Chemie für Biologie E-Book

Anita Bach

• Herausgeber: wbg Academic
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2019

Seitenzahl: 80

Beschreibung

Dieses Lehrbuch vermittelt dem Leser alle wichtigen, chemischen Grundlagen, die in der Biologie von Bedeutung sind. Jeder, der selber kein Chemie gelernt hat, kann hier alles über jene chemischen Strukturen einfach nachlesen und verstehen, die relevant sind, um komplexe Sachverhalte in der Biologie nachzuvollziehen. Die Themen umfassen Elemente (Atombau und Periodensystem), Chemische Verbindungen, Ionenverbindungen, Säuren und Basen/ Redoxreaktionen, Systematik organischer Stoffe, Kondensationsreaktionen, Ablauf chemischer Reaktionen.

Leseprobe

Anita Bach

Chemie für Biologie

Telekolleg

Telekolleg Multimedial wird veranstaltet von denBildungs- und Kulturministerien von Bayern,Brandenburg und Rheinland-Pfalz sowie vomBayerischen Rundfunk (BR).

Dieser Band enthält das Arbeitsmaterial zu den vomBayerischen Rundfunk produzierten LehrsendungenChemie für Biologie, Lektion 1 – 7.

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diesePublikation in der Deutschen Nationalbibliographie;detaillierte bibliographische Daten sind im Internetüber http://dnb.de abrufbar.

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wbg Academic ist ein Imprint der wbg.© 2019 by wbg (Wissenschaftliche Buchgesellschaft),Darmstadt

Die Herausgabe des Werkes wurde durch die Vereinsmitgliederder wbg ermöglicht.Umschlaggestaltung: schreiberVIS, SeeheimUmschlagabbildung: © cooperr - stock.adobe.comGedruckt auf saurefreiem und alterungsbestandigemPapierPrinted in Germany

Besuchen Sie uns im Internet:www.wbg-wissenverbindet.de

ISBN 978-3-534-27182-5

Elektronisch sind folgende Ausgaben erhältlich:eBook (PDF): 978-3-534-27184-9eBook (epub): 978-3-534-27185-6

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Innentitel

Inhaltsverzeichnis

Informationen zum Buch

Impressum

Inhalt

Vorwort

1 Elemente

2 Verbindungen

3 Säuren und Basen

4 Redoxreaktionen

5 Systematik organischer Stoffe

6 Kondensationsreaktionen

7 Ablauf chemischer Reaktionen

Register

Bildnachweis

Vorwort

Mehrjährige Erfahrungen mit Telekolleg Biologie haben gezeigt, daß die Teilnehmer der Fachrichtung Sozialwesen (S) sehr unterschiedliche Vorkenntnisse in Chemie aufweisen. Für eine erfolgreiche Teilnahme am Biologiekurs ist aber eine Grundbildung in Chemie erforderlich. Deshalb wird in diesem Buch wie auch in den dazugehörigen 7 Fernsehsendungen versucht, das erforderliche Grundlagenwissen in Chemie zu vermitteln. Soweit möglich wird bei der Behandlung des Chemiestoffs auf seine biologische Anwendung Bezug genommen. Darüber hinaus kann diese „chemische Ergänzung" des Biologiebuchs aber auch während des gesamten Biologiekurses als Nachschlagewerk verwendet werden.

Laut Prüfungsordnung des Telekollegs für die Fachrichtung S ist Chemie kein Prüfungsfach. „Chemie für Biologie" gilt deshalb nicht als Prüfungsstoff, es ist lediglich als Zusatzangebot zum besseren Verständnis chemischer Zusammenhänge in der Biologie zu verstehen.

1 Elemente

Inhalt des Films

– Modellvorstellungen vom Aufbau der Atome nach DEMOKRIT, DALTON, BOHR

– Ordnungsprinzipien im Periodensystem der Elemente

– Kohlenstoff und seine Sonderstellung

Stichpunkte zum Lernziel

1. Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die negativen Elektronen bewegen sich auf Schalen um den positiven Atomkern. Die 7 Elektronenschalen entsprechen 7 besonderen Energiezuständen.

2. Ein Element besteht aus lauter gleichen Atomen mit gleicher Ordnungszahl.

3. Isotope sind Elementatome, deren Kerne sich in der Neutronenzahl unterscheiden.

4. Die Ordnungszahl eines Elements entspricht der Kernladungszahl und somit der Anzahl der Protonen im Kern.

5. Im Periodensystem sind die Elemente nach steigender Ordnungszahl angeordnet.

6. In den Perioden (waagrechten Reihen) stehen Elemente mit gleicher Schalenzahl.

7. In den Gruppen (senkrechten Reihen) stehen Elemente mit gleicher Außenelektronenzahl.

8. Oktettregel: Befinden sich 8 Elektronen auf der Außenschale, ist ein Atom in einem besonders stabilen Zustand (z.B. die Edelgase).

