高一下期中化學複習

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1 生物化學 (Ch 19, 20.3)

1.1 生物分子

1.1.1 Macromolecule 生物大分子（生物分子中主要考試內容）

1. Protein（蛋白質）
   1. 結構特點polymer，其monomer爲amino acid（氨基酸）
   2. 功能：能量/結構/功能物質
   3. amino acid：由一個C連接着一個Carboxyl（羥基），Hydrogen Atom（H），Amino Group（氨基）和一個Variable sidechain（R）。因此它是carboxylic acids
   4. 通過Condensation reaction形成peptide bond（肽鍵）連接起來形成Protein
   5. 氨基酸的性質由R決定，不同的R有不同的性質（原因：Carboxyl和Amino Group都經過Condensation reaction被縮合掉了）。不同的amino acid連接起來有着不同的空間結構導致不同的protein有着不同的性質
   6. 共性：Denaturation（失活）：第三四級結構（空間結構）發生改變
   7. 大部分具有的性質（功能）： biological catalysts（催化）— enzymes（酶，一定是大分子）：蛋白質催化劑。
      1. 特點：具有很強的專一性，效率高，對環境要求苛刻。
      2. “鎖和鑰匙模型”。
      3. 重點詞語：substrate（底物）：被催化的對象；active site（活性部位）：substrate和enzyme結合的地方（鑰匙齒兒）
   8. 蛋白質作爲能量使用過程：蛋白質——拉直——水解——將amino group脫掉——呼吸作用
   9. 常見例子：
      1. protein: Hemoglobin（血紅蛋白）
      2. amino acid: Glycine (甘氨酸，結構最簡單)
2. Carbohydrate（糖類）
   1. 結構特點：每個碳原子上以2：1的比例鏈接H和O， 因此並非所有的saccharide（糖類）均爲carbohydrate
   2. 功能：結構/能量物質
   3. 分類：
      1. Monosaccharide（單糖）（不是生物大分子）：結構簡單，爲monomer，可以直接被人體吸收，如glucode（葡萄糖）、fructose（果糖）、ribose（核糖）和desoxyribose（脫氧核糖）。
      2. Disaccharide（二糖）（不是生物大分子）：由兩個monosaccharide結合而成（condensation reaction），如saccharose（蔗糖）
      3. polysaccharide（多糖）（生物大分子）：由多個monosaccharide結合而成，如strach（澱粉），glycogen（動物澱粉/糖原，動物體中主要儲存能量物質），cellulose（纖維素，但無法被人體吸收）。
3. Lipid（脂質）
   1. 沒有固定的結構特點，不是Carbohydrate/Protein/Nuclear acid的生物大分子的總稱。O少CH多（能量密度大）
   2. 功能：結構/能量/功能
   3. 常見脂質
      1. Triglyceride（fat）（甘油三脂）：脂肪的基本形式。形成過程爲Glycerol（甘油）+3 Fatty Acid（脂肪酸）經過condensation reaction變爲Triglycoride + 3H₂O，是ester（脂）。
      2. steroid（類固醇）（3個6C環和一個5C環）通過結合形成cholesterol（膽固醇），可以作爲信號分子（功能）
      3. phospholipid（磷脂）（phosphoric acid（磷酸）+ 2 fatty acid（脂肪酸），是細胞膜重要組成成分（磷脂雙分子層）
4. Nuclear acid（核酸）
   1. 結構特點：爲polymer，其monomer爲nucleotide（核苷酸）
   2. 功能：功能型結構（儲存遺傳信息）
   3. nucleotide：
      1. 結構特點：phosphate group（磷酸）+sugar（糖）+nitrogen-containing base（鹼性含氮殘片）。形成polymer時phosphate group中的OH和sugar中的H經過condensation reaction polymerization
      2. 常見的base有五種（AGCTU）
      3. 特異性結合：A-T（DNA）A-U（RNA）G-C（無論DNA還是RNA）

1.1.2 生物小分子

1. Vitamine（維他命）：有機，必須要有單生體無法合成只能通過喫才能獲得的物質。分爲兩類：water-soluble（水溶性，B/C）/fat-soluble（油溶性，A/D/K等）
2. coenzyme（輔酶）：有機，很多vitamine都是coenzyme。如NAD/FAD
3. 水和無機鹽

1.2 Respiration（呼吸作用） & Fermentation（發酵）

• 目的：將不能直接被生物所利用的能量變爲直接可以利用的能量（ATP）
  • ATP-其中一個P斷裂時方能爲細胞供能-ADP-充能（respiration/fermentation）

