Chemie Die Zentrale Basiswissenschaft
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- Nicole Dresdner
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1 Peter Kroneck, Fachbereich Biologie hemie Die Zentrale Basiswissenschaft Von links: Elementarer Schwefel (S 8 ); Pyrit (Katzengold, FeS 2 ); Aminosäure ystein (ys); Protein/Enzym (u itrit Reduktase; Katalysator); Konservierung von Energie (Knut 2006) Unsere Welt ist aus chemischen Elementen (Atome, Moleküle) aufgebaut. Atome und Moleküle reagieren miteinander unter Bildung neuer Moleküle: ; ;2Fe S FeS Die chemische Reaktion wird durch die Stöchiometrie (hemische Grundgesetze) beschrieben. Entscheidend für den Ablauf sind Thermodynamik (Energie) und Kinetik (Geschwindigkeit). Beispiel für eine energetisch günstige, chemische Reaktion: FeS + 2 S FeS 2 (Eisenpyrit) + 2 ΔG = -38 kj/mol Elemente (z.b. Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel) unterliegen biogeochemischen Kreisläufen auf unserer Erde.
2 EMIE Eine Einführung (1) Zusammensetzung der Materie: hemische und physikalische Analyse (2) harakterisierung der Materie: hemische und physikalische Eigenschaften, Struktur (3) Umwandlung von Materie: hemische Reaktionen Skript von J. artig und. G. Müller, FB hemie, Uni K
3 Stoffkreisläufe hemische Reaktionen Stoff-Wechsel: Alle rganismen setzen verschiedene Stoffe ineinander um = hemische Reaktion (Edukte/Produkte/hemische Gleichung). A Rück in B Stoffwechselwege bilden global geschlossene Kreisläufe, da sich sonst Intermediate anreichern würden. (Je mehr die Menge eines Intermediats ansteigt, desto vorteilhafter wird es als Substrat für rganismen: In erdgeschichtlichen Zeiträumen wird sich ein Stoffwechselweg entwickeln, der dieses Substrat umsetzt). Solche Stoffkreisläufe können nach verschiedenen Gesichtspunkten aufgestellt und geordnet werden, z.b. nach den hemischen Elementen.
4 Das Periodensystem der Elemente
5 Das Periodensystem der Elemente Biologisch Essentielle Elemente Periode e Li Be B F e Li Be B F e e Gruppe a Mg K a Sc Rb Sr Y s Ba Lu Al Si P Ti V r Mn Fe o i u Zn Ga Ge As Zr b Mo Tc* Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb f Ta W Re s Ir Pt Au g Tl Pb Bi S l Ar Se Br Kr Te I Xe Po* At* Rn* Fr* Ra* Lr* Rf* Db* Sg* Bh* s* Mt* Ds* Rg* Uub* a Mg Al Si P S l Ar K a Sc Ti V r Mn Fe o i u Zn Ga Ge As Se Br Kr La e Pr d Pm* Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Ac* Th* Pa* U* p* Pu* Am* m* Bk* f* Es* Fm* Md* o* Rb Sr Y Zr b Mo Tc* Ru Rh Pd Ag d In Sn Sb Te I Xe s Ba Lu f Ta W Re s Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po* At* Rn* Fr* Ra* Lr* Rf* Db* Sg* Bh* s* Mt* Ds* Rg* Uub* La e Pr d Pm* Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Ac* Th* Pa* U* p* Pu* Am* m* Bk* f* Es* Fm* Md* o* Essentielles Element für Lebewesen Vermutlich essentielles Element für Lebewesen B, V und i sind vermutlich essentiell für den Menschen, für einige andere Lebewesen sind sie essentiell
6 Atome Moleküle Ionen 1. Ein Element besteht aus ATME. Atome eines Elements haben gleiche chemische Eigenschaften (geladene Teilchen Kation, Anion). 2. Atome verschiedener Elemente haben verschiedene Eigenschaften. In normalen chemischen Reaktionen verschwindet kein Atom oder wird in ein anderes Atom umgewandelt (4, 2 ) hemische Gleichung 3. Moleküle (hemische Verbindungen) werden gebildet durch die Reaktion von zwei oder mehrerenelementen miteinander. In einer Verbindung sind die relativen Zahlen eines jeden Atoms definiert und konstant. Diese Werte sind ganzzahlig oder Vielfache ganzer Zahlen.
