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1M. Kresken Biologie – Biochemie – Chemie. 2M. Kresken Biologie Naturwissenschaft, die sich mit den lebenden Wesen, d.h. Mensch (Anthropologie), Tier.

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1 1M. Kresken Biologie – Biochemie – Chemie

2 2M. Kresken Biologie Naturwissenschaft, die sich mit den lebenden Wesen, d.h. Mensch (Anthropologie), Tier (Zoologie), Pflanze (Botanik) und Mikroorganismus (Mikrobiologie) sowie mit ihrem Stoffwechsel und ihrem Verhalten auf Reize, beschäftigt.

3 3M. Kresken Chemie Naturwissenschaft, die sich mit Substanzen und ihren Eigenschaften sowie mit Substanzveränderungen befasst: Analysen und Synthesen, Strukturaufklärung, Reaktionen… Anorganische Chemie, Organische Chemie, Physikalische Chemie, Lebensmittelchemie, Petrochemie, Technische Chemie, Umweltchemie…

4 4M. Kresken Biochemie Lehre von den chemischen Vorgängen bei der Atmung, Verdauung, Fortpflanzung, Bewegung... in Lebewesen Untersucht den chemischen Aufbau und die Stoffwechselvorgänge in pflanzlichen, tierischen und menschlichen Zellen

5 5M. Kresken Leben dynamisches Fließgleichgewicht (Zitat: Lehninger, Biochemie) Der Organismus stellt kein geschlossenes Reaktionsgefäß dar, sondern ist im Fluss der Stoffe nach zwei Seiten offen: Nahrung + O 2 CO 2 + Abfallprodukte

6 6M. Kresken Verflechtung der organischen Chemie

7 7M. Kresken Von der Zelle zum Atom

8 8M. Kresken Größen 10 1 m (10 m) = mittlere Höhe von Bäumen 10 0 m (1 m) = Höhe eines Tisches m (1 dm) = Länge einer Hand m (1 cm) = Breite eines Fingernagels m (1 mm) = Durchmesser von Wassertropfen m (100 µm) = Dicke eines Haares m (10 µm) = Dicke von Blattgold m (1 µm) = Durchmesser von Bakterien m (100 nm) = Durchmesser von Viren m (1 nm) = Durchmesser von Molekülen m (100 pm) = Durchmesser des Wasserstoffatoms m = mittlerer Durchmesser von Atomkernen m = theoretischer Durchmesser des Elektrons

9 9M. Kresken Größen 1 Å ( m) = Durchmesser des Wasserstoffatoms Å (10 -6 m) = Durchmesser von Bakterien

10 10M. Kresken Chemische Zusammensetzung lebender Organismen Mensch versus Hefezelle BestandteileBeispiele g/100g Mensch (70 kg) Hefe- zelle Wasser6065 Stickstoffhaltige Verbindungen Nucleinsäuren, Nucleotide, Proteine, Peptide, Aminosäuren Fettstoffe (Lipide) Neutralfette, Phospolipide, Sterine, Carotinoide 150,5 Kohlenhydrate Polysaccharide, Mono- saccharide und Derivate 113 Anorganische Bestandteile (Mineralien) K +, Na +, Mg 2+, Ca 2+, Chlorid, Phosphat, Carbonat, Sulfat, Spurenelemente 53,5

11 11M. Kresken Biologisch wichtige Elemente Von 81 Elementen kommen 15 bei allen Lebewesen vor 8-10 weitere Elemente kommen nur in bestimmten Organismen vor. Massenanteil wichtiger Hauptgruppenelemente im menschlichen Körper * *Spurenelemente: Eisen, Zink, Kupfer, Cobalt, Mangan, Iod, Selen

12 12M. Kresken Biologisch wichtige Elemente Über 99% der Atome im tierischen Organismus entfallen auf nur vier Elemente: Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N). Diese Atome sind auch Hauptbestandteile der organischen Verbindungen. Viele Biomoleküle enthalten zusätzlich Schwefel (S) oder Phosphor (P)

13 13M. Kresken Aufbau einer Zelle

14 14M. Kresken Strukturhierarchie in der molekularen Organisation der Zelle (Bsp. Pflanzenzelle)