9. Elemente mit gleicher Außenelektronenzahl sind in ihren chemischen Eigenschaften ähnlich.

10. In Lebewesen sind Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff die am häufigsten vorkommenden Elemente.

Farben und Formen, Stoffe und Strukturen entstehen und vergehen. Aus Samen entwickeln sich Pflanzen. Eine Blüte geht auf und verwelkt auch bald. Wie phantastisch sind doch all diese Wunder der Natur. Leben entsteht, der Organismus entwickelt sich, erlebt seine Blüte- und Reifezeit und altert allmählich. Die Gesetze der Natur versprechen einen Wandel des Menschen und der ihn umgebenden Welt (der u.a. bedingt ist durch die verschiedenartigsten chemischen Reaktionen). Und so versteht es sich von selbst, daß die Biologie als die Wissenschaft von den Lebenserscheinungen in ihren Details ohne die Chemie, die Lehre von den Stoffen und ihren Veränderungen, gar nicht vorstellbar ist.

In den folgenden Kapiteln sollen deshalb die wichtigsten chemischen Grundbegriffe zum leichteren Verständnis der Biologie herausgestellt werden.

1.1  Atombau – Kern und Hülle

1.1.1 Modellvorstellungen vom Bau der Atome

Um die Natur besser verstehen und erklären zu können, entwickelte man bereits im alten Griechenland um 450 vor Chr. die verschiedensten Modellvorstellungen vom Aufbau der Materie:

Der Grieche EMPEDOKLES war der Ansicht, daß allem, was wir um uns sehen, vier Urbestandteile, vier Elemente, zugrunde liegen: Feuer, Wasser, Luft und Erde. Er stellte sich vor, daß diese Elemente aus kleinsten Splittern bestehen und daß sich daraus bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen die verschiedensten Stoffe bilden können. Empedokles vermutete, daß der Antrieb dafür die den Teilchen innewohnenden Prinzipien „Liebe“ und „Haß“ wären.

Auch der griechische Naturphilosoph DEMOKRIT stellte sich die Dinge unserer Welt aus vielen winzigen, nicht mehr weiter teilbaren Bestandteilen zusammengesetzt vor. Er nannte diese Bestandteile „Atome“ – von griech. „atomos“ (= unteilbar).

Um 1808 greift der Engländer JOHN DALTON die griechische Vorstellung von den Atomen wieder auf. Dalton jedoch hält die Atome für winzige Kugeln und ordnet ihnen Bindungseigenschaften zu. Ihm gelingt es experimentell nachzuweisen, daß sich die Atome unterschiedlicher Elemente in ihren Massen unterscheiden.

Zu der Zeit, als Dalton sein Kugelmodell von den Atomen veröffentlichte, konnte noch niemand genau erklären, warum einzelne Atome in sich überhaupt zusammenhalten und nicht auseinanderfallen. Erst der Engländer ERNEST RUTHERFORD und der Däne NIELS BOHR entwickelten dazu um 1910 das Kern-Schalen-Modell, das auf einer verfeinerten Vorstellung vom Aufbau der Atome basierte. Demnach besitzt ein Atom einen sehr kleinen Atomkern. Er wird von Protonen und Neutronen gebildet und enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms. Sein Durchmesser beträgt etwa 10−13 cm bis 10−12 cm. Elektronen umkreisen den Kern auf ganz bestimmten Schalen, sie bilden die Atomhülle.

1.1.2 Die Elementarteilchen

Der Atomkern besteht aus Protonen, die positive elektrische Ladung tragen, und Neutronen, die ungeladen sind. Die Elektronen, die den Atomkern umkreisen, sind negativ geladen. Ihre Ladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladung, deshalb bezeichnet man sie auch als Elementarladung. Protonen und Neutronen sind Masseteilchen, Elektronen dagegen gelten als nahezu masselos.

1.1.3 Der Atomkern

Der Atomkern ist positiv geladen. Seine Ladung entspricht der Zahl der in ihm enthaltenen Protonen. Ein Stoff, dessen Atome alle dieselbe Protonenzahl haben, wird als Element bezeichnet. Die Zahl der Protonen wird als Kernladungszahl bezeichnet. Sie ist identisch mit der Ordnungszahl der Elemente im Periodensystem. Der Kernladungszahl, d.h. der Anzahl der Protonen, entspricht die Elektronenzahl in der Hülle. Atome erscheinen daher nach außen elektrisch neutral.

Die Masse bzw. die Massenzahl der Atome ergibt sich aus der Summe der im Kern enthaltenen Protonen- und Neutronenmassen. Ein Atom, das durch Kernladungszahl und Massenzahl eindeutig definiert ist, bezeichnet man als Nuklid.

