Biologisk kemi 7,5 hp KTH Vt 2010 Märit Karls Atomteori Biologisk kemi 7,5 hp KTH Vt 2010 Märit Karls Visa kurswebben, visa schema på OH De som inte har kursbok kan läsa på länken: http://www.chemguide.co.uk/basicorg/bonding/orbitals.html#top Feb 09: denna länk kan jag spara och kolla på för termodynamik och löslighetsföreläsning, ev visa vid proteiner, hydrofil utsida och hydrofob insida. Här finns också jättebra tutorial med animering av kovalent bindning! http://virtuallaboratory.net/Biofundamentals/lectureNotes/Topic2AB_Water.htm# Titta på: Startsida - Biologisk Kemi (7,5hp) https://courses.ki.se/bestutb/kth/HX1001/startsida

Atomteori Holum kap.3 Vad är det som gör att vissa grundämnen ”är släkt” Vad är det som påverkar ett grundämnes kemiska egenskaper? Det här ska ni kunna svara på efter föreläsningen!

Atom modell Atomer består av: Kärna: Liten, tät, positiv laddning i centrum av atomen. Innehåller protoner och neutroner. Kärnans laddning är lika med antalet protoner Elektroner: Diffust!! område med negativ laddning som omger kärnan. Antalet elektroner är lika med antalet protoner. Börja med bikupa: vad kommer ni ihåg om atomen? Stämmer figuren med det ni kommer ihåg? fig.sid 59 finns på Läs kap 3.1 Modell! Tänk på det när ni läser läroböcker. Måste förenkla för att få fram det viktigaste, i denna fig. finns följande förenklingar: Skalan stämmer ej Kärnans diameter 10-14m, elektronmolnets diameter 10-10m Jmf kärnan är som en liten sten i gruset på en fotbollsplan! Orbits, orbital, omloppsbana, vi kan inte bestämma var elektronerna befinner sig. Alla elektroner går inte i en cirkel runt kärnan, kommer till det senare, p-orbitaler s. 59

Vad är en atom? Definition: En atom är den minsta enhet av ett grundämne som behåller grundämnets kemiska egenskaper dvs en kolatom skiljer sig från en syreatom, men elektron i en kolatom är likadan som en elektron i en syreatom Bild på klor och fluor? Helst bör jag inte förklara det här, risk för förvirring, bättre att studenterna tittar på def. hemma. Alt. Vi har protoner, neutroner och elektroner på en hylla. Om vi tar 6 protoner + 6 neutroner + 6 elektroner så får vi en kolatom. Denna har vissa egenskaper, t ex vill den binda 4 andra atomer Om vi tar 8 protoner + 8 neutroner + 8 elektroner så får vi nånting som har andra egenskaper, det kallar vi en syreatom. Den vill bilda 2 bindningar till andra atomer.

Partiklar i atomen Partikel Massa Elektrisk laddning Elektron 9,109 X 10-28 -1 Proton 1,673 X 10-24 +1 Neutron 1,675 X 10-24 0 Det enda som är viktigt är laddningen Atommassa mäts experimentellt och anges i enheten u (AMU) En atom 12C har massan 12 u. Tab. 3.1 Holum

Två enkla regler Partiklar med olika laddning attraherar varandra; elektrostatisk attraktion Partiklar med samma laddning repellerar varandra Dessa enkla regler kan ni använda för att förklara det mesta på denna kurs! Tänk på detta när ni skall förklara saker på tentan!

X C Atomsymbol Se Practice exercise s. 52 A C Z # 12 6 X= kemisk symbol A= atomens masstal = protoner + neutroner C= atomens laddning Z= Atomnummer = protoner = elektroner #= antal atomer i formelenheten A X C Z # Ex. C 12 Skriv på tavlan, O2, och Cl-. Practice exercise s.52 Vad är masstalet för atomer som innehåller: a) 7p+8n b) 12 p+12n c) 11p+13n Hur många neutroner innehåller dessa atomer? a) atom nummer 4, masstal 9, b) atom nummer 17 masstal 35, c) atomnummer 17 masstal 37? 6 Se Practice exercise s. 52

Vad är ett grundämne? I ett grundämne (eng. element) har alla atomer samma atomnummer, dvs lika många protoner och lika många elektroner ex. grundämnet nummer 8 kallas syre har kemisk symbol O består av enbart syreatomer med 8 st protoner och 8 st elektroner Syreatomen har även 8 st neutroner, de kan vi glömma, spelar ingen roll för kemiska egenskaper