15 15M. Kresken Intermediärstoffwechsel

16 16M. Kresken Grundlagen der Chemie

17 17M. Kresken Aufbau der Atome

18 18M. Kresken Aufbau der Atome Die Eigenschaften aller Stoffe gehen auf die Struktur und die Anordnung der kleinsten Teilchen zurück, aus dem diese Stoffe bestehen. Die kleinsten Teilchen, die chemisch zugänglich sind, sind Atome. griechisch atomos: unteilbar Daltons Atommodell 1808: Atome werden als winzig kleine Kugeln betrachtet. Mit physikalischen Methoden können Atome weiter zerlegt werden. Rutherfordsche Streuversuche: Kern-Hülle-Modell Das Atom besteht aus einem winzigen, positiv geladenen Atomkern und der Atomhülle, in der sich kugelförmige Elektronen befinden.

19 19M. Kresken Wichtige Elementarteilchen Ladung Relative Masse Absolute Masse (in g) Elektron-1 (-e)5 · ,10 · Proton+1 (+e)1,00731,66 · Neutron 0 (n) (elektrisch neutral) 1,00871,66 ·

20 20M. Kresken Aufbau der Atome Die Protonen und Neutronen im Atomkern werden durch starke Kräfte, den Kernkräften zusammengehalten. In verhältnismäßig großen Atomkernen wie Uran und Radium reichen die Kernkräfte nicht aus und der Kern hat das Bestreben diese Anordnung zu ändern. Die Atomkerne zerfallen, sie gehen in eine energetisch günstigere, stabilere Form über. Dabei wird meist Energie frei, die den Kern verlässt und als radioaktive Strahlung nachweisbar ist.

21 21M. Kresken Aufbau der Atome Isotope: Atomsorten eines Elementes mit gleicher Protonen-Anzahl, jedoch unterschiedlicher Neutronen- Anzahl (Nuclide) -griechisch iso: gleich, topo: Ort Natürlicher Kohlenstoff (6 Protonen) ist aus 12 C (6 n), 13 C (7 n) und 14 C* (8 n) gemischt und weist die Atommasse 12,011 auf.

22 22M. Kresken Elektronenhülle Die Wechselwirkungen zwischen Atomen beruhen auf Wechselwirkungen zwischen ihren Elektronenhüllen. Die Zahl, die räumliche Anordnung und die Energie der Elektronen in der Atomhülle prägen das chemische Verhalten, die chemischen Eigenschaften der Stoffe.

23 23M. Kresken Elektronenhülle Bohrsches Atommodell von 1913: Elektronen als punktförmige Ladungen umkreisen den Atomkern in bestimmten dünnen Schichten (Schalen)

24 24M. Kresken Elektronenverteilung Jede Schale kann maximal nur eine bestimmte Anzahl an Elektronen aufnehmen: -Zahl der Elektronen = 2 x Schalennummer 2 -2 x 1 2 = 2, 2 x 2 2 = 8, 2 x 3 2 = 18 usw. Die Besetzung der Schalen mit Elektronen erfolgt von innen nach außen. Jede Schale entspricht einer bestimmten Energiestufe. Die innerste Schale weist die niedrigste Energie auf.

25 25M. Kresken Darstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte der ersten (2 Elektronen) und zweiten (8 Elektronen) Elektronenschale Atomorbitale sind Elektronen-Wellenfunktionen

26 26M. Kresken Reihenfolge der Besetzung von Atomorbitalen Schale K L M N O P Q

27 27M. Kresken Besetzung von Atomorbitalen

28 28M. Kresken Periodensystem der Elemente

29 29M. Kresken Periodensystem der Elemente

30 30M. Kresken Ordnungsprinzip der Elemente: Periode Gruppe I - VIII Es gibt 8 Hauptgruppen & 8 Nebengruppen (Übergangselemente)

31 31M. Kresken Periodensystem der Elemente (alte Nomenklatur) Ordnungszahl: Anzahl der Protonen bzw. Anzahl der Elektronen Nucleonenzahl (Massenzahl): Anzahl der Protonen plus Anzahl der Neutronen* Hauptgruppennummer: Anzahl der Außenelektronen Periodennummer: Anzahl der besetzten Schalen *Chlor kommt in der Natur mit zwei Atomarten (Nucliden) vor, die 18 bzw. 20 Neutronen neben jeweils 17 Protonen im Kern enthalten. 2 3

32 32M. Kresken Periodensystem der Elemente Edelgase: Bei den Edelgasen sind die äußersten Elektronenschalen voll besetzt: He 1s 2, Ne 2s 2 p 6, Ar 3s 2 p 6 usw. Sie sind daher extrem reaktionsträge.

