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Biomoleküle und Zelle (Subject) / Chemie des Lebens (Lesson)
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- Was ist Materie? -beansprucht Raum und besitzt eine Masse -besteht aus Elementarteilchen, die sich zu chemischen Elementen zusammensetzen -besteht aus chemischen Elementen, die in reiner Form oder in Form chemischer Verbindungen vorkommen
- chemisches Element Reinsubstanz, die aus Atomen mit dem gleichen chemischen Verhalten besteht kann durch chemische Umsetzungen nicht weiter zerlegt werden besteht aus Neutronen, Elektronen und Protonen
- chemische Verbindung -ist ein Stoff aus zwei oder mehr Elementen in einem bestimmten Teilchenzahlverhältnis -hat Eigenschaften, die die daran beteiligten Elemente für sich so nicht aufweisen (Emergenz)
- Beispiel Emergenz Metall Na + giftiges Gas Cl = essbares Salz NaCl
- Diese Elemente machen 96,3 % der Körpermasse eines Menschen aus: Sauerstoff O Kohlenstoff C Wasserstoff H Stickstoff N
- restliche Elemente im Körper? Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg
- Atom die kleinste, chemisch nicht weiter teilbare Materieeinheit, die noch die Eigenschaften eines chemischen Elementes hervorbringt
- Elementarteilchen oder subatomaren Teilchen – Protonen (positive Ladung) – Neutronen (ohne elektrische Ladung, neutral) – Elektronen (negative Ladung)
- Masse Proton/Neutron: Masse Elektron: 1,67 x 10-24 Gramm (g) ∼ 1 u bzw. 1 Dalton (Da) 9,10938 x 10-28 Gramm (g) ∼ 0.00055 Dalton (Da)
- Was bewirken Protonen und Neutronen Die Anzahl der Protonen und Neutronen bestimmt die (kern)physikalischen Eigenschaften eines Elementes
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- Was bewirken Elektronen Die Struktur der Elektronen (Elektronenhülle) bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Elementes
- Unterschied Atome der verschiedenen Elemente Die Atome der verschiedenen Elemente unterscheiden sich in der Anzahl ihrer subatomaren Teilchen
- Ordnungszahl Massenzahl Anzahl der Neutronen Anzahl der Protonen im Kern Summe der Protonen und Neutronen Massenzahl - Ordnungszahl
- Isotope des Wasserstoff mit 0 Neutronen 1 Neutron 2 Neutronen Wasserstoff Deuterium Tritium
- Isotope sich in ihrer Masse unterscheidende Atome ein und desselben Elements, da: Atome eines Elements haben dieselbe Protonenanzahl, während die Neutronenanzahl variabel sein kann Verhalten sich bei chemischen Reaktionen fast immer identisch
- Nuklid “Atomart” mit definierter Neutronenzahl
- Radioaktive (instabile) Isotope: zerfallen spontan und setzen dabei subatomare Teilchen und Energie frei
- Anwendung von Isotope in der Biologie a. nicht-radioaktive (stabile) Isotope z.B. Markierung von Molekülen mit 2H, 13C, 15N b. radioaktive (instabile) Isotope z.B. Markierung von Molekülen (3H), Bestimmung des Alters von Fossilien (14C), Krankheitsdiagnostik
- Elektron und dessen Energie Energie ist definiert als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten Potenzielle Energie (Lageenergie) ist jene Energie, die Materie aufgrund ihrer Lage im Raum oder als Folge ihrer Struktur besitzt Die Elektronen eines Atoms können unterschiedliche potenzielle Energien besitzen Elektronen besetzen in Atomen festgelegte Energieniveaus (entspricht Entfernung vom Atomkern) → Elektronen sind in unterschiedlichen Elektronenschalen angeordnet Elektronen springen bei absorbierter energie auf nächstes Niveau und bei Energieabgabe in den Grundzustand
- Das chemische Verhalten eines Atoms · Das chemische Verhalten eines Atoms wird von der Verteilung der Elektronen in seinen Elektronenschalen (Elektronenkonfigurationen) bestimmt · Das chemische Verhalten eines Atoms hängt in erster Linie von der Zahl der Elektronen (Valenzelektronen) in der Valenzschale (äußerste besetzte Elektronenschale) ab · Atome mit gleicher Anzahl an Valenzelektronen verhalten sich in chemischen Reaktionen ähnlich · Ein Atom mit voll besetzter Valenzschale ist unreaktiv (Edelgase)
- Orbitale · Orbitale sind dreidimensionale Räume, in denen sich ein Elektron mit einer definierten, hohen Wahrscheinlichkeit (> 90%) aufhält · Jede Elektronenschale eines Atoms hat ein definiertes Energieniveau mit einer festen Anzahl von Orbitalen unterschiedlicher Form und Ausrichtung im Raum · Jedes Orbital kann maximal zwei Elektronen aufnehmen 1. Schale: rundes 1s-Orbital 2. Schale: rundes 2s-Orbital & 3 hantelförmige 2p-Orbitale
- Molekül Ein Molekül besteht aus zwei oder mehr Atomen, die durch kovalente Bindungen verknüpft sind. Dabei kann es aus gleichen oder verschiedenartigen Atomen aufgebaut sein Kleinstes Teilchen, das die Eigenschaften des zugrundeliegenden Stoffes hat.
