原子與分子是如何聚集在一起的？

2020-09-03 我才是Becky

曾經我因自己是學生物的而驕傲，由於本人過於高調，現在身邊人都知道我學生物了，於是開始肆無忌怛的提問題，諸如：人體有多少細胞，染色體是啥，啥是疏水作用？？？
在我啞口無言之際，更有甚者,反問我：」你不是學生物的麼？不是博士麼？「

於是，我開始反思作為一個生物人，我是不是不配擁有這樣偉大的頭銜. 於是，我開始了一輪」基礎知識「的學習，在此與各位分享，希望我們能夠為身邊無知的人們補一補生物課，也是為自己補補課，我還能怪誰呢，總不能怪大學老師，高中老師，沒把基礎講好吧，這追溯下去，可以埋怨的人手拉著手可以繞地球兩圈

曾經某位偉人說過，基礎的深度決定了你可以走多遠，我信了她的邪

今天分享的是：

原子與分子是如何聚集在一起的？

1. 共價鍵

最常見的方式是共價鍵，也是我們常說的化學鍵，比如水分子是 H-O-H，其中氫原子與氧原子之間的連接鍵就叫共價鍵，共價鍵有約80千卡路裡每摩爾的能量，身體溫度的熱能約為0.6千卡路裡每摩爾，所以比較起來，共價鍵的能量非常高，普通的熱能無法打斷，這也是為什麼像DNA這樣的大分子在幾十萬年後還可以被檢測和測序，是非常穩定的。


2. 氫鍵

兩個水分子之間的氧原子會共同爭奪一個氫原子，導致這個氫原子的負電荷在兩個氧原子之間頻繁交換，造成了水分子之間的強烈聯繫，這也展示了之所以水在室溫不會變成水蒸氣的原因，因為水分子之間有很強的親和力。所以氫原子並不專屬於一個水分子，而是被來回交換，正是這來回的交換，對氫原子的共用，使得氫鍵具有接近5千卡路裡每摩爾的能量來連接分子；因為氫鍵的能量和室溫能量差的不多，所以如果溫度足夠高，熱能就足以打斷這些連接；這也是為什麼加熱後水會蒸發


3. 疏水作用

因為氫原子和碳原子對電子的親和力一樣，所以對於只有氫和碳的有機分子來說，是不帶電荷的，也就是電中性，沒有多餘的電子或質子，比如說這樣一個有機分子： CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 它的學名叫戊烷（因為有5個C），當把它放在水中，因為它不帶電，而水分子之間是帶電的，所以它和水沒有相互作用，水分子會把戊烷包圍，這種排布代表了混亂的降低，即熵的降低，熵指混亂/無序，而熱力學告訴我們，一般來說分子是不傾向於有序的，我們現在得到兩個原因為什麼這個戊烷不喜歡被放在水裡，首先，它無法和水形成氫鍵，其次會發生熵減，無序度降低，我們常叫這種分子為非親水的分子，即不喜歡和水呆在一起，疏水的 那麼問題來了，像這樣一條長長的: CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH，它的最右端有個帶電荷的親水的羧基-COOH（因為氧帶負電荷），而左側都是疏水的，在水中如何排布呢？ 如果有成千上萬個這樣的分子，它們會把親水的頭部伸入水中，而疏水的尾巴遠離水溶液，相互聯結成一個球，我們會把這種分子叫做兩親分子 熱力學穩定性通常是由這些親水和疏水力來連接或分開這些分子


4. 靜電作用

事實上還有些別的力控制分子間的親和度，比如羧基-COOH中的兩個氧原子會有電子之間的移動，所以它們的負電荷是平分的，整個羧基是一個帶負電荷的區域，氨基具有吸引質子的能力，因此帶鹼性，整個氨基是帶正電荷的團，所以氨基與羧基之間存在靜電力，靜電力是沒辦法精確量化的，因為靜電力等於r平方的倒數，即1/r2, 距離遠近，作用越大；

