普通生物學/入門/物質

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物質

物質被定義為任何具有質量（物體中物質的量）並佔據空間（以體積衡量）。

• 粒子，從小到大，amal最大
  1. 亞原子粒子
     • 電子
     • 質子
     • 中子
  2. 原子
  3. 分子
  4. 大分子
• 物質的起源
  1. 大爆炸，大約137億年前
  2. 氫，氦
  3. 較重的元素在恆星中形成，超新星
     • 地球的物質早於太陽形成，45億年前
• 所有物質都由原子組成，原子由：電子、質子、中子組成

原子

• 例如：氫
  • 最簡單的元素
  • 一個質子 (+)
  • 一個電子在軌道上 (-)
• 透過一次新增一個質子（和一個電子）來構建
• 質子的數量決定了原子序數和電子的數量
• 中子
  • 中性電荷
  • 貢獻質量
  • 可能會衰變
• 氧
  • 8 個質子（質量）
  • 8 個電子
  • 8 箇中子（質量）

質量和同位素

• 原子質量
  • 質子和中子的質量總和
  • 以道爾頓或 AMU（原子質量單位）衡量
  • 一個 AMU 是碳-12 質量的 1/12
  • 質子 ≈1 AMU 或道爾頓
  • 6.024 x 10²³ 道爾頓/克
• 原子序數相同的原子屬於同一元素
• 同位素
  • 原子序數相同，但原子質量不同
  • 有些是放射性的
  • 同位素的用途
    • 放射性：3H、14C、32P、35S
      • 生化反應中的示蹤劑
      • 在重組 DNA 技術（基因工程）中檢測分子
      • 半衰期：岩石、化石的年代測定
    • 非放射性（N、C、O）
      • 生物體的飲食（包括化石）
      • 生化示蹤劑

電子

• 負電荷
• 被吸引到帶正電的原子核而被束縛在原子核周圍的軌道上
• 原子可能獲得或失去電子，從而改變電荷
  • 陽離子：失去電子，帶正電
    • Na⁺
  • 陰離子：獲得電子，帶負電
    • Cl^-
• 決定原子的化學性質
  • 數量
  • 能級

化學鍵

• 形成分子
• 酶：在生物系統中製造、斷裂和重新排列化學鍵
• 離子鍵
• 共價鍵
  • 共享一對或多對電子
    • 稱為單鍵、雙鍵或三鍵
  • 沒有淨電荷（如離子鍵）
  • 沒有自由電子
  • 產生離散分子
  • 氫

化學反應

• 化學鍵的形成和斷裂
• 原子排列的變化
• 反應物 -> 產物
• 反應受以下因素影響
  • 溫度
  • 反應物、產物的濃度
  • 催化劑（酶）的存在
• 氧化：還原

水

• 對生命至關重要
• 地球表面的約 75% 是水
• 生命在水中進化
• 許多型別溶質的溶劑
• 高比熱容
• 高極性
  • 產生一個略微負的氧和一個略微正的氫
  • 允許形成氫鍵

氫鍵

• 一種極性相互作用
• 對以下方面至關重要
  • 蛋白質結構
  • 酶促反應
  • 水在植物莖中的移動
• 弱且短暫
• 強大的累積效應
  • 許多化合物的溶解度
  • 內聚力（毛細現象）
  • 冰的密度較低
• 在水以外的分子之間形成
  • 蛋白質結構
  • DNA，RNA結構

水使非極性分子有序化

• 非極性分子：沒有極性 (+/-) 電荷
• 疏水性：因為它們不與水形成氫鍵，所以會排斥水
• 後果
  • 膜
  • 蛋白質結構
• 親水性：極性物質與水結合

水的電離：H₂O -> H⁺ + OH^-

• 形成一個氫離子 (H⁺)，一個氫氧根離子 (OH^-)
• 由於共價鍵的自發斷裂
• 在 25 °C 時，1 升水中含有 10-7 摩爾 H⁺ 離子：10-7 摩爾/升

pH

• 一種方便的指示 H⁺ 濃度的方法
• pH = -log[H⁺]
• 對於水，pH = -log[10-7] = 7
• 由於在純水中，每個 H⁺ 都對應一個 OH^-，因此 pH 為 7 表示中性
• 對數尺度

緩衝液

• H⁺ 的儲庫
• 在緩衝範圍內保持相對恆定的 pH

參考文獻

本文基於克利夫蘭州立大學保羅·杜德博士（博士）慷慨捐贈的筆記。