趟奇妙的微观世界之旅中，我们将一同探索构成万物的基本单元——原子与分子从微小的氢原子到复杂的生物大分子，这些看不见的粒子塑造了我们所知的一切本课程将带领大家从古希腊哲学家的原子论思想，到现代量子力学的精确描述，逐步揭开原子与分子的神秘面纱，了解它们的结构、性质及在现代科技中的重要应用课程概述原子的基本概念与历史探索原子理论的发展历程，从古希腊哲学家的猜想到现代科学的精确描述原子结构与元素周期表深入了解原子的内部结构及元素在周期表中的规律性排列分子的形成与化学键探讨原子如何通过化学键结合形成分子的机制分子类型与性质研究不同类型分子的结构特点及其物理化学性质现实生活中的应用第一部分原子的发现德谟克利特原子论公元前460年，古希腊哲学家德谟克利特首次提出万物由不可分割的微小粒子原子组成的思想，这一设想虽然朴素但极具前瞻性道尔顿原子理论1803年，英国化学家约翰·道尔顿提出科学的原子理论，认为每种元素由独特的、不可分割的原子组成，为现代原子理论奠定基础汤姆森实验原子论的历史1哲学阶段公元前5世纪，德谟克利特提出原子论，认为万物由不可分割的原子和虚空组成这一思想在当时缺乏实验证据，仅作为哲学概念存在了两千多年2科学原子论19世纪初，道尔顿将原子概念引入化学，解释了化学反应中的定比定律和倍比定律，使原子论从哲学猜想转变为可验证的科学理论3原子结构探索19世纪末至20世纪初，科学家们相继发现电子、质子和中子，揭示了原子的内部结构，打破了原子不可分割的传统观念4量子革命道尔顿原子理论原子的不可分性同元素原子相同道尔顿认为物质由极小的、不可分割的粒子——原子组成虽然这一观同一种元素的所有原子在质量和其他性质上完全相同这一观点解释了点后来被证明不完全正确，但在当时推动了化学的发展，并为后续研究元素的纯净性和化学反应中的定比规律，为元素分类奠定了基础提供了思路异元素原子不同化学反应本质不同元素的原子在质量和化学性质上有所不同这一观点解释了元素之化学反应本质上是原子的重新组合，原子本身在反应中保持不变这一间的差异性，并预示了后来发现的元素周期律观点解释了质量守恒定律，为现代化学反应方程式奠定了理论基础原子的基本定义⁻⁻10¹⁰10²⁴米级大小克级质量原子的直径约为

0.1-

0.5纳米，相当于氢原子的质量约为

1.67×10⁻²⁴克，如头发丝直径的百万分之一，这种微小此微小的质量使得在日常生活中，即的尺度使得我们无法用普通光学显微使是一粒沙子也包含难以想象数量的镜直接观察到原子原子118已知元素目前已发现的元素有118种，每种元素都由独特的原子构成，这些原子的差异主要体现在质子数的不同第二部分原子结构电子带负电的基本粒子，围绕原子核运动电子层电子按能级分布在不同的电子层中子3不带电的核粒子，与质子共同构成原子核质子4带正电的核粒子，决定元素的种类原子核原子的中心区域，包含质子和中子卢瑟福实验实验设计1911年，卢瑟福设计了著名的金箔散射实验，他让高能α粒子（氦原子核）束射向极薄的金箔，并观察粒子的散射情况根据当时的汤姆森葡萄干布丁模型，预期大多数α粒子应该直线穿过金箔意外发现实验结果出人意料虽然大多数α粒子确实直线穿过金箔，但有少量粒子发生了大角度散射，甚至有极少数粒子被反弹回来这表明在原子中存在高度集中的正电荷区域核式模型诞生基于实验结果，卢瑟福提出了原子的核式结构模型原子由中心的小而密集的原子核和围绕其运动的电子组成这一模型推翻了汤姆森模型，奠定了现代原子结构理论的基础原子核微小尺寸集中质量原子核的直径约为10⁻¹⁵米，相当于整虽然体积极小，但原子核集中了原子个原子直径的十万分之一如果将原

