Medicinsk Teknik KTH Biologisk kemi Vt 2010 Märit Karls

En presentation över ämnet: "Medicinsk Teknik KTH Biologisk kemi Vt 2010 Märit Karls"— Presentationens avskrift:

1 Medicinsk Teknik KTH Biologisk kemi Vt 2010 Märit Karls
Kemiska bindningar Medicinsk Teknik KTH Biologisk kemi Vt 2010 Märit Karls Snökristallen hämtad från: Rep bilder från atomteori: Elektronfördelning, fig. 3.5 Kemisk förening OBS! augusti 08 upptäcker jag att jag inte förklarat polära molekyler tillräckligt! 090129: en bra länk från seminariet: OK att visa länken online. En annan mycket bra länk som jag kan använda för kemisk bindning och termodynamik och löslighet

2 Kemiska bindningar Kap.4
Jonbindning Varför bildas en jonbindning? Formulera med egna ord! Vad kallas föreningar med jonbindning? Kovalent bindning (elektronparsbindning) Varför bildas en kovalent bindning? Formulera med egna ord! Vad kallas föreningar med kovalenta bindningar? Intermolekylära krafter Varför är is hårt? Varför kan jag stoppa ett finger i ett vattenglas? Varför flyttar sig luften när jag går? 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!

3 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 enl ”bussprincipen” s. 89 Cl Klor grupp 7, alltså 7 valenselektroner. Förargligt , kloratomen saknar en enda elektron! Kan ni komma på nåt sätt, så att den får fullt skal känner sig påklädd?

4 NaCl, natriumklorid En e- från Na flyttar till Cl.
Bägge uppfyller oktettregeln Na blir Na+, en katjon Cl blir Cl-, en anjon NaCl = koksalt, men alla jonföreningar kallas salter Bra bild i Martini fig. 2-3! Rita på tavlan!

5 Jonbindning Bildas mellan Metall och Icke-metall pga
Metall vill förlora e- Bildar katjon Tomt valensskal Icke-metall vill få mer e- Bildar anjon Fullt valensskal Mellan katjon och anjon bildas elektrostatisk attraktion- jonbindning Se fig. 4.1 s. 77 Bilden från Biology Project. Rekommenderas! Mycket stark bindning mellan jonerna, En Na-jon attraherar 6 Cl-joner, som attraherar 6 Na-joner. 1 NaCl existerar eg inte, det är ett hypotetiskt medelvärde. NaCl smälter vid 804 ○C.

6 Jonstorlek Positiva joner; Negativa joner; Förklara varför
Katjoner mindre än atomen Negativa joner; Anjoner större än atomen Förklara varför Fig. 4.2 s. 81 Na Na+ Cl- Cl Storleken på joner viktig för kroppen, ex. Na joner skall passera cellmembran genom kanaler. Titta på Träna på att förklara! OBS! det finns både som atomer och joner! Träna på denna länk!

7 Exempel på jonföreningar
Vilka laddningar får jonerna nedan? Katjoner: Na Mg Al Anjoner: Cl O N Pussla ihop jonerna till jonföreningar Na Cl Mg Cl Al Cl Na O Mg O Al O Na N Mg N Studenterna får bara rubriken. Skriv på tavlan. Låt studenterna gissa först laddning, sen formel. Några studenter får Na, några Mg några Al Titta på reaktionen

8 Symboler för jonföreningar
     Katjonen först! Summan av laddningarna skall vara noll CaCl2 Antal atomer

9 Namngivning Katjon först, -id sist! Natriumklorid Magnesiumbromid
Aluminiumoxid Magnesiumnitrid

10 Kovalent bindning Ex. två väteatomer Ingen av atomerna : Lösning:
Fig. 4.3 s. 87 Ingen av atomerna : vill ge bort e- är stark nog att dra till sig en e- från den andra Lösning: Dela på ett elektronpar Typiskt för icke-metaller H H strukturformel H2 summaformel Fig. 4.3 finns den på CDn?

11 Jämför kovalent/jon-bindning
Kovalent bindninng uppstår när en eller flera elektroner samtidigt attraheras av flera atomkärnor. Varför blir det en bindning när två atomer delar på ett elektronpar? Elektronmolnet tätast mellan atomkärnorna, kärnorna dras mot varann; ger en sammanhållande kraft, den kallar vi bindning. Kovalent bindning uppstår när en eller flera elektroner samtidigt attraheras av flera atomkärnor. Titta på Graphics Gallery!

12 Jämför joner/molekyler
Joner laddade Molekyler är neutrala Joner sitter i bestämda mönster, gitter,starka elektrostatiska bindningar mellan jonerna, saltkristaller, formeln är ett medelvärde, det existerar inte 1 NaCl. Molekyler är enheter bestående av atomer som hålls ihop genom att de delar elektronpar, formeln representerar atomerna i en molekyl. Molekylerna kan röra sig fritt i förhållande till varann i flytande och gastillstånd. Kallas ett salt fig. s. 75 Egenskaper?

13 Oktettregeln Holum s. 82 The atoms of the reactive representative elements tend to undergo those chemical reactions that most directly give them electron configurations of the nearest noble gas. Atomer av representative grundämnen tenderar att genomgå sådana kemiska reaktioner som på enklaste sätt ger dem en elektronfördelning som motsvarar elektronfördelningen för närmaste ädelgas. Formulera med egna ord! Ex på hur man kan formulera med egna ord för att göra om kunskap så att det blir något integrerat i en själv. Min formulering: Atomer vill reagera med andra atomer så att de uppnår ädelgasstruktur.