1.2.1 Respiration

1. 總反應方程：有機物+O₂ –> CO₂ + Energy + H₂O
2. 過程
   1. Glycolysis（糖酵解）：glucose（葡萄糖）-> 2 pyruvate（丙酮酸鹽），淨獲得 2ATP（2ATP將C₆H₁₂O₆展開弄成兩個pyruvate後“掰開”獲得4ATP）
   2. Krebs Cycle（克雷布斯循環）：pyruvate -> 3 CO₂, NAD⁺變爲NADH，FAD變爲FADH₂
   3. Electron transport chain（ETC）（電子傳遞鏈）： NADH在氧氣中變爲NAD⁺，FADH₂在氧氣中變爲FAD（類似於氫氣在氧氣中燃燒），產生近30個ATP，是生物體主要能量獲取來源
3. 特點： aerobic process（有氧），釋放大量能量，反應徹底（completely reaction）

1.2.2 Fermentation

1. 過程
   1. Glycolysis（糖酵解）：glucose（葡萄糖）-> 2 pyruvate（丙酮酸鹽），淨獲得 2ATP（2ATP將C₆H₁₂O₆展開弄成兩個pyruvate後“掰開”獲得4ATP）

      從能量合成方面到此爲止，但pyruvate有毒，需要將其變爲無毒物質，有以下兩種方式

     1.Lactin acid fermentation: 將pyruvate變爲lactin acid（乳酸），多有高等生物菌能進行）

     2. Alcoholic fermentation：將pyruvate變爲alcohol（酒精）+ CO₂，一部分原核生物進行。

2. 特點：anaerobic process（厭氧），釋放能量較少，反應不徹底，速度更快

1.2.3 兩者異同

1. 相同點：
   1. 目的相同：將glucose中的能量轉化爲ATP；
   2. 第一個stage（glycolysis）相同
2. 不同點：
   1. respiration：耗氧（aerobic），效率更高，但速度慢（進行一次respiration時間長）
   2. fermentation：厭氧（anaerobic），效率更低，但速度快（進行一次的fermentation時間短）

1.3 Photosynthesis（光合作用）

1. 目的：將太陽能（光能）轉化爲生物（化學）能
2. 總反應方程：CO₂+太陽能 -> glucose + O₂
3. 過程
   1. Light reaction（光反應）：準備ATP（ADP+P -> ATP），準備NADPH（NADP+ -> NADPH），氧氣爲副產物（具體過程瞭解即可不做重點考察）
      1. Photosynthesis II：光子將H₂O變爲H⁺, e^-（高能電子）, O。其中：O結合產生O₂做爲副產物， e^-（高能電子）給ADP充能（將ADP+P變爲ATP）變爲 e^-（低能電子）
      2. Photosynthesis I: 光子給 e^-（低能電子）充能，與H⁺, NADP⁺結合形成NADPH
   2. Calvin cycle（Dark reactionreaction）（開爾文循環/暗反應）：一次Calvin cycle形成1個高能量多電子三碳結構，完成兩次形成一個高能六碳結構（葡萄糖）。在此過程中，ATP->ADP+P（供能量），NADPH->NADP⁺（供電子）（具體過程瞭解即可不做重點考察）
      1. 三次【 CO₂ + C₅ -> C₆（不穩定）-> 2 C₃（低能量，少電子）-> 2 C₃（高能量，多電子，來自ATP和NADPH）】-> 6 C₃ -> C₃（高能產物） + 3 C₅（ATP變爲ADP+P）
4. 意義：光合作用是指物體能量的主要來源，像整個生態系統提供能量（因此說能量的最終來源是太陽能）
5. 重點詞彙：chloroplast（葉綠體，光合作用的場所），chlorophyll（葉綠素，一種物質，光合作用必須的催化劑）

2 元素化學 (Ch 8)