Isotoper; varianter av ett grundämne Ett grundämne består av atomer med samma kärnladdning Isotoper är atomer av samma grundämne, men med olika massor Isotoper har olika antal neutroner Isotoper av väte Isotoper av kol Många isotoper används inom medicinen Fyll i på tavlan: H med massa 1,2,3 se bild i Linas Kemi A fig.2.3resp C med massa 12,13,14. läs mer om isotoper i Holum s. 52 Alla grundämnen består av flera olika isotoper, men proportionen mellan isotoperna är praktiskt taget konstant överallt i naturen. Det är därför varje grundämne har ojämnt värde på atommassan (se periodiskt system i boken)

Kända grundämnen 109 st kända hittills 87 st är metaller 11 st är gaser 2 st är vätskor (vid rumstemp.) 26 st är radioaktiva

Vanliga grundämnen Fråga studenterna och fyll i namn både svenska och eng. Jmf Martini tab. 2-1! Dessa ska ni kunna namn och symbol för!

H C O N Ca Mg Na K P S Se även tab. 2.1 i Holum Fyll i namn, både på svenska och engelska!

Var finns de? H ingår i vatten och i de flesta föreningar i kroppen C finns i alla organiska molekyler O ingår i vatten mm, behövs för respirationen N ingår i proteiner, nukleinsyror Ca finns i ben och tänder, behövs för membran, nervimpulser, muskelkontraktioner och koagulation Mg kofaktor för många enzym Na behövs för membran, nervimpulser och muskler K behövs för membran, nervimpulser och muskler P finns i ben och tänder, nukleinsyror och ATP S finns i många protein Inte för att kunna på tentan, men de kommer att återkomma flera gånger under terminen. Spårämnen t.ex. Cd, Zn fastnar på enzymerna men blockerar. Enzymerna behövs för att ta hand om primärurin (180 L/dag). Om enzymerna inte fungerar läcker njurarna glukos och vad mer?. 10 % av Sveriges kvinnor har för höga Cd-halter.

Vad är en kemisk förening? Kemisk förening (eng. compound) är ett ämne som består av atomer av olika grundämnen i definierade proportioner På kemispråket talar det här om att vatten består av väteatomer och syreatomer och att på varje syreatom går det två väteatomer, alltså dubbelt så mycket väte som syre

Makromolekyler Hur binds alla dessa atomer till varandra? Summaformel Säger inget om egenskaper Egenskaperna beror på strukturen, som i sin tur beror på hur atomerna sitter ihop Insulin är ett av de minsta proteinerna. Alla protein består av byggstenar (aminosyror). Insulin är endast 51 a.s. För att man skall förstå vilka egenskaper protein har måste man först förstå kemisk bindning. Bilden från Biology Project? Alla atomer i insulin sitter ihop med kovalenta bindningar, vi ska lära oss mer om vilka andra krafter som gör att insulinmolekylen får den här formen. Vi går tillbaks till atomen igen…. Hur binds alla dessa atomer till varandra? Innan vi kan svara på det måste vi titta på atomen igen

Hur fördelas elektroner i atomen? Grundregel: så att elektronen får så låg energi som möjligt Var är det? Fundera

Energinivåer e- = Elektron Pga attraktion mellan kärnan och e- får e- lägesenergi Energin är ett mått på hur mycket arbete som krävs för att flytta e- till nästa nivå Större avstånd Större lägesenergi Joniseringsenergi Så mycket energi att e- lämnar atomen, det bildas en jon Fig. s. 59 Elektronen har dels lägesenergi, dels rörelseenergi. Lägesenergin beror på attraktionen mellan kärnan och elektronen- alltså på avståndet mellan dessa. Ju längre ifrån kärnan, desto mer jobb har utförts för att flytta elektronen dit, alltså högre lägesenergi ju längre från kärnan. Om man tillför tillräckligt mycket energi kan man flytta elektronen så långt att protonerna inte längre klarar att attrahera elektronen. Elektronen lämnar atomen. Får en proton mer än elektroner, positivt laddad partikel. Kallas jon.