99.9%以上的质量这种质量分布的极子放大到足球场大小，原子核则仅如端不均匀性，是原子物理特性的重要绿豆般大小基础核粒子组成电荷中心原子核由质子和中子组成，统称为核原子核带正电，其电荷量等于核内质子核子之间通过强核力结合，这种子数乘以元电荷原子核的正电荷与力远强于电磁力，能克服质子间的电核外电子的负电荷精确平衡，使整个荷排斥，保持原子核的稳定性原子在正常状态下电中性质子、中子与核子数质子数中子数同位素质子数等于原子序数，也等于核电荷中子不带电，在原子核中起到胶水作同位素是同一元素的不同核素，它们具数，决定了元素的种类氢的质子数为用，通过强核力将质子结合在一起中有相同的质子数但不同的中子数例1，氦为2，依此类推化学元素的化学子数可以变化，不影响元素的化学性质如，氢有三种同位素普通氢（无中性质主要由质子数决定子）、氘（一个中子）和氚（两个中子）在元素周期表中，元素按质子数递增排轻元素的稳定核通常有接近相等的质子列改变质子数意味着转变为不同的元和中子数，而重元素则倾向于拥有更多同位素在化学性质上几乎相同，但在物素的中子理性质和核反应性质上有显著差异原子质量与相对原子质量原子质量单位相对原子质量由于原子质量极其微小，科学相对原子质量是特定元素的原家定义了专门的计量单位——子平均质量与1/12碳-12原子原子质量单位u1u等于碳-质量的比值，是一个无量纲12原子质量的1/12，约为数例如，氢的相对原子质量

1.66×10⁻²⁷千克这一单位约为

1.008，氧为

16.00相对使原子质量的表示更为便捷原子质量考虑了元素所有同位素及其自然丰度测定方法现代测定原子质量的主要方法是质谱法质谱仪能够将原子或分子电离，然后在电磁场中根据它们的质荷比进行分离和探测，从而精确测量元素的同位素组成和相对质量核外电子基本特性电子是带负电的基本粒子，电荷量为-

1.602×10⁻¹⁹库仑，质量约为

9.11×10⁻³¹千克运动规律电子围绕原子核运动，但不遵循经典力学，而是遵循量子力学规律能级分布电子分布在不同能级的电子层和轨道上，具有特定的能量和空间分布决定化学性质核外电子尤其是最外层价电子决定了原子的化学性质玻尔原子模型行星式模型能量量子化氢原子光谱1913年，尼尔斯·玻尔玻尔模型的核心思想玻尔模型成功解释了提出了类似太阳系的是电子只能在特定的氢原子的光谱线，通原子模型，将电子比能级轨道上运行，不过简单的数学公式准作围绕太阳（原子允许存在于轨道之确预测了氢原子各谱核）运行的行星这间电子在轨道间跃线的波长这是量子一形象的比喻帮助人迁必须吸收或释放特理论在原子物理中的们直观理解原子结定能量的光子，这解首次重大成功，为后构，虽然后来被更精释了原子光谱的线状续量子力学的发展奠确的量子模型取代，特征定了基础但在教学中仍有重要作用电子层与能级电子层主量子数n最大容纳电子数计算公式K层122n²=2L层282n²=8M层3182n²=18N层4322n²=32O层5502n²=50P层6722n²=72Q层7982n²=98电子在原子中的分布遵循一定规则，首先按照能量从低到高依次填充每个电子层对应一个主量子数n，最多可容纳2n²个电子实际元素中，最外层通常不会填满，最外层电子决定了元素的化学性质元素周期表中的周期数直接对应于元素原子最外层电子所在的主量子数例如，第二周期元素的最外层电子在L层n=2，这解释了元素周期性质的根本原因电子云模型量子力学革命不确定性原理20世纪20年代，量子力学的发展彻底改变了人们对原海森堡不确定性原理表明，无法同时精确测量电子的位子结构的认识薛定谔方程取代了牛顿力学，用波函数置和动量这一原理从根本上限制了我们对电子运动的描述电子的状态描述精度电子不再被视为确定轨道上运动的粒子，而是以概率分电子云模型接受了这种不确定性，放弃了经典物理学中布的电子云形式存在于原子周围粒子轨迹的概念，转而采用统计概率的描述方式电子云模型中，电子的位置不再是确定的点，而是一个概率分布云密度大的地方，发现电子的概率高；云密度小的地方，发现电子的概率低量子数主量子数n主量子数描述电子所处的能级大小，决定电子与原子核的平均距离n取正整数值1,2,

