Christian Schmidt. Lars Dietrich. Chemie für Biologen. Von Studierenden für Studierende erklärt. ^ Springer Spektrum

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1 Christian Schmidt Lars Dietrich Chemie für Biologen Von Studierenden für Studierende erklärt ^ Springer Spektrum

2 die der IX 1 Chemie verstehen Weg zum Ziel Der Aufbau dieses Buches Teil I Teil II Teil III Teil IV Chemische Grundbegriffe und physikalische Grundlagen 2 Aufbau der Atome, chemische Bindungen und Eigenschaften der Moleküle 3 Chemische Reaktionen 3 Die Bedeutung der Chemie für die Biologie Besondere Eigenschaften dieses Buches Buchelemente Inhaltliche Besonderheiten Noch einige Lerntipps vorweg Einheiten und Präfixe Basiseinheiten nach dem Sl Präfixe viel Spaß 10 Literatur 10 1 Chemische Grundbegriffe und physikalische Grundlagen 2 Grundbegriffe der Chemie Die Elemente im Periodensystem 2.2 Teilchen Bedeutung ergibt ein Kurzüberblick 14 sich im Kontext Chemische Formeln Die Reaktionsgleichung Der Unterschied zwischen Menge und Masse Die Stoffmengen und die Einheit Mol Der Unterschied zwischen Masse und Gewicht Die relative Atommasse Af die molare Atommasse A und die molare Molekülmasse M. 2.9 Masse und Stoffmenge ineinander umrechnen Stöchiometrisches Rechnen Zum Stoffbegriff Stoffmengenkonzentration c, Massenkonzentration ß und Volumenkonzentration a Volumenanteil q>, Stoffmengenanteil x und Massenanteil w Aufgaben 29 Literatur Materie und ihre Eigenschaften Was ist eigentlich Materie? Die Aggregatzustände Abhängigkeit des Aggregatzustands von Zustandsvariablen Dichte und Dichteanomalie deswassers 35

3 erster RaoultGesetz X Was ist Wärme? Was ist Temperatur? Temperaturmessung und Temperaturskalen Was ist Druck? Druck und Temperatur sind Mittelwerte der Teilchenbewegung Übergänge zwischen den Aggregatzuständen und Zustandsdiagramme Der Übergang zwischen den Aggregatzuständen Weitere energetische Aspekte bei der Zustandsänderung Gase als EinKomponentenSysteme Ideale Gase und reale Gase Die MaxwellBoltzmannVerteilung Die ideale Gasgleichung AmontonsGesetz, GayLussacGesetz und BoyleMariotteGesetz Aufgaben 49 Literatur 50 4 Stoffgemische und Stofftrennung Stoffgemische im Überblick Bezeichnungen für Stoffgemische Mischbarkeit verschiedener Stoffe Wechselwirkungen als Grundlage der Mischbarkeit Abhängigkeit von äußeren Bedingungen Diffusion Teil Die Stärke der Wechselwirkung Dlelektrizltät DiffusionzweiterTeil Nicht mischbare Stoffe Der hydrophobe Effekt Amphiphlle Teilchen Proteine sind große, amphiphlle Moleküle Gasgemische Flüssige Lösungen Elektrolytlösungen Der Lösungsvorgang bei Feststoffen Sättigung und Fällung Löslichkeit von Feststoffen (in Wasser) Lösungseffekt und Osmose Nlchtwässrige flüssige Lösungen Volumenänderung beim Lösen Löslichkeit von Gasen in Wasser Aggregatzustandsänderungen bei homogenen Stoffgemischen Dampfdruck einer Lösung Siedepunkterhöhung Gefrierpunkterniedrigung Azeotrope Stofftrennung Grundprinzipien der Stofftrennung 82