Väteatomen (1p+1e-) Fig. 3.3 s. 62 Området där man mest sannolikt finner väteatomens elektron kallas s-orbital OBS! Bilder med cirklar runt kärnan är alltså en förenklad modell Skriv på tavlan som en rubrik för kommande bilder: Hur fördelas elektronerna i olika atomer? Så att atomen får så låg energi som möjligt! Viktig grundprincip!! Så låg energi som möjligt, var är det? Så nära protonerna som möjligt. Väteatomen har 1 proton och 1 elektron. Det enklaste grundämnet. Nästa är Helium 2 p + 2 e, sen Litium, 3 p + 3 e. Gör dokument med grundämnen från 1 till 20,

Diskutera, vad är rimligt? Ju högre atomnummer (fler protoner i kärnan) desto lättare/svårare att ta bort elektroner Ju högre atomnummer desto lägre/högre första joniseringsenergi (den energi som krävs för att ta bort en elektron från en neutral atom)

Första joniseringsenergin Den energi som krävs för att ta bort en elektron från en neutral atom Vad händer vid He, Ne, Ar??? Fig. 3.1 b s.54 Negativ elektron attraheras av positiva protoner i kärnan. Om man vill ta bort elektronen måste man tillföra energi, joniseringsenergi. Ju fler protoner i kärnan desto bättre borde elektronerna attraheras, bli svårare att ta bort en elektron??? Stämmer inte mellan He och Li?! Verkar som om det är något speciellt med He, Ne och Ar? nåt händer mellan He och Li, mellan Ne och Na mellan Ar och K. Ett mönster…………Markera He, Ne och Ar i fig. (När en väteatom bildas av en proton och en elektron avges energi. Väteatomens energi är alltså mindre än den sammanlagda energin för proton + elektron. Därför är atomen mer stabil.) Bra tutorial om jonstorlek och jonisering: http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/matters/periodicTbl2.html

Elektronnivåer OBS! Förenklad modell! Energi förekommer i kvanta (energipaket) e- finns på vissa avstånd från kärnan, energinivåer Kallas ”skal” Nivå nr 1 = K-skal, 2 e- Nivå nr 2 = L-skal, 8 e- Nivå nr 3 = M-skal, 18 e- Niels Bohr, 1913, modell. Förenklad, men räcker för oss för att förklara grundämnen och kemiska reaktioner KLM, tänk på holländskt flygbolag! Var elektronerna finns avgör grundämnets egenskaper

Dimitri Mendeleev 1834-1907 Ordnade grundämnen i ett periodiskt system Förutsade grundämnen innan de upptäckts Ordnade alla då kända grundämnen efter atomnummer. Upptäckte att om man ordnade i ett visst rutmönster kunde man få grundämnen som hade samma egenskaper att stå i samma kolumn. Förutsade existens av okända ämnen: Ga, Ge, Sc (1875-1880)

Kan man säga att grundämnen är släkt med varann? H har en proton, He 2 osv. Hur många har C? Hur många har O? I stället för att ordna dem i en lång rad ordnar vi dom på det här viset, kan man se att de är släkt? Vilka är i så fall syskon? Längst till höger hittar vi en gul kolumn. Alla är gaser, tillhör samma familj, ädelgaserna. Oerhört stabila, vill inte reagera med någonting. Först 1962 som man lyckades bilda en förening med en ädelgas. Känner ni igen dom här: He, Ne, Ar? Det var där det hände något med joniseringsenergin!!!

Periodiska systemet Grupper, 1-18 Perioder 1-7 Rader = perioder. Vad är gemensamt för alla ämnen i en period? Svaret har vi inte än, måste titta mer på elektronfördelning först . När vi har gått igenom fördelning för de 20 första grundämnena – gå tillbaks till denna bild. Vad är det som är gemensamt för alla ämnen i en grupp????? Se grupp 1 t ex. Lika många elektroner i sin yttersta energinivå. De har tydligen gemensamma egenskaper, t.ex. ädelgaser, men varför? Hans-Helges lilla Beda bor centralt nära Olssons fula neonskylt. Nattens magi alltid sig pläga sänka klockan arton. Kalles caviar! Vad är gemensamt för alla grundämnen i en period? Vad är gemensamt för alla grundämnen i en grupp? Fig. 3.2, s. 57 Se även: http://www.webelements.com/

Elektronorbitaler i L-skalet Fig.3.4 s. 63 L-skalet (nr 2) har 2 undernivåer 1 s-orbital 3 p-orbitaler Varje orbital rymmer 2 e- Hur många elektroner får plats i L-skalet? Se tab. 3.2 i Holum s.60 och fig. 3.5 s. 64 Får inte plats med mer än 2 elektroner i en omloppsbana runt atomen, tänk på att de repellerar varandra. Principal energy level: Kvanttal = nummer på elektronskal; OBS! Olika form på s- resp p-orbitaler. Ytterligare ex. på förenkling i Atommodellfig.