3...n越大，电子的能量越高，离原子核越远主量子数直接对应电子层n=1为K层，n=2为L层，依此类推角量子数l角量子数描述电子轨道的形状，取值范围为0到n-1的整数不同l值对应不同类型的轨道l=0为s轨道球形，l=1为p轨道哑铃形，l=2为d轨道，l=3为f轨道角量子数与电子角动量直接相关磁量子数m磁量子数描述轨道在空间的取向，取值范围为-l到+l的整数例如，p轨道l=1有三个空间取向m=-1,0,+1，分别对应x,y,z三个方向在磁场中，不同m值的轨道能量会分裂自旋量子数s自旋量子数描述电子自旋状态，有两个可能值+1/2和-1/2，分别对应自旋向上和自旋向下电子自旋是一种内禀属性，可以想象为电子绕自身轴的旋转，虽然这只是一种形象比喻原子轨道形状原子轨道的形状反映了电子在原子中分布的概率s轨道呈球形，电子在核周围任何方向的概率密度相等p轨道呈哑铃形，沿特定轴方向延伸，共有三种互相垂直的取向d轨道具有更复杂的花瓣形状，有五种不同空间取向f轨道形状更为复杂，有七种取向轨道形状决定了原子间结合的方式和强度，直接影响分子的几何结构和化学性质理解原子轨道形状对理解化学键和分子结构至关重要第三部分元素周期表历史溯源结构特点性质规律元素周期表的发展经历了多位科学现代周期表按照原子序数（质子周期表中，元素的物理和化学性质家的努力，从德贝莱纳的三元组，数）递增排列，元素被分为七个横呈现周期性变化从左到右，金属到纽兰兹的八音律，最终由门捷列行（周期）和十八个纵列（族）性减弱，非金属性增强；从上到夫于1869年提出完善的周期表门周期表反映了元素电子构型的规律下，金属性增强这些规律帮助科捷列夫不仅整理了当时已知元素，性，同一族元素具有相似的外层电学家预测元素性质和可能的化学反还预测了多种尚未发现的元素，展子排布和化学性质应现了周期律的强大预测力门捷列夫与元素周期律伟大的预见1869年，俄国化学家门捷列夫提出元素周期律，他发现将元素按原子质量递增排列时，其性质呈现周期性变化门捷列夫创造性地将当时已知的63种元素排列成表格，使具有相似性质的元素位于同一纵列大胆的预测门捷列夫的周期表中留有空位，他预测这些位置应有尚未发现的元素存在，并详细预言了这些元素的性质最著名的预测包括镓（当时称锫）、锗（当时称硅锗）和锗（当时称硅锗）这些元素后来被陆续发现，其性质与预测惊人地吻合质疑与坚持为了维持周期律，门捷列夫甚至质疑某些已测定的原子质量数据，并大胆调换了某些元素的位置例如，他将碘放在氯和溴之后，尽管其原子质量小于碲这些看似违反排序规则的调整，后来被证明是正确的历史地位门捷列夫的周期表成为现代周期表的基础，虽然现代周期表按原子序数而非原子质量排列，但基本架构保持不变他的工作被认为是化学史上最重要的突破之一，为原子结构和化学键理论奠定了基础现代元素周期表基本结构区块分类现代周期表包含7个周期（横行）和18根据电子填充的轨道类型，周期表可个主族（纵列），按原子序数递增排分为s区、p区、d区和f区，反映元素列118种已知元素的电子构型周期的规律族的特点在同一周期内，从左到右元素的金属同一族元素具有相似的外层电子构型性递减，非金属性递增，反映价电子和化学性质，如第1族的碱金属和第17数量的变化族的卤素元素周期性质原子半径pm电离能eV电负性金属、非金属与稀有气体金属元素非金属元素稀有气体金属元素位于周期表的左侧和中部，占非金属元素位于周期表的右上部，数量稀有气体位于周期表最右侧一列，包括元素总数的约80%典型特性包括良好较少但化学性质多样它们通常不导电氦、氖、氩等其特点是化学性质极不的导电性、导热性、延展性和金属光（除碳的某些同素异形体外），无金属活泼，常温下呈单原子气态这种稳定泽从微观角度看，金属原子的外层电光泽，脆性大非金属原子倾向于获得性源于它们拥有满壳层电子构型，外层子容易失去，形成正离子，这解释了它电子形成负离子或共享电子形成共价键电子达到8个（氦为2个）们的化学活性和成键特点虽然传统上被认为化学惰性，但在特定按性质可进一步分为碱金属、碱土金包括碳、氮、氧、硫等生命元素，以及条件下，氙等重稀有气体可形成化合属、过渡金属、镧系和锕系元素等金氯、溴等活泼卤素非金属在生物体和物稀有气体在照明、低温技术等领域属在工业、建筑和科技中应用广泛环境中扮演关键角色有重要应用第四部分化学键与分子形成分子1通过化学键结合的稳定粒子系统化学键原子间通过电子相互作用形成的持久连接稳定性八电子规则与能量最小化原理键能断裂或形成化学键所涉及的能量变化什么是分子？