5. 範德華力

兩個一般情況下不帶電荷的分子，比如兩個戊烷，而電子是時刻處於遊蕩的狀態，從一處跑到另一處，它們絕不會長時間的均勻分布，會有短暫的一瞬間，幾微秒甚至幾納秒，某個原子的電子更多或更少，只是很偶然的一瞬間，而這不均勻的電子分布會進而引起相鄰分子產生相反的電子交換，所以這裡就可以得到兩個準極性的排布，轉瞬即逝，僅僅持續非常短暫的時間，不過已經足以在這兩個分子間產生微弱的或許只能維持一微秒的然後消失的力，總之，這是一種很弱的力，對於整體的連接和兩個分子的能量來說只起了很小的作用

生物膜，磷脂雙分子層

在講疏水作用部分的時候，大家是否想到我們熟悉的細胞膜呢？ 是的，聰明如你，所有的生物膜都是像那個常常的兩親分子一樣，有親水的頭和疏水的尾巴，將膜內的環境和膜外環境隔開，像離子或者葡萄糖等親水物質是不能自由跨過膜結構的，因為它們無法穿過膜中間的疏水層，這種膜結構可以使細胞在內部積累高濃度的分子，或者可以將他們泵到外面，也就是使膜內外形成很大的濃度梯度，比如在許多細胞外鈣離子的濃度比細胞內的濃度高成千上萬倍，細胞膜上有離子泵，將多餘的鈣離子泵到外面，這種運動是非常消耗能量的，事實上，我們大腦消耗的能量大多數都花在離子泵上，以此保證特定離子在神經元內外的濃度，我們每天的新陳代謝負擔至少有一半是用於將這些離子分隔在細胞的內外，比如鉀離子在細胞內的濃度很高，鈉離子在細胞外的濃度很高；另外還有通道，通道實際上就是一些甜甜圈狀的結構，插入在細胞膜的脂質雙分子層間，從而使離子可以通過它們進行被動運輸。


該部分的知識整理完畢，主要內容來自麻省理工大學的《生物學導論》

《生物學導論》連結：http://open.163.com/newview/movie/courseintro?newurl=%2Fspecial%2Fopencourse%2Fintroductionbiology.html

我轉念一想，我還沒畢業呢，還不算博士，可以有知識漏洞，如果足夠優秀了，肯定早就畢業了，而且博士又不是神仙，我們只是比別人多了解一丟丟專業知識而已，要學習的地方還非常多嘞~ 你們不知道生物這學科遍及範圍有多大，地上跑的，水裡遊的都算生物，請體諒一下我們這些學生物的吧，文科理科都得掌握