• 主要關注結論，原因瞭解即可。

2.1 Main group element（主族元素）

• 主要內容爲一個主族中的共性，具體的單個元素的細節不做重點考察，只是會考重點。但Na，Mg，Al氫氧化物鹼性強弱，碘的昇華將會重點考察，因爲做過相關實驗。

2.1.1 共性

1. Group 1（alkali metals，鹼金屬）: 最外層電子結構ns¹，常見價爲+1。除H外銀白色，有韌性，硬度較軟，反應活性強的元素（易失電子，金屬性強）。和水反應生成鹼性溶液，如：
   $$2Na(s) + 2H_2 O(l) → 2NaOH(aq) + H_2(g)$$
2. Group 2 (alkaline earth metal, 鹼土金屬): 最外層電子結構ns²，常見價爲+2.
3. Group 13: 最外層電子結構ns²np¹，常見價爲+3.
4. Group 14: 最外層電子結構ns²np²，較爲穩定，外圍半滿，更傾向於與其他原子共享電子而非得失電子.常見價爲+4，較少見也有-4，理論上氧化數可從+4到-4。
5. Group 15: 最外層電子結構ns²np³，理論上氧化數可從+5到-3
6. Group 16: 最外層電子結構ns²np⁴，常見價爲-2，有時候也有+6，理論上氧化數可從+6到-2
7. Group 17 (hylogenes，鹵族元素)：最外層電子結構ns²np⁵，常見價爲-1，理論上氧化數可從-1到+7。均具有一定的可溶性，具有極強的奪電子能力。
   1. X₂都具有oxidizing properties（氧化性，奪電子的能力），並且按照從上往下氧化性越弱（shelding effect）。電子吸引力的遞變
   2. HX均爲酸，且酸性越來越強（因爲均爲covalent bond，長度越長、力越小，更容易釋放H）。原子尺度的遞變
   3. AgX既不溶於水也不溶於算，溶解性逐漸下降（分子極性減弱，化學鍵從ironic bond變爲covalent bond）。EN值的遞變（化學鍵的遞變）
8. Group 18（noble gases，惰性氣體）：最外層電子結構ns²np⁶，結構穩定，通常不反應，作爲保護氣

2.1.2 遞變性

	得失電子	EN值	金屬性	原子大小
從左往右	得電子能力增加	增加	減小	減小
從右往左	得電子能力減弱	見效	增加	增加

• 離子半徑：陽離子小，陰離子大（陽離子比原原子少一層電子，陰離子比原原子增加電子，斥力增加）
• 氫氧化物酸鹼性：金屬性越強越鹼，非金屬性越強越酸（金屬性越強，失電子能力越強，越容易釋放OH而不是H）

2.1.3 Na，Mg，Al氫氧化物鹼性強弱

• 因爲鹼性強弱和金屬性有關，金屬性越強鹼性越強，而金屬性強代表易失電子

2.2 Transition elements（過渡元素）

1. 總體而言熔點比主族元素熔點高（period 12除外）（填充內層電子，相互吸引力強，大概在第五/六個時最強（電子自旋））
2. 原子半徑同樣從左向右逐漸減小，但是減小的幅度小於主族中的趨勢，因爲填充內層軌道會增加斥力對外層斥力
3. 三組特別的過渡元素
   1. iron triad：鐵鈷鎳，熔點高硬度大具有磁性（也被叫做黑色金屬）
   2. platinum group（鉑族元素）：iron triad下面兩行共六個元素。稀有，可以作爲催化劑，貴金屬。
   3. coinage elements：銅銀金，化學性質相對穩定

2.3 Inner-transition elements（內過渡元素）

1. 曾經被稱爲稀土元素，從f層還是填充電子

3 熱學計算 (Ch 10, 11)

3.1 The Kinetic Theroy of Matter（熱動理論）

3.1.1 Physical Behavior of Matter （物質的物理行爲）

1. Brownian motion（布朗運動）：微小的物體連續無規則運動的物理現象。注意和分子熱運動進行區分，描述對象並非微觀粒子，是微笑的宏觀例子。原因是因爲物體越小，物體被旁邊分子進行無規則運動撞擊越明顯（周圍的分子更有可能同時像一個方向對該物體撞擊）。

2. Solid（固體，尤指晶體）運動模型：粒子間相對結構單元固定，每一個微觀粒子都有相對確定的位置，導致宏觀上有確定的形狀。這個結構單元被稱之爲crystall lattice（晶格）。晶格模型

3. liquid（液體）運動模型：微觀可移動位置導致宏觀無形狀，但哦有相對確切的體積。可移位盡在液體濺，液體邊界分子出液體需要較大能量，不容易出去（evaporation（蒸發）爲宏觀現象，但效率低）。磁球模型

4. gas（氣體）運動模型：具有流動性，無確切體積，分子間相互作用力無法約束，動能很強。

   1. ideal gas model（理想氣體模型）–不黏不佔（不是具體的氣體，只是一種模型）
      1. 分子間是elastic collision（彈性碰撞），無能量損耗（要求：分子間吸引力幾乎忽略不計，不黏）。
      2. 氣體分子體積本身忽略不計（不佔）。
   2. 氣體壓強：氣體無規則持續撞擊容器壁