物质基本单元分子是由两个或多个原子通过化学键结合形成的独立存在的粒子，是许多物质的基本构成单位最简单的分子是由两个相同原子组成的双原子分子，如氢气H₂和氧气O₂复杂分子可含有数千甚至数百万个原子化学特性载体分子是最小的具有该物质化学性质的粒子例如，水分子H₂O具有水的所有化学性质，而单个氢原子或氧原子则表现出完全不同的性质分子的组成和结构决定了物质的化学反应性和物理性质分子表示方法分子式表示分子中各元素原子的种类和数量，如CO₂表示一个碳原子和两个氧原子结构式则进一步显示原子间的连接方式和空间排布，更全面地描述了分子的实际结构结构对分子性质的影响往往至关重要稳定性来源分子的稳定性主要来自化学键形成过程中的能量降低原子通过形成化学键达到更稳定的电子构型（通常是八电子结构），同时释放能量这种能量变化解释了为什么大多数化学反应倾向于形成稳定分子化学键的本质电子相互作用八电子规则化学键本质上是原子间的电子相互作多数原子通过形成化学键达到外层八用，使原子紧密结合形成稳定的分子电子稳定构型，类似稀有气体结构能量变化键能与强度键形成伴随能量释放，系统达到更低化学键强度用键能衡量，连接不同原能量状态，是驱动键形成的热力学基子的键具有不同强度和特性础离子键形成机制离子化合物特性离子键形成于金属元素和非金属元素之离子化合物通常形成有序的三维晶体结间，通过电子完全转移形成金属原子构，每个离子被多个相反电荷的离子所失去外层电子形成阳离子（正离子），环绕这种结构决定了典型离子化合物非金属原子获得电子形成阴离子（负离的物理特性高熔点、高沸点，固态不子）例如，钠原子Na失去一个电子导电但熔融或溶解后可导电成为钠离子Na⁺，氯原子Cl得到一个电子成为氯离子Cl⁻常见的离子化合物包括氯化钠NaCl、这些带相反电荷的离子通过静电引力相氧化钙CaO、氯化镁MgCl₂等这互吸引，形成稳定的离子化合物离子些物质在日常生活和工业生产中有广泛离子键形成过程涉及金属元素向非金属键是一种非定向性的键，离子间的吸引应用元素转移电子这一过程使金属元素失力在空间各个方向上都相同去活泼的外层电子，达到前一稀有气体的稳定构型；非金属元素获得电子，达到下一稀有气体的稳定构型共价键共价键是通过原子间共享电子对形成的化学键当原子共享电子对时，它们的电子云重叠，形成稳定的连接共价键通常形成于非金属元素之间，允许原子达到稳定的八电子构型根据共享电子对的数量，共价键可分为单键（共享一对电子）、双键（共享两对电子）和三键（共享三对电子）根据电子共享的对称性，共价键可进一步分为非极性共价键和极性共价键当连接相同原子（如H₂,O₂,N₂）时，电子对被平均共享，形成非极性键当连接不同电负性的原子时，电子对被不均匀共享，形成极性键，导致分子内电荷分布不均键与键σπσ键特性σ西格玛键是通过原子轨道沿原子核连线方向端对端重叠形成的共价键所有单键都是σ键，它允许键两端的原子自由旋转而不破坏键σ键是最基本、最强的化学键类型，形成分子骨架的主要成分π键特性π派键是通过原子轨道侧面平行重叠形成的共价键，常见于多重键中双键由一个σ键和一个π键组成，三键由一个σ键和两个π键组成π键限制了原子间的旋转，导致分子构型更为刚性键强度比较σ键比π键更强，这是因为σ键中电子云重叠更充分，电子密度集中在原子核之间这解释了为什么在化学反应中π键通常比σ键更容易断裂，如加成反应中常见的是π键断裂共振与杂化某些分子中，电子不局限于单一的成键模式，而是在多种等能结构间共振例如，苯分子中的六个π电子形成离域的电子云，均匀分布于整个环上轨道杂化理论解释了原子如何通过混合不同原子轨道形成适合成键的杂化轨道金属键电子海模型金属键是金属元素原子间形成的一种特殊化学键，可用电子海模型描述自由电子与离子格架金属原子的外层电子相对自由，形成电子海，而剩下的金属离子则排列成有序格架导电和热传导3自由移动的电子解释了金属的高导电性和导热性金属的物理特性4金属键非定向性使金属离子层可相互滑动，解释了金属的延展性和可塑性分子间力氢键偶极-偶极力范德华力氢键是一种特殊的强分子间作偶极-偶极力存在于极性分子之范德华力是一种普遍存在的弱用力，形成于氢原子与高电负间，由分子永久偶极矩的相互相互作用，包括色散力（瞬时性原子（通常是氧、氮或氟）作用产生分子的正电荷部分偶极力）和诱导偶极力这种之间氢键虽然强度只有共价吸引其他分子的负电荷部分，力存在于所有分子之间，来源键的约1/10，但比一般分子间导致分子间定向排列这种力于电子云分布的瞬时不对称力强得多，在生物分子如DNA的强度取决于分子的极性，在性范德华力虽然单个作用和蛋白质结构中起关键作用决定许多物质的物理性质如沸弱，但在大分子中叠加效应显水的许多独特性质，如高沸点和溶解性方面起重要作用著，如蜥蜴足部的微结构利用点、表面张力和冰的浮力，都范德华力实现爬墙能力归因于氢键分子晶体分子间力促使分子形成有序排列的分子晶体，如冰、碘晶体和有机晶体分子晶体通常具有低熔点、低沸点，不导电，较软分子间力的强弱直接影响物质的熔点和沸点，这也是为什么相似分子量的物质，能形成氢键的通常有更高的沸点第五部分分子的结构与性质分子几何构型原子在分子中的三维排布方式，如线形、角形、四面体形等VSEPR理论价层电子对互相排斥理论，预测分子的空间结构分子极性电荷分布不均导致的分子内正负极存在结构决定性质分子的几何构型和极性直接影响其物理化学性质分子的几何构型线形分子四面体形分子角形分子线形分子如二氧化碳CO₂和二氟化铍四面体形分子如甲烷CH₄中，中心碳原角形分子如水H₂O和二氧化硫SO₂BeF₂的中心原子与两个配位原子排成子被四个氢原子环绕，形成正四面体，键的中心原子与两个配位原子形成一个角，一条直线，键角为180°这种构型通常出角约为