4 XI Stofftrennung im biologischen Laboralltag Aufgaben 87 Literatur 87 II Aufbau der Atome, chemische Bindungen und Eigenschaften der Moleküle 5 Aufbau der Atome Das Elektron und die Atomhülle Das Atommodell nach Rutherford Das Atommodell nach Bohr WelleTeilchenDualismus Die Heisenberg'sche Unschärferelation Die SchrödingerGleichung Das Atomorbitalmodell Der Quantenzustand von Elektronen Die Atomorbitale Orbitalnäherung und die Energieniveaus der Orbitale PauliPrinzip, Hund'sche Regel und das Aufbauprinzip Atomorbitale und das Periodensystem der Elemente Valenzschalen und Valenzelektronen Aufgaben 108 Literatur Chemische Bindungen lonenbindungen Einstieg in das Konzept der lonenbindung Effektive Kernladung lonisierungsenergie und Elektronenaffinität Kristallstrukturen und Gitterenergie Mehratomige Ionen und wichtige Beispiele Kovalente Bindungen Einstieg in das Konzept der kovalenten Bindung Mehrfachbindungen Elektronegati vität Zwischen kovalent und ionisch polarisierte Bindungen lonenradien und Atomradien LewisSchreibweise und Valzenstrichschreibweise für chemische Verbindungen Die Oktettregel MolekülIonen und Formalladungen Mesomerie und Grenzstrukturen Hypervalenz Radikale 129

5 XII Valenzstrichformeln herleiten Wasserstoffbrückenbindungen VanderWaalsWechselwirkungen Metallbindung Komplexbindung Aufgaben 136 Literatur Struktur von Molekülen Grundlagen: geometrische Figuren Molekülorbitale Kombination von Atomorbitalen (AOs) zu Molekülorbitalen (MOs) Orbitalhybridisierung VSEPRTheorie Komplexere Anordnungen in anorganischen Molekülen Dipole Einfach, Doppel und Dreifachbindungen Strukturen von Ethan und Ethen im Vergleich Bindungslängen Elektronendelokalisierung Konjugierte Doppelbindungen Aromatische Verbindungen Flexibilität und Vielfalt der Strukturen Isomerie Konstitutionsisomerie Stereoisomere Aufgaben 158 Literatur Einfluss des Aufbaus chemischer Verbindungen auf ihr Verhalten Unüberschaubare Vielfalt verstehen lernen Wasser das Molekül des Lebens MetallNichtmetallVerbindungen Salze Eigenschaften kristalliner Salze Wasserlöslichkeit von lonenkristallen Metalloxide, Metallhydride, Säureanhydride u. v. m Kohlenwasserstoffe Homologe Reihe der Alkane Alkene Alkohole Der hydrophobe Effekt noch einmal verdeutlicht Carbonylverbindungen Aldehyde Ketone 172

6 XIII Elektronenstruktur der Aldehyde und Ketone Carboxylverbindungen Fettsäuren Esterverbindungen Amine und Amide Aminosäuren und Peptidbindung Halogenide Aufgaben 183 Literatur 184 III Chemische Reaktionen 9 Chemische Reaktionen im Überblick Reaktionsschemata und Reaktionsgleichungen Reaktionsbedingungen Phasensymbole Stöchiometrie Stöchiometrisches Ausgleichen Stöchiometrisches Berechnen Weitere wichtige Begriffe zu Reaktionen Exotherme und endotherme Reaktionen Synthese versus Darstellung Das chemische Gleichgewicht Hinund Rückreaktion Einstellung des chemischen Gleichgewichts Das Prinzip des kleinsten Zwanges Das chemische Gleichgewicht alsteil des Zustands eines Systems Abhängigkeit des Gleichgewichts vom Druck Abhängigkeit des Gleichgewichts von der Temperatur Abhängigkeit des Gleichgewichts von der Stoffmengenkonzentration Übungen zum Prinzip des kleinsten Zwanges Katalysatoren und Gleichgewichte Homogene und heterogene Gleichgewichte, Ergänzung zum Gleichgewichtspfeil Quantitative Aspekte des chemischen Gleichgewichts: das Massenwirkungsgesetz Das MWG in homogenen Gleichgewichten Umrechnung von K in Kp Das MWG in heterogenen Gleichgewichten Vorhersagen von Gleichgewichtskonzentrationen Gleichgewichte können gekoppelt sein Löslichkeit von Salzen Aufgaben 209 Literatur 209