- Wechselwirkung zwischen Atomen Atome mit unvollständig besetzten Valenzschalen können mit anderen Atomen (ungepaarte) Valenzelektronen teilen oder austauschen, so dass ihre Valenzschalen komplettiert werden (Oktett-Regel) · Durch diese Wechselwirkungen kommt es zu Anziehungskräften (chemische Bindungen) zwischen den Atomen, die dadurch zusammengehalten werden
- chemische Bindungen Anziehungskräfte der kleinsten Teilchen (Atome, Anionen, Kationen oder Moleküle) in chemischen Stoffen. Es gibt starke und schwache Bindungen stärkste Bindungen: Kovalenzbindungen und Ionenbindungen andere Bindungen: · Wasserstoffbrückenbindung · Hydrophobe Wechselwirkung · Van-der-Waals-Kräfte
- Edelgaszustand Vollständige Besetzung der Außenschale eines Atoms
- Oktettregel/Edelgasregel: Streben der Atome nach einer voll besetzten Außenschale durch Aufnahme oder Abgabe bzw. gemeinsamer Nutzung von Außenelektronen → Edelgaskonfiguration
- Kovalente Bindung · Gemeinschaftliche “Nutzung” mindestens eines Valenzelektronenpaares durch zwei Atome (bindendes Elektronenpaar) · Eine der stärksten Form chemischer Bindungen · Bindungspartner: v.a. zwischen Nichtmetallen · Zwei oder mehr Atome, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden bezeichnet man als Molekül
- Einfachbindung: Ein bindendes Elektronenpaar (drehbar)
- Zwei- bzw. Mehrfachbindung: gemeinsame Nutzung von zwei oder mehr Valenzelektronenpaare (nicht drehbar)
- Valenzstrichformel: Einfach besetzte Orbitale werden durch einen Punkt, doppelt besetzte durch einen Strich gekennzeichnet, Punkte und Striche werden rechtwinkelig um das Elementsymbol angeordnet
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- Summen- bzw. Molekülformel: gibt die atommengenmäßige (stöchiometrische) Zusammensetzung einer chemischen Verbindung bzw. Moleküls an (z.B.: NaCl, H2, O2, CH4)
- Elektronegativität (EN) ist das Bestreben eines Atoms, in einer chemischen Bindung die Elektronen in den Bereich des Atomkerns zu ziehen
- unpolare Kovalenzbindung polare Kovalenzbindung zwischen Atomen mit geringem Unterschied in ihrer EN zwischen Atomen mit hohem Unterschied in ihrer EN
- polare kovalente Bindung Bsp.: H2O O ist elekrtronegativer ---> Elektronen ziehen zu O (Bindung ist polarisiert) ----> negative Teiladung in O und positive Teiladung in H
- Ionenbindung Großer Unterschied in der Elektronenanziehung => elektronegativeres Atom zieht Elektron(en) vollständig von seinem Reaktionspartner ab besitzt Kationen und Anionen Verbindungen bezeichnet man als Salze
- Ion: Atom oder Molekül mit ein oder mehreren Nettoladungen
- Kation positiv geladenes Ion
- Anion negativ geladenes Ion
- Wasserstoffbrückenbindung · Ein Wasserstoffatom, das kovalent an ein elektro- negativeres Atom gebunden ist hat eine positive Partialladung (δ+), der Bindungspartner hat eine negative Partialladung (δ-) → Dipol · Elektrostatischen Kräfte zwischen Dipolen => Ausrichtung und gegenseitigen Anziehung der Dipole → Wasserstoffbrücke · Schwache chemische Bindung · In Biomolekülen sind die elektronegativeren Atome meist Sauerstoff- oder Stickstoffatome
- Löslichkeit von Salzen in Wasser (hydratisieren) Wassermoleküle lagern unter der Bildung von Hydraten an gelöste Ionen → Ion-Dipol-Wechselwirkung
- Bindigkeit: Zahl der zum Erreichen einer vollständig gefüllten Valenzschale erforderlichen Elektronen