109.5°这种构型是中心原子周围键角受独立电子对影响水分子中氧原子现在中心原子周围有两个电子对（两个键有四个电子对（四个键合对，无独立电子上有两个独立电子对，导致H-O-H键角约合对，无独立电子对）的情况对）的典型排布为

104.5°，小于理想四面体角度理论VSEPR电子对独立电子对几何构型示例20线形CO₂,BeF₂30平面三角形BF₃,SO₃31角形SO₂40四面体形CH₄,CCl₄41三角锥形NH₃42角形H₂O50三角双锥形PCl₅60八面体形SF₆价层电子对互相排斥理论VSEPR是预测分子几何构型的有力工具该理论基于一个简单原则中心原子周围的电子对（包括键合对和独立电子对）会相互排斥，尽可能远离彼此以最小化排斥力因此，电子对在空间中采取最大分离的排布独立电子对比键合电子对占据更多空间，因此对分子构型有重要影响例如，同样有四个电子对的CH₄和NH₃，前者无独立电子对，呈正四面体构型；后者有一个独立电子对，呈三角锥形VSEPR理论成功预测了大多数简单分子的几何构型分子极性极性键的形成分子极性决定因素极性对性质的影响当具有不同电负性的原子形成共价键分子的整体极性不仅取决于键的极性，分子极性对物质的物理和化学性质有深时，电子对会偏向电负性更大的原子，还取决于分子的几何构型极性键的矢远影响极性分子间可形成偶极-偶极形成极性键键的极性可用偶极矩表量合成决定了分子是否具有净偶极矩相互作用，影响沸点、溶解性和其他性示，表示电荷分离的程度和方向质电负性差值越大，键极性越强例如，对称分布的极性键可能相互抵消例相似相溶原则表明，极性物质更易溶H-F键由于氟的电负性远大于氢，因此如，CO₂分子中两个C=O键都是极性于极性溶剂，非极性物质更易溶于非极高度极性；而Cl-Cl键连接相同原子，是的，但由于分子线形对称，两个键的偶性溶剂水作为强极性溶剂，能溶解许典型的非极性键极矩大小相等方向相反，因此CO₂是多极性或离子化合物，但难溶解油脂等非极性分子非极性物质分子轨道理论原子轨道线性组合分子轨道理论认为，当原子形成分子时，原子轨道线性组合形成分子轨道，电子不再属于单个原子，而是分布在整个分子上这与价键理论不同，后者认为电子局限在特定的键上原子轨道线性组合（LCAO）是一种数学方法，用于计算这些分子轨道成键与反键轨道原子轨道可以通过同相位叠加形成成键分子轨道，或通过反相位叠加形成反键分子轨道成键轨道能量低于原始原子轨道，电子在此更稳定；反键轨道能量高于原始原子轨道，电子在此不稳定分子的稳定性取决于成键轨道与反键轨道中电子数的平衡电子填充规则分子轨道的填充遵循与原子轨道相似的规则能量最低的轨道先填充，每个轨道最多容纳两个自旋相反的电子（泡利原理），能量相等的轨道按洪德规则单电子优先填充通过分析分子轨道中的电子分布，可以预测分子的磁性、键级和稳定性应用与解释能力分子轨道理论成功解释了一些价键理论难以解释的现象，如氧分子的顺磁性（含有未配对电子）和过氧化物O₂²⁻的存在它为理解共轭分子、金属键和半导体行为提供了基础现代计算化学广泛应用分子轨道方法预测分子性质和反应机理第六部分典型分子自然界存在种类繁多的分子，从简单的双原子分子到复杂的生物大分子常见无机分子如水H₂O、二氧化碳CO₂和氨NH₃在生命活动和环境循环中扮演关键角色有机分子主要由碳和氢构成，包括简单烷烃、芳香族化合物如苯，以及各种官能团衍生物生物分子是维持生命所必需的复杂分子系统，包括蛋白质、核酸、碳水化合物和脂质等现代科技还创造了许多新型功能分子，如超分子结构、生物传感器和分子机器这些多样的分子展示了原子组合的无限可能性水分子分子结构强极性特征水分子H₂O由一个氧原子与两个氢由于氧原子电负性高于氢原子，O-H键原子通过共价键连接，呈角形结构，高度极性加上分子的角形构型，使H-O-H键角约为