相關焦點

  • 2015初中化學原子分子知識點-分子概念
    小編為大家整理了原子分子知識點-分子概念，讓我們一起學習，一起進步吧! 　　分子是保持物質化學性質的最小粒子。 　　(1)構成物質的每一個分子與該物質的化學性質是一致的，分子只能保持物質的化學性質，不保持物質的物理性質。因物質的物理性質，如顏色、狀態等，都是宏觀現象，是該物質的大量分子聚集後所表現的屬性，並不是單個分子所能保持的。
  • 分子和原子的概述
    同種分子，性質相同，不同的分子，性質不相同。這裡的性質特指「化學性質」，而不是物理性質。因為物理性質是大量分子聚集在一起才能體現出來的性質，單個分子無法體現。分子並不是保持物質化學性質的唯一粒子，因為原子、離子也能保持物質的化學性質。
  • 學習分子和原子知識中的幾個誤區
    分子只是構成物質的一種微粒，除分子外，構成物質的微粒還有原子、離子等。誤區2:分子是保持物質化學性質的唯一微粒解析：分子、原子和離子都是可以直接構成物質的微粒。物質的化學性質是由構成它們的微粒的化學性質決定的。因此，保持物質化學性質的微粒不僅有分子，還有原子和離子。分子只是保持物質化學性質的一種微粒。
  • 初三化學分子原子難點專題精講
    一、如何理解「分子是保持物質化學性質的最小粒子」？　　1.分子是一種構成物質的粒子，大多數的物質是由分子構成的。由分子構成的物質，分子是保持其化學性質的最小粒子。例如，水是由水分子構成的物質，水分子是能保持水的化學性質的最小粒子。如果物質不是由分子構成的，保持其化學性質的最小粒子就不是分子了。
  • 原子模擬揭示葉綠體如何利用光能
    研究團隊報導，研究人員使用超級計算機重建了13億6千萬個原子組成的葉綠體模型，一個紫色細菌中原始的光捕獲結構。該細胞器受到刺激後，與自然存在的表現相同。 （Christopher Maffeo）科學家模擬了一種光合細菌的光捕獲結構的原子構造，解析了細菌如何將光能轉化成機體生長所需的能量。
  • 從原子分子角度來看水的表面發生了什麼
    氧原子 氫原子 氮原子圖 1-5像之前一樣我們看到了水分子組成的大量的水。但是現在我們還能看到水的表面。在表面我們發現了很多東西：首先，是水面上有水的分子，這就是水的蒸汽，在水面上總是有水蒸氣。（水蒸氣和水處於一種平衡狀態，後續會講。） 此外我們還發現了一些其他的分子：這裡是2個氧原子彼此結合形成一個氧分子，那裡是由2個氮原子結合在一起形成氮分子。
  • 最新突破:兩個原子在偶極分子中結合
    哈佛大學化學和化學生物學助理教授和同事們首次將兩個原子結合在一起，研究人員稱其為偶極分子。這項研究發表在一篇發表在《科學》的新論文中。研究人員說，這一發現為量子計算的未來帶來了巨大的希望，因為偶極分子構成了一種新的量子比特，它是量子信息的最小單位，它可以製作更高效的設備。量子信息處理的方向是我們興奮的事情之一，在日常生活中需要各種各樣的分子。
  • 分子和原子認知上的七個誤區!
    誤區三:分子也能保持物質的物理性質解析:物質的物理性質,如顏色、氣味、狀態、熔點、沸點、密度、硬度等都是該物質的大量分子聚集所表現出來的屬性,並不是單個分子所能表現出來的。只含有一種原子的物質卻不一定是純淨物,例如,金剛石、石墨都是由碳原子構成的,當把它們混在一起時,就是混合物。誤區五: 分子大，原子小解析:原子不一定比分子小，就好比不能簡單地說腿比胳膊粗，要看怎麼比，成人的胳膊比嬰兒的腿粗多了。
  • 選修三分子晶體和原子晶體知識點梳理
    分子晶體中存在的微粒是分子，不存在離子。較典型的分子晶體有非金屬氫化物，部分非金屬單質，部分非金屬氧化物，幾乎所有的酸，絕大多數有機物的晶體等。　　分子晶體中存在的相互作用力主要是分子間作用力，它是分子間存在著一種把分子聚集在一起的作用力，叫做分子間作用力，也叫範德華力。分子間作用力只影響物質的熔沸點、硬度、密度等物理性質，分子晶體一般都是絕緣體，熔融狀態不導電。
  • 新初三化學丨分子和原子!
    （1）如由分子構成的物質有：氧分子（O2）、氫分子（H2）、氨分子（NH3）、二氧化碳分子（CO2）。（2）由原子構成的物質有：鐵（Fe）、鎂（Mg）、銅（Cu）、鋅（Zn）、硫（S）、碳（C）、白磷（P）。（3）由離子構成的物質有：氯化鈉（NaCl）。
  • 水聚集在一起為什麼形成了小液滴?