5. 其他物質的運動模型

   1. Amorphous solid（非晶體）：晶格不完整或排列不整齊（如：玻璃）。微觀無序導致宏觀無確切熔點。

   2. liquid crystals （液晶）：微觀粒子某些唯獨被束縛，某些沒有。晶格在形成是一邊或兩邊被拉伸，常見爲長方形或紡錘形，多用在電子顯示屏。

   3. plasma（等離子體）：離子化的氣體（ionized gas），帶電，可以導電。

3.1.2 Energy and Changes of state（能量和物態變化）

1. 溫度衡量一個物體的平均動能，呈正比例關係，溫度越高，平均動能越大
2. 溫度最低爲0K，K爲Kalvin scale（開爾文溫度）。0K爲絕對零度，-273.15攝氏度。換算方法：
   $$ T/K = T/^{\circ}C+273.15 $$
3. 分子動能和質量/溫度有關（稀薄時主要看溫度，稠密時主要看質量），質量/溫度越高，分子動能越大。相同溫度下微觀粒子平均動能相同，但是速率不同（因爲分子質量不同）。
4. 物態變化
   1. evaporation（蒸發）:在液體表面
      1. 有關因素
         1. 增加液體溫度，表面分子有足夠的動能能夠脫離分子間相互作用力（因此溫度越高動能增加，高於逃逸速度離子數量增加，更容易蒸發）增比例
         2. 增加表面積，粒子數量增加，同比例下滿足粒子增加 增基數
         3. 表面速度升高，避免蒸發過後的氣體分子無規則運動（液化）會液體（用乾燥的風吹）
      2. vapor pressure（蒸氣壓）：蒸發和液化達到平衡時氣體的壓強。同種液體，溫度越高，蒸氣壓越大。
      3. Boiling Point（沸點）：液體的vapor pressure與其表面所受到的壓力大小相等時的溫度。蒸氣壓超過大氣壓導致企業不平衡導致沸騰。
         1. 增加外界壓力，需要更高的蒸氣壓才能超過，非典增高。
         2. 水中增加鹽等雜質，覆蓋在氣液界面上，有想面基降低，蒸發速率減小，蒸氣壓減小，升到100攝氏度時無法超過1atm，沸點升高。
   2. sublimation（昇華）：固體表面的粒子不需融化直接飛出來形成氣體的過程（如碘）
   3. condensation（液化）：氣體的粒子間距離縮小從而聚在一起形成液體的過程。汽化反過程。
   4. deposition（凝華）：凝華是氣體的粒子間距離縮得極小從而聚在一起形成固體的過程。昇華的反過程。

3.2 Gas

3.2.1 Gas pressure（大氣壓強）

1. 氣體壓強成因：氣體粒子無規則運動持續撞擊容器壁造成壓強，和溫度和氣體粒子數量有關。
2. 測量方法：Barometer（水銀壓力計）和Pressure gauge（氣壓閥）。Pressure gauge測量的是相對氣壓，abolute pressure爲the gauge pressure+the barometric pressure（大氣壓+示數）
3. 常見單位：1 atm = 101.3 kPa = 760 mmHg = 14.7 psi（磅/平方英寸，該單位不考）

3.2.2 Gas Law

• 氣體狀態參數：表叔氣體某一方面的參數，如溫度。無法單獨改變，總是協同改變

1. Boyle's Law（波義耳定律）：氣壓和體積成反比。溫度不變時，氣壓越大，體積越小

$$ (pV)_{T,n}=C(T,n)$$

2. Charles's Law（查爾斯定律）：溫度和體積成正比。氣壓不變時，溫度越高，體積越大

$$(\frac{V}{T})_{P,n}=C(P,n)$$

3. Combined Gas Law（結合氣體定律）：Boyle’s Law和 Charles’s Law的結合

$$(\frac{pV}{T})_n=C(n)$$

4. The Law of Combining Gas Volumes（氣體化合體積定律）：體積與分子總量成正比。等溫等壓，增加氣體分子個數，氣體體積增加。$$(\frac{V}{n})_{T,p}=C(T,p)$$

   1. Standard tempreture and pressure(STP): 0攝氏度（273.17K）+1atm
   2. Avogadro's principle（阿伏伽德羅定律）：等溫等壓下，氣體體積一定，分子個數也一定

5. Ideal Gas Law（理想氣體定律）

$$pV=nRT$$，其中R爲氣體常數，等於阿伏伽德羅常數乘波爾茲曼常數

3.3 化學計量學計算

1. mole（摩爾）：數量單位，爲6.02*10²³。1g=6.02*10²³amu
2. molar mass（摩爾質量）：一摩爾純淨的該物質的質量
3. amount of substance（物質的量）：$$ n=\frac{m}{M}$$，其中n爲amount of substance，m爲mass（質量，單位爲g），M爲molar mass（摩爾質量，單位爲g·mol^-1
4. molar volume（摩爾體積）：在STP下任何氣體體積爲22.4L
5. 理論產值和實際產值：$$precent\ yield = (\frac{Actual\ yield}{Theoretical\ yield})\times 100%$$

3.3.1 計算格式要求

1. 列原理公式(首先列出使用的公式)
2. 列方程(根據題目要求的條件列出符合題目的方程)
3. 解方程(找出方程中需要求的未知量，字母運算把它先解出來)
4. 代數據(根據解出來的方程帶單位代入數據)
5. 出單位(根據代入的量的單位，先推出最終結果的單位)
6. 出答案(根據代入的量的數值，算出最終的答案，注意單位換算時的數值變化，結尾保留兩位小數(在高一)一定對)