7 Atome Moleküle Ionen 4. Einfache Grundregeln: Erhaltung der Masse : Masse der Edukte ist gleich der Masse der Produkte Konstante Proportionen: atriumsulfat = a 2 S 4 (a 2 S 3 = atriumsulfit) Multiple Proportionen: 2, 2 2, 2, -,. ydroxyd Anion; ydroxyl Radikal
8 Formelsprache der hemie Aminosäure(n) Peptid - Protein Summenformel (Atome) Konnektivität (hemische Bindung) Stereochemie (Raum, Symmetrie) 2 R R 3 + R Proteinogene Aminosäuren (L- Form) Peptid - Protein Peptidbindung
9 Strukturmodelle von Aminosäure(n) L-Alanin (Ala/A) S L-Methionin (Met/M)
10 hemische Bindung (kovalent( kovalent) Bindende/freie/delokalisierte delokalisierte Elektronen(paare) bindende Elektronenpaare freie Distickstoff Kohlenmonoxid Kohlendioxid l Methan Ammoniak Wasser Salzsäuregas freie Elektronenpaare R + R + R trigonal-planar R tetraedrisch Kurzschreibweise Mesomere Grenzformeln
11 hemische Bindung Grenzstruktur Realstruktur Mesomerie - Resonanz Å 1.54 Å Å = 1.33 Å
12 hemische Bindung Die Ionenbindung Beispiel: al Kochsalz Ionengitter - Ionenradius l a + l a + l a + l a + l a + l a + l a + l a + l a + l a + l a + l l a + a + l a d d = a/2
13 Valenzelektronenkonfiguration wichtiger Elemente im Grundzustand Aufbauprinzip s,p,d-elektronen [e] 1s 1 2s 1 2s 2 2s 2 2p 1 2s 2 2p 2 2s 2 2p 3 2s 2 2p 4 2s 2 2p 5 Li Be B F 1s 2 e 2s 2 2p 6 e [e] 3s 1 3s 2 a Mg 3s 2 3p 1 3s 2 3p 2 3s 2 3p 3 3s 2 3p 4 3s 2 3p 5 Al Si P S l 3s 2 3p 6 Ar [Ar] [Kr] [Xe] 4s 1 4s 2 3d 1 4s 2 3d 2 4s 2 3d 3 4s 2 3d 5 4s 1 3d 5 4s 2 3d 6 4s 2 3d 7 4s 2 3d 8 4s 2 3d 10 4s 1 3d 10 4s 2 K a Sc Ti V r Mn Fe o i u Zn 5s 1 5s 2 4d 1 5s 2 4d 2 5s 2 4d 4 5s 1 4d 5 5s 1 4d 6 5s 1 4d 7 5s 1 4d 8 5s 1 4d 10 4d 10 5s 1 4d 10 5s 2 Rb Sr Y Zr b Mo Tc* Ru Rh Pd Ag d 6s 1 6s 2 s Ba 5d 2 6s 2 4f 14 5d 3 6s 2 5d 4 6s 2 5d 5 6s 2 5d 6 6s 2 5d 7 6s 2 5d 9 6s 1 5d 10 6s 1 5d 10 6s 2 f Ta W Re s Ir Pt Au g
14 Valenzelektronenkonfiguration einiger Elemente und ihrer Ionen im Grundzustand high und low spin Fe(3+) Sc (3d 1 4s 2 ) Sc 3+ ([Ar]) Ti (3d 2 4s 2 ) Ti 2+ (3d 2 ) Mn (3d 5 4s 2 ) Fe (3d 6 4s 2 ) Fe (3d 6 4s 2 ) u (3d 10 4s 1 ) Zn (3d 10 4s 2 ) Mn 2+ (3d 5 ) Fe 3+ (3d 5 ) Fe (0) () 5 (3d 8 ) u 2+ (3d 9 ) Zn 2+ (3d 10 )
15 hemische Reaktion Thermodynamik (Energie) Kinetik (Zeit) Aktivierung (Katalyse) E Übergangszustand E A Aktivierungsenergie (Kinetik) E 1 Edukt E 2 Produkt ΔE = E 2 - E 1 (Thermodynamik) Reaktionskoordinate
16 Säuren und Basen Protonentransfer Medium Wasser (Säure und Base) konjugierte Säure-Base-Paare l (g) + 2 (l) 3 + (aq) + l - (aq) Säure 1 Base 2 Säure 2 Base 1 2 (l) (s) 3 (aq) + - (aq) Säure 1 Base 2 Säure 2 Base 1
17 Säuren und Basen Säuren und Basen Aminosäuren Aminosäuren R R Säure Base Zwitterion R R R neutral sauer basisch
18 Stärke von Säuren und Basen p, pk Massenwirkungsgesetz (Produkte/Edukte Edukte/Gleichgewichtskonstante K) A A [ 3 + ][A [ A] ] = K S p saurer Bereich pk S = log K S basischer Bereich neutral [ 3 + ] p [ - ] p
19 Formen der Aminosäure Glycin in Abhängigkeit vom p saurer Bereich neutral basischer Bereich