33 33M. Kresken Periodensystem der Elemente (alte Nomenklatur) Biochemisch wichtige Hauptgruppenelemente sind -1. Gruppe: Wasserstoff (H), Natrium (Na), Kalium (K) -2. Gruppe: Magnesium (Mg), Calcium (Ca) -4. Gruppe: Kohlenstoff (C) -5. Gruppe: Stickstoff (N), Phosphor (P) -6. Gruppe: Sauerstoff (O), Schwefel (S) -7. Gruppe: Fluor (F), Chlor (Cl), Iod (I) Biochemisch wichtige Nebengruppenelemente sind -Eisen (Fe), Cobalt (Co), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Mangan (Mn)

34 34M. Kresken Valenzelektronenzahl Die Elektronen in der äußersten Schale der Elemente sind für ihre chemischen und z. T. physikalischen Eigenschaften verantwortlich. Mit Hilfe dieser Elektronen können Elemente verknüpft werden, d.h. Bindungen (Valenzen) ausbildet werden. Man nennt diese Außenelektronen auch Valenzelektronen. Die Valenzelektronen bestimmen somit das chemische Verhalten der Elemente.

35 35M. Kresken Oxidationsstufen Wird einem neutralen chemischen Element ein Valenzelektron entrissen, wird es einfach positiv geladen. -Es entsteht ein einwertiges Kation. -Das Element wird oxidiert, seine Oxidationsstufe ist +1. Die Oxidationszahl -1 erhält man, wenn einem neutralen Element ein Valenzelektron zusätzlich hinzugefügt wird. -Es entsteht ein Anion.

36 36M. Kresken Ionen Als Ionen bezeichnet man geladene Teilchen (Atome, Moleküle): -Ionen mit Elektronenmangel sind Kationen, -Ionen mit Elektronenüberschuss sind Anionen. Die jeweilige Ladung wird mit dem entsprechenden Vorzeichen oben rechts an dem Element, Molekül etc. angegeben, z.B. Cl - SO ,,Cr 3+

37 37M. Kresken Metalle und Nichtmetalle Die meisten Elemente sind Metalle. Metalle haben hohe elektrische Leitfähigkeit, metallischen Glanz, kleine Elektronegativitäten, Ionisierungspotentiale und Elektronenaffinitäten. -Sie können in Säuren den Wasserstoff ersetzen und Oxide bilden. -Innerhalb einer Gruppe nimmt der metallische Charakter von oben nach unten zu. -Innerhalb einer Periode nimmt der metallische Charakter von links nach rechts ab. -Eine Trennungslinie bilden die sogenannten Halbmetalle B, Si, Ge, As, Te

38 38M. Kresken Metalle und Nichtmetalle (alte Nomenklatur) Die Metalle der 1. Gruppe werden auch Alkalimetalle genannt. Die Metalle der 2. Gruppe werden auch Erdalkalimetalle genannt. Die Elemente der 6. Gruppe sind die sogenannten Chalkogene. Die Elemente der 7. Gruppe sind die sogenannten Halogene. In der 8. Gruppe stehen die Edelgase.

39 39M. Kresken Ordnungsprinzip der Elemente: Periode Gruppe I - VIII Es gibt 8 Hauptgruppen & 8 Nebengruppen (Übergangselemente)

40 40M. Kresken Metalle und Nichtmetalle Nichtmetalle stehen mit Ausnahme des Wasserstoffs im Periodensystem eine bis vier Positionen vor einem Edelgas. -Sie haben relativ hohe Ionisierungspotentiale, relativ große Elektronenaffinitäten (für die einwertigen Anionen) und große Elektronegativitätswerte (außer den Edelgasen). -Sie können untereinander typisch kovalente Verbindungen bilden wie CO 2, SO 2, NO 2


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