7 XIV 10 Energieumsatz chemischer Reaktionen Chemische Reaktionen und Energie Was ist Energie? Umwandlung von Energie Wärmeenergie bei chemischen Reaktionen Die innere Energie Die Enthalpie Die Reaktionsenthalpie Die Bildungsenthalpie Die Lösungsenthalpie Die Enthalpie chemischer Bindungen Der Satz von Hess und der BornHaberKreisprozess Enthalpiekreisprozess für den Lösungsvorgang ionischer Verbindungen Kovalente Bindungen und Enthalpieänderungen Die Entropie Die freie Enthalpie Aufgaben 234 Literatur Geschwindigkeit chemischer Reaktionen Die Reaktionsgeschwindigkeit Die Stoßtheorie Reaktionsgeschwindigkeit und Energie Reaktionsprofil und Aktivierungsenergie Die Reaktionsgeschwindigkeit ist temperaturabhängig Katalyse 2« Die Reaktionsordnung Enzymkinetik Die UV/VisSpektralphotometrie Das LambertBeer'sche Gesetz Die Methode der Anfangsgeschwindigkeit Die MichaelisKonstante Enzyme und Temperatur Aufgaben 255 Literatur Säuren und Basen Säure/BaseKonzepte und die phskala Das Säure/BaseKonzept nach Arrhenius Die phskala Das BronstedLowryKonzept Säuren und Basen unterschiedlicher Stärke Säuren unterschiedlicher Stärke Basen unterschiedlicher Stärke 263

8 XV 12.3 Beschreibung von Säure/BaseGleichgewichten in wässriger Lösung Berechnung von phwerten phwerte von Lösungen sehr starker Säuren und Basen phwerte von Lösungen schwacher Säuren und Basen Säure/BaseTitration Titration einer sehr starken Säure Titration einer mittelstarken (auch schwachen) Säure und Pufferlösungen Verhalten mehrprotoniger Säuren Molekülbau und Säurestärke Binäre Wasserstoffverbindungen der Nichtmetalle Oxosäuren Mehrprotonige Säuren Organische Säuren Weitere Säure/BaseKonzepte Das Säure/BaseKonzept nach Lewis Das Säure/BaseKonzept nach Pearson Aufgaben 278 Literatur Oxidation und Reduktion Oxidationszahlen Die Oxidationsstufe Bestimmung von Oxidationszahlen anhand der LewisFormel Bestimmung der Oxidationszahl mithilfe fester Regeln Trends der Oxidationsstufen im PSE RedoxReaktionen und die RedoxGleichungen RedoxReaktionen in saurem Milieu RedoxReaktionen in alkalischem Milieu Disproportionierung und Symproportionierung Energieumsatz bei RedoxReaktionen Galvanische Zellen Elektrodenpotenziale und Spannungsreihe Die NernstGleichung Freie Enthalpie bei RedoxReaktionen Elektrolyse Aufgaben 308 Literatur 308 IV Die Bedeutung der Chemie für die Biologie 14 Das biologische Abschlusskapitel Beispiel 1: Die Funktion einer Nervenzelle Der Aufbau einer Nervenzelle 312

9 XVI Das Membranpotenzial Das Aktionspotenzial Beispiel 2: Kältetoleranz bei Pflanzen und wechselwarmen Tieren Die Gefahr des zellulären Gefrierens Drei Strategien für den Umgang mit Stress Gefriertoleranz und Supercooling Fazit 321 Literatur Anhang: Lösungen der Übungsaufgaben Kapitel Kapitel Kapitel Kapitels Kapitel Kapitel Kapitels Kapitel Kapitel Kapiteln Kapitel Kapitel Serviceteil 333 Periodensystem der Elemente 334 Stichwortverzeichnis 336