Biologie – Biochemie – Chemie

Präsentation zum Thema: "Biologie – Biochemie – Chemie"—  Präsentation transkript:

1 Biologie – Biochemie – Chemie
M. Kresken

2 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. M. Kresken

3 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… M. Kresken

4 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 M. Kresken

5 Leben „dynamisches Fließgleichgewicht“ (Zitat: Lehninger, Biochemie)
Der Organismus stellt kein „geschlossenes Reaktionsgefäß“ dar, sondern ist „im Fluss der Stoffe“ nach zwei Seiten offen: Nahrung + O2 → ▓ → CO2 + Abfallprodukte M. Kresken

6 Verflechtung der organischen Chemie
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7 Von der Zelle zum Atom M. Kresken

8 Größen 10 1 m (10 m) = mittlere Höhe von Bäumen
10 0 m (1 m) = Höhe eines Tisches 10 -1 m (1 dm) = Länge einer Hand 10 -2 m (1 cm) = Breite eines Fingernagels 10 -3 m (1 mm) = Durchmesser von Wassertropfen 10 -4 m (100 µm) = Dicke eines Haares 10 -5 m (10 µm) = Dicke von Blattgold 10 -6 m (1 µm) = Durchmesser von Bakterien 10 -7 m (100 nm) = Durchmesser von Viren 10 -9 m (1 nm) = Durchmesser von Molekülen m (100 pm) = Durchmesser des Wasserstoffatoms m = mittlerer Durchmesser von Atomkernen m = theoretischer Durchmesser des Elektrons M. Kresken

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

10 Chemische Zusammensetzung lebender Organismen Mensch versus Hefezelle
Bestandteile Beispiele g/100g Mensch (70 kg) Hefe- zelle Wasser 60 65 Stickstoffhaltige Verbindungen Nucleinsäuren, Nucleotide, Proteine, Peptide, Aminosäuren... 19 18 Fettstoffe (Lipide) Neutralfette, Phospolipide, Sterine, Carotinoide 15 0,5 Kohlenhydrate Polysaccharide, Mono-saccharide und Derivate 1 13 Anorganische Bestandteile (Mineralien) K+, Na+, Mg2+, Ca2+, Chlorid, Phosphat, Carbonat, Sulfat, Spurenelemente 5 3,5 M. Kresken

11 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 M. Kresken

12 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) M. Kresken

13 Aufbau einer Zelle M. Kresken

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

15 Intermediärstoffwechsel
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16 Grundlagen der Chemie M. Kresken

17 Aufbau der Atome M. Kresken

18 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 1911 Das Atom besteht aus einem winzigen, positiv geladenen Atomkern und der Atomhülle, in der sich kugelförmige Elektronen befinden. M. Kresken

19 Wichtige Elementarteilchen
Ladung Relative Masse Absolute Masse (in g) Elektron -1 (-e) 5 · 10-4 9,10 · 10-28 Proton +1 (+e) 1,0073 1,66 · 10-24 Neutron 0 (n) (elektrisch neutral) 1,0087 M. Kresken

20 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. M. Kresken

21 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 12C (6 n), 13C (7 n) und 14 C* (8 n) gemischt und weist die Atommasse 12,011 auf. M. Kresken

22 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. M. Kresken

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

24 Elektronenverteilung
Jede Schale kann maximal nur eine bestimmte Anzahl an Elektronen aufnehmen: Zahl der Elektronen = 2 x Schalennummer2 2 x 12 = 2, 2 x 22 = 8, 2 x 32 = 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. M. Kresken

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

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

27 Besetzung von Atomorbitalen M. Kresken

28 Periodensystem der Elemente
M. Kresken

29 Periodensystem der Elemente
M. Kresken

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

31 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 2 3 *Chlor kommt in der Natur mit zwei Atomarten (Nucliden) vor, die 18 bzw. 20 Neutronen neben jeweils 17 Protonen im Kern enthalten. M. Kresken

32 Periodensystem der Elemente
Edelgase: Bei den Edelgasen sind die äußersten Elektronenschalen voll besetzt: He 1s2, Ne 2s2 p6, Ar 3s2 p6 usw. Sie sind daher extrem reaktionsträge. M. Kresken

33 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) M. Kresken

34 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. M. Kresken

35 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. M. Kresken

36 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 - SO4 2- , Cr 3+ M. Kresken

37 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 M. Kresken

38 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. M. Kresken

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

40 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 CO2, SO2, NO2 M. Kresken