    它產生的原因是 液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫做表面層，表面層裡的分子比液體內部稀疏，分子間的距離比液體內部大一些，分子間的相互作用表現為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現具有收縮的趨勢。正是因為這種張力的存在，有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如（例如水黽）。
  • ...科學獎一等獎「聚集誘導發光」:聚集七彩螢光 打造「品牌分子」
    發光分子在稀溶液裡可高效發光，堪稱「單打獨鬥」的英雄，而當它們在濃溶液中或者呈固態聚集起來時，就成了「三個和尚沒水吃」，越聚集光越弱，直至完全消失。這種現象就叫做ACQ效應，是有機發光材料應用的「阿喀硫斯之踵」。因為發光材料多在聚集態下使用，比如製作一塊有機發光二極體（OLED）的手機屏幕，發光材料就是在濃度最高的固體薄膜態使用。　　如何降低ACQ效應的不利影響？
  • 初三化學上冊,構成物質的微粒,分子、原子與離子性質舉例講解
    從宏觀角度看，物質是有元素組成，從微觀角度看物質是由分子、原子與離子構成的。分子、原子與離子之間存在間隙且在無規則的運動。1、分子、原子與離子構成物質舉例原子可以構成分子，分子構成物質，另原子與離子也可以直接構成物質，不同種分子、原子與離子構成不同種物質。
  • 大連光源: 給分子原子「拍電影」
    獨門絕技 　　能讓分子原子「無處遁形」 　　「隨著人類對自然界的認識不斷深入，我們已經知道與人類生活息息相關的很多物理和化學過程在本質上都是原子和分子過程。」中科院大連化物所分子反應動力學國家重點實驗室研究員戴東旭舉例說，比如臭氧層空洞的形成涉及到大氣上層臭氧分子（O3）的淬滅機制，霧霾的形成涉及到汙染物分子（SO2、CO等）聚集過程，燃燒過程涉及到氧原子或氧分子與其他分子的反應等一系列過程。要控制或利用這些物理和化學過程，我們就需要在實驗室裡研究這些過程所涉及到的原子和分子的反應機制，因此就需要精確並且高靈敏度地探測所涉及到的原子和分子。
  • 分子和原子的身世
    原子的英文名是從希臘語轉化而來，原意為不可切分的。很早以前，希臘和印度的哲學家就提出了原子不可切分的概念。19世紀晚期和20世紀早期，物理學家發現了亞原子粒子以及原子的內部結構，從此，人們知道原子也是可以切分的。分子是由原子組成的，但是組成每個分子的原子數目並不一樣。
  • 國家自然科學獎一等獎「聚集誘導發光」:聚集七彩螢光 打造「品牌...
    如何降低ACQ效應的不利影響？抑制發光分子的聚集，是一種順理成章並被大多數研究人員採用的思路，但效果並不理想。「從焓熵角度看，分子在固態下聚集是一個不可抗拒的自發過程。分子就喜歡聚堆抱團，幹嘛非得拆散它們呢？」具有逆向思維的唐本忠想到，只要找到越聚集越發光的螢光分子，就可以輕而易舉解決ACQ效應的瓶頸。
  • 夸克,原子,分子,最後組成繽紛世界
    一，原子。原子在化學反應中不可分割，但在物理狀態中可以分割。原子極小，但是原子還可以分解為離子，質量主要集中在質子和中子上。我們按比例放大原子，把原子核放大成一個足球，最近的電子在距離原子核1公裡遠的軌道上運轉，中間是真空。若把一個人原子核跟電子間的空白空間抽走，全球70多億人的總體積大概會縮小成一個蘋果大。
  • 等離激元從固體到原子分子的演化圖像|NSR
    研究者製備了原子數為100到70,000的金團簇，並測定其等離激元性質，構建出了等離激元物理從固態到原子分子演化過程的圖像。有趣的是，團簇直徑從3 nm變到2 nm時，等離激元由經典為主變為量子修正為主，最後進入分子行為。相關成果發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。
  • 原子發射光譜法與原子螢光、分子螢光、分子磷光光譜法的差別
    原子發射是利用高溫等產生氣態原子並將它們激發，收集測量回到基態時所發出的光，原子發射光譜的特點是複雜，一個原子可能有好多條譜線，可定性，也可定量。原子螢光，可分為兩種，一種是x-ray螢光，是對於內層電子的激發，導致外層電子向內層躍遷，產生的螢光。另一種是用特定光源去激發外層電子，並測量螢光。
  • 等離激元從固體到原子分子的演化圖像 | NSR
    研究者製備了原子數為100到70,000的金團簇，並測定其等離激元性質，構建出了等離激元物理從固態到原子分子演化過程的圖像。　　等離激元是納米光學的核心物理概念之一，其電子的集體行為體現了宏觀固體物理與原子分子物理的重要區別。因此，找到等離激元的界限，並研究其從宏觀到微觀的演化規律具有重要意義。