第1节：化学元素

化学元素

化学是生命科学的基础。生物体可以被看作是化学工厂，每秒钟都在进行无数的反应，只是为了维持生命。因此，为了研究生命的构成要素，我们首先需要了解一些基本的化学知识。

本节将向你简要介绍与生物有关的元素、原子结构、同位素和电子壳。

重要元素

周期表中有一百多种化学元素，但只有相对较少的元素与生物学高度相关。

大多数生物体的质量中约有98%是由这六种元素组成的，这些元素以红色显示：氢（H）、碳（C）、氮（N）、氧（O）、磷（P）和硫（S）。另一个显示为黄色的元素子集，其数量较少，但仍然非常重要。这些元素包括钾（K）、钙（Ca）、钠（Na）、氯（Cl）和镁（Mg），等等。

原子的一般结构

原子由三种类型的粒子组成：带负电的电子、带正电的质子和不带电的中子。原子核由质子和中子组成，而电子位于原子核周围。例如，一个碳原子（C）有6个质子、6个中子和6个电子，因此整体呈电中性。原子序数（6）与质子数有关，这最终决定了该元素。原子质量为12.011，主要是由于12个核内粒子，而电子对总质量的贡献不大。

这种对原子的典型描述是一种简化，而且根本不符合比例。这些轨道可以被认为是不同的能级。另外，与质子和中子相比，电子是很小的，但原子的电子层，即电子所在的区域，是巨大的。如果一个原子核有针头那么大，那么壳就会像大教堂一样大。尽管如此，这个简化的模型还是非常有用，而且足够复杂，可以让我们向前迈进。

同位素

正如我们之前学到的，质子的数量决定了元素的性质。然而，有时一个元素可以有不同中子数的版本。这些版本被称为同位素。

氢（H或¹H）具有最简单的原子结构，只由一个质子和一个电子组成。氘（²H）和氚（³H）是氢的同位素，核内有额外的中子。同位素通常是不稳定的，导致其原子核衰变并在此过程中发出辐射。

电子层

每种元素特有的电子数决定了不同元素在化学反应中的行为方式，而化学反应涉及电子相互作用的变化。

电子位于原子核周围的不同电子层。最内层最多可容纳两个电子，下一层可容纳八个电子，第三层最多可容纳18个电子。任何原子的最外层称为价电子层，它与化学相互作用最相关。

在电子层内，电子会在所谓的轨道中成对分布。原子倾向于让某一层中的轨道尽可能被电子对填满，以达到更稳定的状态，这也正是元素具有反应性的原因。以氧为例，它需要再获得2个电子才能填满其价电子层中的轨道。硫虽然有第三电子层，同样还需要2个电子；而碳与硅类似，需要4个电子。

下一节我们将看看化学键是如何形成的。