104.5°这一角度小于2水成为典型的极性分子，具有明显的理想四面体角

109.5°，是由氧原子上偶极矩水分子中氧原子带部分负两对独立电子对的排斥作用导致的电，氢原子带部分正电生命之源氢键网络水作为万能溶剂，是生命过程的必要水分子间形成广泛的氢键网络，一个3介质其极性使其能溶解多种极性物水分子可作为氢键的给体和受体这质和离子化合物，而氢键网络的动态种氢键网络赋予水许多独特性质，如性质支持生物分子如蛋白质的正确折异常高的沸点、比热容和表面张力叠和功能二氧化碳分子特征二氧化碳CO₂由一个碳原子与两个氧原子通过双键连接，呈完美线形结构，O=C=O键角为180°尽管C=O键是极性的，但由于分子的对称性，两个键的偶极矩互相抵消，使CO₂成为非极性分子温室效应CO₂是主要的温室气体之一，能吸收并重新辐射地表发出的红外线辐射，导致大气温度升高工业革命以来，人类活动导致大气CO₂浓度显著增加，从约280ppm上升到现今的400ppm以上，成为气候变化的重要驱动因素碳循环在自然碳循环中，CO₂扮演核心角色植物通过光合作用将CO₂和水转化为有机物，释放氧气；动物和微生物通过呼吸将有机碳氧化回CO₂，完成循环海洋作为巨大的碳库，通过溶解和生物过程调节大气CO₂浓度应用与性质常温下CO₂是无色无味的气体，在-