Daraus läßt sich entnehmen:

– Kernladungszahl 6: Im Kern befinden sich 6 Protonen und folglich sind im elektrisch neutralen Atom 6 Elektronen in der Atomhülle.

– Massenzahl 12: Im Kern sind neben den 6 Protonen auch noch 6 Neutronen vorhanden.

Ein Stoff, dessen Atome alle dieselbe Protonenzahl haben, wird als Element bezeichnet.

Die Atome eines Elements können sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Man spricht dann von Isotopen.

Atome mit gleicher Protonenzahl und unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope eines Elements.

Natürlich vorkommende, chemische Elemente bestehen – von einigen Ausnahmen (wie Aluminium, Phosphor oder Gold) abgesehen – aus einem Isotopengemisch.

Beispiele für Isotope eines Elements:

Tab. 1.1 Eigenschaften der Elementarteilchen

Die Atommasse 35,5 ist der Durchschnittswert der Atommassen aller natürlich vorkommenden Isotope des Chlors: 75% aller Chloratome haben die Massenzahl 35 (35C1, 17 P., 17 E., 18 N.), 25% aller Chloratome haben die Massenzahl 37 (37C1, 17 P., 17 E., 20 N.). Diese unterschiedlichen Atommassen, im Verhältnis 3:1, führen zum Wert .

1.1.4 Die Atomhülle

Elektronen bewegen sich nur auf ganz bestimmten Bahnen um den Atomkern, auf Bahnen, die in sogenannten Schalen angeordnet sind. Zur Besetzung der Schalen sind u.a. folgende Regeln gefunden worden:

2. Jede Schale kann nur eine bestimmte Höchstzahl an Elektronen aufnehmen, maximal 2 · n2.

3. Die jeweilige äußerste Schale kann jedoch höchstens 8 Elektronen aufnehmen (Oktettregel). Dieser Zustand ist energetisch besonders stabil.(Vgl. dazu auch Lektion 2, S. 12.)

Nimmt ein Atom, z.B. in chemischen Reaktionen, Elektronen auf oder gibt sie ab, wird das zuvor neutrale Atom elektrisch geladen, da jetzt weniger bzw. mehr Protonen im Kern als Elektronen in der Hülle vorhanden sind. Solche elektrisch geladenen Teilchen bezeichnet man als Ionen.

Elektronen lassen sich um so leichter aus der Atomhülle entfernen, je weiter entfernt vom Kern sie sich bewegen.

1.2  Die Ordnungsprinzipien des Periodensystems

Die Chemiker LOTHAR MEYER und DIMITRI MENDELEJEW ordneten um 1890 die damals bekannten Elemente ganz einfach nach steigender Atommasse und erstellten das erste Periodensystem der Elemente (PSE). Heute ist für die Stellung der Elemente im PSE ihre Kernladungszahl maßgebend, also die Anzahl an Protonen im Kern eines Elements. Diese Zahl entspricht zugleich auch der Ordnungszahl der Elemente. Man kennt heute über 100 Elemente, vom Wasserstoff mit der Kernladungszahl 1 bis zu einem noch unbenannten Element mit 112 Protonen (und ebensoviele Elektronen). (Vgl. dazu S. 11, Tab. 1.3.) Elemente mit gleicher Anzahl von Elektronenschalen sind im PSE nebeneinander gestellt. Die so entstehenden waagrechten Reihen bezeichnet man als Perioden. Die Periodennummer gibt die äußerste Schale an. In dieser Außenschale der Elemente nimmt die Elektronenzahl von eins bis acht kontinuierlich zu.

Elemente mit gleicher Außenelektronenzahl stehen im PSE untereinander. Die so entstehenden senkrechten Spalten bezeichnet man als Gruppen. Die Gruppennummer gibt die Zahl der Elektronen in der äußersten Schale an (Ausnahme: Helium). (Zum PSE vgl. auch Abb. 1.2 und 1.4.)

Abb. 1.1 Die Verteilung der Elektronen in der Atomhülle für die ersten 10 Elemente nach dem Bohrschen Atommodell.

1.2.1 Die Hauptgruppenelemente

Die senkrechten Elementgruppen werden Hauptgruppen genannt. Die Elemente einer Hauptgruppe besitzen alle die gleiche Außenelektron enzahl.

Da die chemischen Eigenschaften eines Elements im wesentlichen von seinen Außenelektronen bestimmt werden, weisen die Elementatome einer Gruppe ähnliche Eigenschaften auf. Die Hauptgruppenelemente werden daher zu Elementfamilien zusammengefaßt, für die z.T. historisch bedingte Namen im Gebrauch sind:

Elemente der

1. Hauptgruppe: Alkalimetalle

2. Hauptgruppe: Erdalkalimetalle

3.