Elektronfördelning Fig.3.5 s. 64 I varje orbital finns plats för 2 elektroner Elektronerna fylls på enl. Hunds regel ”bussprincipen” I vilka orbitaler finns elektronerna i en fosforatom? Se ex. 3.1 i Holum s. 67 Dela ut blad med ”elektroner i varje skal” Gå igenom s. 66. Skriv upp elektronkonfiguration för N och O. Slutsats, N har tre oparade elektroner som vill ha kompisar, därför vill N atomen gärna binda 3 andra atomer. (Lös på tavlan: se sid. 67. Slutsats P har tre oparade elektroner i sitt yttersta skal, vill gärna ha kompisar, dvs P vill gärna binda tre andra atomer??? Eller 5 atomer! Genom att valenselektronerna i fosforatomen ligger i M-skalet finns det plats för fler elektroner, P kan binda 5 andra atomer.) överkurs Fig.3.5 s. 64

Valenselektroner!!!!! Ju längre bort från kärnan elektronen befinner sig, desto mindre attraheras den av kärnan Elektronerna i den yttersta energinivån kallas valenselektroner Det är valenselektroner som flyttas vid kemiska reaktioner De yttersta elektronerna lättast att flytta, Aha! Det är dom som flyttar sig mellan atomer när kemiska reaktioner sker och det bildas nya bindningar. Därför ett grundämnes kemiska egenskaper avgörs av antalet valenselektroner http://www.biology.lsu.edu/introbio/tutorial/chem-tutorial/chemtutorial/Atoms.html

Ja, grundämnen kan vara släkt! Grundämnen släkt därför att de har liknande egenskaper, för att de vill alla uppnå nirvana, låg energinivå. Atomer i samma grupp har lika många valenselektroner och löser problemet att uppnå nirvana på samma sätt, reagerar på samma sätt. Klan: Representativa element (huvudgrupper) har valenselektroner i s eller p-orbital, Klan: övergångselement röda valenselektroner i d-orbital Klan: Inre övergångselement gröna valenselektroner i f-orbital. Vi ska bara syssla med representativa grundämnen. Det är valenselektronerna som gör det!

Familjer i periodiska systemet Fyll i antal elektroner i den ”yttersta” energinivån Grupp Namn Valenselektroner IA Alkalimetaller IIA Alk. Jordartsmetaller IIIA Borfamiljen IVA Kolfamiljen VA Kvävefamiljen VIA Syrefamiljen VIIA Halogener 0 Ädelgaser Hoppas att det jag gått igenom hittills varit en hjälp för att förstå. Om ni tyckte det var förvirrande, så glöm det. Det viktigaste är att ni kan det här! Och med hjälp av det kan resonera er fram till vilka egenskaper atomerna får, det beror på hur många valenselektroner de har. s. 68

Lewis struktur ett sätt att hålla reda på valenselektroner Skriv atomsymbolen Räkna antalet valenselektroner Tänk dig en box som rymmer 2 e- på varje sida Fyll på valenselektroner i boxarna ”bussprincipen” C Hur många valenselektroner har kol? Titta i periodiska systemet, IV aha 4 valenselektroner! Sätt en i varje box. s. 89

Atomens nirvana Oktettregeln Grundämnen strävar att uppnå ett stabilt elektronmoln, vanligtvis en ”full oktett” ädelgasstruktur Hur kan atomerna uppnå sitt nirvana? Se fig. 3.5 Atomer är mest stabila när deras yttersta skal är fullt (eller tomt). För alla atomer utom H och He innebär det 8 elektroner i den yttersta energinivån. Atomer vill gärna förlora eller vinna elektroner för att få ett fullt ytterskal- en oktett För vissa atomer är det lättast att förlora elektroner för att uppnå nirvana, för andra är det lättast att vinna elektroner Vilka atomer tror ni vill ”klä av sig” elektroner? Vilka vill ”klä på sig” ytterligare elektroner?