20 Puffer enderson-asselbalch asselbalch Gleichung [A] = [A - ] p [A] = [A - ] 12 [A] > [A - ] [A] < [A - ] Titrationskurve Phenolphthalein 10 9 Umschlagbereich Phenolphthalein [ 2 ] [ 3 ] pk = 6.52 Pufferbereich 2 / 3 - -Puffer p Methylorange Umschlagbereich Methylorange Umschlagbereich Phenolphthalein [Ac] [Ac ] pk = Anteil konjugierter Base zugegebene Menge 0.1 M a in ml
21 hemische Bindung Die Wasserstoffbrücke Beispiel: Interaktion zwischen ukleobasen (DA) G Zucker 2.93 Å 2.96 Å 2.93 Å Zucker Å 52 A Zucker 2.80 Å T Zucker Å Å 3 F F F 2.49 Å F F Protein
22 Der Biogeochemische Stickstoffkreislauf +V +IV itritoxidase itrat itratreduktase +III +II itrit itrit- reduktase +I I ydroxylamin ydroxylamin- xidoreduktase -Reduktase itrit- Reduktase 2 2 -Reduktase 2 II III Ammonium- Monooxygenase Ammoniak itrogenase
23 xidation und Reduktion (Redx( Redx) Elektronentransfer xidations- und Reduktionsmittel albgleichungen - xidationszahl Reduktion 2 Mg Mg 2+ 2 xidation Reduktion xidation Reduktion Sn 2+ (aq) + 2 Fe 3+ (aq) Sn 4+ (aq) + 2 Fe 2+ (aq) xidation
24 Elektrolyse - Redoxpotentiale Standard-Wasserstoffelektrode - E o Elektronen E o = 0.0 V Kathode Salzbrücke Anode 2 2 Kationen u Anionen Zn u 2+ (aq) Reduktion xidation Pt u 2+ (aq) + 2 e u 0 Zn 0 Zn 2+ (aq) + 2 e ohne u 2+ (aq) in Lösung: 1 n (aq) + 2 e (aq) + 2 e 2 (g)
25 Spannungsreihe der Elemente Elektrononendonor/Akzeptor Beispiele für ormalpotentiale in 1 M saurer Lösung E 0, V Li + (aq) + e Li (f) 3.05 a + (aq) + e a (f) 2.71 PbS 4(f) + 2 e 2 Pb (f) + S 4 (aq) 0.36 Zn 2+ (aq) + 2 e Zn (f) (aq) + 2 e 2(g) 0.0 u 2+ (aq) + 2 e u (f) Ag + (aq) + e Ag (f) (g) (aq) + 4 e 2 2 (λ) l 2(g) + 2 e 2 l (aq) Au 3+ (aq) + 3 e Au (f) Mn 4 (aq) (aq) + 5 e Mn 2+ (aq) (λ) Pb 2(f) + S 4 (aq) (aq) + 2 e PbS 4(f) (λ) F 2(g) + 2 e 2 F (aq)
26 Did it all start with FeS in a strongly reducing environment?? is/fes catalysis G. Wächtershäuser Munich, Germany FeS + S - FeS e - E o = mv 3 S S 3 S was formed as intermediate!!!! Represents form of activated acetic acid, as potential precursor for organic acids/ amino acids
27 Dissimilatory Processes:Electron Acceptors and Donors (Thauer et al., Bacteriol. Rev., 1977, 41, ) ΔG o = - z F ΔE o z = number of electrons transferred F = Faraday constant; A s/mol E o + / 2 = mv; E o S 4 2- / 2 S = mv; E o S o / 2 S = mv
28 Reaktionsträg???? Die Knallgasreaktion 2 und 2 können beliebige lange miteinander leben ohne dass etwas passiert, weshalb?? Die Grenzorbitale passen symmetrisch nicht zueinander Die Reaktion ist auch sogenannt spinverboten
29 Die Knallgasreaktion Kettenreaktion!!
30 Energie für den Körper: xidative Phosphorylierung Konservierung von Energie durch den Aerobier omo sapiens (Knallgas reaction)
31 Kettenreaktion verboten: Stromerzeugung durch kontrollierte xidation von AD + AD Zellbatterie
32 Mitochondriale Atmung Synthese von ATP Elektronen/Protonen Transfer
33 Biologische Stromproduktion: Drei Kraftwerke in in Serie ( Atmungskette ) ΔG = -nfδe
34 Die stille Knallgasreaktion e - e Die Brennstoffzelle
35 Bedeutung der Knallgasreaktion Das Wasserstoff Zeitalter!! Eine saubere und effiziente Energie ur, wie??
36 Die erstellung von 2 Billig: Wassergas-Reaktion Katalysator Katalysator Gesamt Reaktion: effizient, grosstechnisch, aber nicht 2 neutral!
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