78.5°C直接从固态升华为气态（干冰）它广泛应用于饮料碳酸化、灭火器、超临界流体萃取和工业生产在水中溶解形成碳酸，是酸雨形成和海洋酸化的因素之一苯分子分子结构共振结构特殊稳定性苯C₆H₆是最简单的芳香族化合物，苯分子实际结构无法用单一结构式完全苯具有异常的化学稳定性，称为芳香由六个碳原子排列成平面正六边形，每表示，通常用两种凯库勒结构交替单性其稳定性来源于满足休克尔规则个碳原子外连一个氢原子六个碳原子双键排列加内接圆表示其共振混合4n+2个π电子的环状离域π电子体系之间形成特殊的共轭双键系统，常用内体这种共振赋予苯特殊的稳定性苯的共振能约为150kJ/mol接圆表示从分子轨道理论看，六个碳原子的p轨由于高度稳定性，苯更倾向于发生取代苯分子是完全平面的结构，所有C-C键道重叠形成大π电子云，六个π电子完全反应而非加成反应，与一般烯烃不同长相等约139皮米，介于单键和双键离域化，分布在整个环上，而不局限于这种反应性使苯成为有机合成的重要前之间，这表明电子密度均匀分布在整个特定键上体物质，广泛用于制造药物、染料和聚碳环上合物蛋白质分子四级结构1多个蛋白质亚基的组装排列三级结构2多肽链折叠形成的完整三维构象二级结构3氢键稳定的局部折叠模式，如α螺旋和β折叠一级结构氨基酸以肽键连接形成的线性序列分子DNA双螺旋结构DNA由两条互补的多核苷酸链缠绕成右手双螺旋结构链的骨架由交替的磷酸基团和脱氧核糖分子组成，碱基则从骨架向内伸展，通过氢键连接互补碱基碱基配对原则DNA中有四种核苷酸碱基腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G和胞嘧啶C配对遵循严格规则A总与T配对形成两个氢键，G总与C配对形成三个氢键遗传信息载体DNA是生物遗传信息的主要载体碱基序列构成了基因，编码合成特定蛋白质的指令人类基因组含约30亿个碱基对，编码约2万个蛋白质编码基因生物信息编码DNA通过复制、转录和翻译过程表达遗传信息其结构允许精确的半保留复制，确保遗传信息准确传递给后代基因表达调控机制控制何时何地激活特定基因第七部分原子与分子的检测质谱法通过电离分子并测量其质荷比，确定分子的质量和结构信息广泛应用于化学、生物学和医学研究中的分子鉴定和定量分析X射线晶体衍射利用X射线与晶体中规则排列的原子相互作用产生的衍射图案，重建原子在晶体中的精确三维排列这一技术在蛋白质结构测定和材料科学中尤为重要核磁共振基于原子核在磁场中的自旋性质，提供分子结构和动态信息NMR广泛用于有机化学中的结构鉴定，同时作为医学成像技术MRI的基础扫描隧道显微镜通过测量探针和样品表面之间的隧道电流，实现原子级分辨率的表面成像能直接看见单个原子和分子，甚至操控它们的排列质谱法基本原理质谱法基于带电粒子在电磁场中运动轨迹与其质荷比m/z相关的原理首先，样品被电离形成带电离子；然后，这些离子在电磁场作用下根据质荷比分离；最后，检测器记录不同质荷比离子的丰度，生成质谱图分子质量测定质谱法能精确测定分子质量，分辨率高可达小数点后多位通过分子离子峰M⁺确定分子量，同时碎片离子峰提供结构信息高分辨质谱可测定精确分子式，区分同分异构体同位素分析质谱法是同位素分析的强大工具，可测定元素的同位素丰度和比率这在地质年代测定、环境示踪和核素分析中尤为重要同位素峰的相对强度可用于确认分子中特定元素的存在应用范围质谱法应用极为广泛，从药物分析、环境监测到蛋白质组学研究串联质谱MS/MS、气相色谱-质谱联用GC-MS和液相色谱-质谱联用LC-MS等技术进一步扩展了其分析能力，使其成为化学和生物领域不可或缺的分析手段射线晶体衍射X晶体样品制备衍射数据收集结构解析X射线晶体衍射分析首先需要获得高质量晶体被置于强X射线束中旋转，X射线与从衍射图案到原子坐标的转换涉及复杂的的晶体样品对于小分子，这通常通过溶晶体中规则排列的原子相互作用产生特征数学处理，包括相位问题解决、电子密度液重结晶实现；而对于蛋白质等大分子，衍射图案现代同步辐射光源提供的高强图计算和模型拟合计算机辅助的精修过则需要精细调控结晶条件，如温度、pH度X射线大大缩短了数据收集时间，同时程不断改进模型，直至与实验数据最佳匹值、盐浓度等，这一过程可能耗时数周甚冷冻技术减少了辐射损伤配最终结果是分子中每个原子的精确三至数月维坐标扫描隧道显微镜量子隧道效应原子级分辨率原子操控能力扫描隧道显微镜STM基于量STM能达到惊人的

0.1纳米水STM不仅能观察原子，还能操子力学中的隧道效应原理，即平分辨率，足以观察单个原子控它们通过精确控制针尖位电子可穿越经典物理学不允隧道电流随针尖与表面距离变置和隧道电流，研究人员可以许穿过的势垒当金属针尖靠化极为敏感，仅改变