Metaller och icke-metaller Ser att grundämnen som har 5 eller fler valenselektroner är icke-metaller. Vad har de gemensamt? Vill ta upp elektroner för att få ädelgasstruktur! Övergångselement grupp 3-12 Inre övergångselement Ce till Lr Studenterna skall inse att metaller vill förlora elektroner och icke metaller vill lägga till Fig. 3.2

Grupper i periodiska systemet Alkalimetaller H, Li, Na, K, mm Alkaliska jordartsmetaller Mg, Ca mm Halogener F, Cl, Br, I mm Ädelgaser He, Ne, Ar, Kr mm Källa till bild? Ädelgaserna stabila, beror på att de har sin yttersta energinivå fyllt med elektroner. Det är atomernas nirvana. Lägst energi, det andra atomer strävar mot. Vilken atom vill helst förlora en elektron; Na eller Mg? Hur påverkar det joniseringsenergin?

Joniseringsenergi Jmf fig. 3.1 s. 54 Bild 19 Förklara med egna ord varför första joniseringsenergin varierar på detta sätt Inom en period: 1 steg till höger = +1 proton, elektroner attraheras mer, svårare att ta bort elektroner, kostar mer energi, större joniseringsenergi Inom en grupp: 1 steg neråt = elektroner i nytt skal, längre till kärnan, elektronerna attraheras inte lika mycket, lättare att ta bort elektroner, kostar mindre energi, lägre joniseringsenergi Tentatips! Många fenomen kan förklaras om man tänker på elektrostatisk attraktion (i detta fall mellan protoner och elektroner) http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/cact.html

Sammanfattning egenskaper Inom varje period gäller: Stryk det som inte gäller Ju högre atomnummer desto lättare/svårare att ta bort elektroner Ju högre atomnummer desto lägre/högre första joniseringsenengi Metaller vill förlora/lägga till elektroner Icke-metaller vill förlora/lägga till elektroner Fråga: Varför bildar natriumatomen en jon med negativ laddning? Svar: för att den vill förlora en elektron pga att den är en metall. Detta är ett påstående, inte en förklaring. För att förklara detta kan man använda (ev även förklara) oktettregeln.

Full oktett Ädelgaser Metaller (med 1,2 eller 3 valenselektroner) Icke-metaller (med 5,6 eller 7 valenselektroner Kol (med 4 valenselektroner) har redan en, vill ej förändras avger elektroner, bildar positiva joner med ädelgasstruktur vill ta upp elektroner, bildar negativa joner med ädelgas struktur delar elektroner med andra atomer. Metaller klär av sig ytterrocken. Kol vill varken klä av sig eller klä på sig, lösning:delar elektroner med andra atomer. Övning i att fundera på trender i periodiska systemet: http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/matters/periodicTbl2.html

Testa kunskaperna! Tentamen 9 februari 2009 Vid tentan utdelas periodiskt system 1. (1p) Markera korrekt påstående. För att uppfylla oktettregeln behöver en atom med atomnummer 12 a) förlora en elektron (och få laddningen 1+) b) förlora två elektroner (och få laddningen 2+) c) få en elektron (och få laddningen 1-) d) få två elektroner (och få laddningen 2-)

2. (2p) En atom M bildar en jon M+. Markera för varje påstående om det är rätt (R) eller fel (F)   Atomen M och jonen M+ har alltid: a)      samma radie b)      samma antal protoner c)      samma antal elektronskal med elektroner c) samma kemiska egenskaper

I morgon: Viktigt! Kemiska bindningar Kap.4 Jonbindning Varför bildas en jonbindning? Formulera med egna ord! Vad kallas föreningar med jonbindning? Kovalent bindning (elektronparbindning) Varför bildas en kovalent bindning? Formulera med egna ord! Vad kallas föreningar med kovalenta bindningar? Mycket viktigt kap. Grunden för resten av kursen! Tala om det för de som inte är här! Om ni lär er detta kap. kommer ni att förstå varför is är hårt, varför jag kan stoppa fingret i ett glas med vatten och varför luften flyttar sig när jag går så jag kan ta mig fram!

Kemiska bindningar förklarar Hur kan cellerna hålla kvar sitt innehåll inuti cellerna? Varför är ben så hårt? Vad är det som gör att DNA är stabilt? Hur kan muskler vara så starka? Kommer inte att få förklaring nästa föreläsning, men får grund så att ni kan förstå senare.

Konfucius (551-479 f kr) I går kväll smidde jag tusen planer I morse gjorde jag precis som vanligt Det är idag du bestämmer resten av ditt högskoleliv Om ni skall hänga med imorgon: mycket lättare om ni har tittat igenom den här föreläsningen!