0.1纳米移动单个原子，创建原子级图近导电表面时，即使二者未接就能使电流变化一个数量级，案和结构著名的例子包括触，电子也能从一侧隧穿到另这使得精确追踪表面原子排列IBM研究人员用35个氙原子拼一侧，产生可测量的隧道电流成为可能写的公司标志广泛应用STM在表面科学、纳米技术和材料研究中有广泛应用它帮助科学家研究表面催化反应、探索新型二维材料如石墨烯的性质、观察分子吸附和自组装现象，甚至测量单个分子的电子特性，为分子电子学奠定基础第八部分原子与分子的应用材料科学应用生物医学应用环境科学应用原子与分子层面的操控催生了纳米材料、分子生物学的进步使靶向药物设计、基因分子传感器能检测环境中的微量污染物，智能材料和高性能复合材料碳纳米管、治疗和个性化医疗成为可能分子影像技提供实时监测数据绿色化学原理指导开石墨烯和量子点等纳米结构展现出独特的术帮助早期疾病诊断，而纳米医学则允许发更清洁的化学合成路线，而生物降解材力学、电学和光学性质，为电子器件、能药物精确输送到病变部位，最大化治疗效料和环境修复技术则帮助修复受损生态系源存储和结构材料带来革命性突破果同时减少副作用统纳米材料碳纳米材料量子点与器件碳纳米管是由碳原子排列成管状的纳量子点是纳米尺度的半导体晶体，能米结构，具有极高的强度、优异的导将电子限制在三维空间内，展现量子电性和热传导性石墨烯是单层碳原效应它们的光学性质可通过尺寸调2子形成的二维蜂窝状晶格，是已知最控，广泛应用于显示技术、生物标记薄、最强的材料之一和量子计算分子自组装能源材料利用分子间的非共价相互作用，实现纳米结构材料在太阳能电池、燃料电纳米结构的自发形成这种自下而上池和储能系统中发挥关键作用纳米的制造方法为创建复杂功能材料提供颗粒提供更大的表面积和更短的离子了新路径传输路径，提高能量转换和存储效率分子药物设计靶点确认识别与疾病相关的生物分子靶点，通常是关键酶或受体蛋白结构解析确定靶点的三维结构，尤其是活性位点的形状和化学特性药物分子设计设计能与靶点特异性结合的小分子，优化其药效和药代动力学性质计算机辅助筛选使用计算机模拟大规模筛选潜在药物分子，预测其与靶点的结合模式实验验证与优化合成候选分子并进行实验测试，不断改进结构以提高效果并减少副作用分子环境监测分子标记技术痕量检测技术生物累积与放大环境污染物在分子级别上往往有特定的现代分析方法如气质联用GC-MS、液许多污染物在分子水平上与生物体的特分子指纹，可用于精确识别污染来源质联用LC-MS和电感耦合等离子体质定部位有亲和力，如脂溶性污染物倾向和类型这些分子标记包括特定的有机谱ICP-MS能检测环境样品中极低浓度于在脂肪组织中积累这种生物累积作化合物、同位素比率或微量元素组成的污染物，达到十亿分之一ppb甚至用使污染物在食物链上层生物体内浓度万亿分之一ppt的灵敏度远高于环境浓度例如，不同来源的石油泄漏会有不同的这些高灵敏度技术使科学家能监测持久理解分子层面的生物累积机制，有助于多环芳烃分布特征，而不同燃料的燃烧性有机污染物、内分泌干扰物和重金属评估污染物的长期生态风险，并开发更产物中有机碳同位素比率存在差异这等有害物质在环境中的微量存在，即使有效的环境风险评估模型例如，持久些分子水平的差异使环境科学家能追踪在未造成明显影响的浓度下也能被检性有机污染物如PCBs通过生物放大，污染物的来源和扩散路径出，为早期预警提供可能可在顶级捕食者体内达到危险浓度总结与展望⁻10¹⁰微观世界量级原子与分子作为物质的基本构成单元，尺寸在纳米量级，却决定了宏观世界的一切性质118已知元素从最轻的氢到最重的合成元素，118种元素及其无数组合方式创造了丰富多彩的物质世界4基本相互作用电磁力、强核力、弱核力和引力，四种基本力支配着原子与分子的行为∞无限可能分子科学的多学科融合特性为材料、能源、医药和环保领域带来无限创新可能。