14 Kovalens Hur många elektroner saknar atomerna för att uppnå full oktett? Hur många kovalenta bindningar kommer de att ha i en molekyl? Se tab. 4.2 s. 93 OBS! Central bild! Kan man detta får man många poäng på tentan! Skriv i på tavlan: H-, -O- osv sätt ut fria elektronpar. Glöm elektronerna i K-skalet!

15 Kolatomens bindningar
Kolatomen kan ha 4 kovalenta bindningar. Bilderna från Biology Project. Det finns ca 6 miljoner kända kolföreningar. Varför finns inga koljoner? Kolatomen kan ha 4 kovalenta bindningar Varför finns inga koljoner?

16 Exempel på molekyler H2, F2, Cl2, O2, N2 H2O, NH3, CO2, CCl4
NO, N2O, NO2 Namn? Strukturformler? Hur sitter atomerna ihop? Nobelpris 1998 Ignarro m fl upptäckter rörande kväveoxid som en signalmolekyl i hjärt-kärlsystemet" Eg inte läge att förutsäga strukturformler än, vi ska använda Lewis struktur för att se struktur NO kväveoxid, mycket intressant! Bildas i kroppen när man äter nitroglycerin. Detta upptäcktes först 1977. Efter nobelpriset har man upptäckt att NO har effekt på minne, immunitet, neurotransmission, mm Robert F Furchgott studerade effekten av olika mediciner på blodkärlen och fick flera gånger motsägande resultat. En och samma medicin orsakade ibland sammandragning och vid andra tillfällen utvidgning av kärlen. Han funderade på om dessa variationer kunde bero på om ytcellerna i kärlens väggar var skadade eller inte visade han att utvidgningen av kärlen endast skedde om cellerna var oskadade och att det skedde genom att cellerna producerade en speciell signalmolekyl. Han kallade denna molekyl ERDF (endothelium-derived relaxing factor). Ignarro deltog i sökandet efter ERDFs kemiska sammansättning och fann till slut att ERDF var identiskt med kväveoxid.

17 Lewis struktur för molekyler
s. 91 Holum Att lära sig skriva Lewisstrukturer är ett sätt att få bättre känsla för var elektronerna befinner sig i en molekyl. Det är nödvändigt när man studerar kemi, eftersom kemiska reaktioner innebär att valenselektroner byter plats när bindningar bryts och nya bildas Hjälpmedel för att förutsäga strukturformler

18 För att studenterna skall få tom ruta i hand-outs att fylla i.

19 Enkelbindning Skriv Lewisstrukturer för
H2 CH4 F2 Kontrollera att oktettregeln är uppfylld                                                                         Skriv på tavlan. Tom ruta i hand-outs.

20 Ammoniak Obs! ett fritt elektronpar på kväveatomen
Skriv på tavlan. OBS! FRITT ELEKTRONPAR, BRA ATT KOMMA IHÅG TILL VÄTEBINDNING! 1: skelett 2: antal valenselektroner. Det är de som deltar i kovalenta bindningar mellan atomerna 3: fördela alla valenselektroner så att alla atomer uppfyller oktettregeln Obs! ett fritt elektronpar på kväveatomen

21 Koldioxid Gå igenom Ex. 4.13 s. 102 Holum
Kontrollera resultatet på två sätt! A) Har alla atomer full oktett? Räkna alla elektroner som omger en atom B) Bokför elektroner runt varje atom. Räkna varje elektron bara en gång (formal charge) Hur många elektroner får C-atomen? Hur många elektroner får O-atomen? Fördela elektroner mellan kol och syre. Kol får 4 och syre får 6, stämmer med grupp i periodiskt system, då är de neutrala, oladdad molekyl.

22 Dubbelbindning! Denna bild kan vara med i hand-outs Varje atom omges av 8 elektroner (oktettregeln uppfylld) Kol får 4 egna elektroner, syre får 6 egna elektroner, Stämmer med grupp i periodiska systemet = valenselektroner Dvs neutrala, ingen laddning, oladdad molekyl Fig. s. 93

23 Joner kan bestå av flera atomer
En grupp atomer som binds ihop med kovalenta bindningar kan ha överskott eller underskott på elektroner, dvs vara laddade joner Ex. NH4+ ammoniumjon NO3- nitratjon SO42- sulfatjon (löst ex s. 103) OH- hydroxidjon CO32- karbonatjon PO43- fosfatjon De här ska ni kunna! Tab. 4.3 s. 98

24 Vanliga joner i blod och celler
Skriv Lewisstrukturer för: Fig s. 647 HCO3- bikarbonat H2PO4- divätefosfat fig elektrolyter i kroppsvätska

25 Kolatomens bindningar
C-H vanligast Andra atomer som kolatomen gärna binder: HONSP Extremfallet: Diamant, bara kolatomer med kovalenta bindningar Visa diamantmodell. Bara kolatomer, olika färg för att se att varje atom är omgiven av 4 andra i en tetraederform. Diamant ett enormt nätverk av kovalenta bindningar. Extremt starkt, smp 3600 grader C. Annat exempel på extrem kolförening: fullerener, boll med skal av kolatomer. Varför blir molekylformen tetrahedral?

26 Varför blir vattenmolekylen vinklad?

27 Elektronmolnen bildar tetraedrar
OBS! Fria elektronpar N har 1 par NH3 pyramidal O har 2 par H2O vinklad Bra animering, ser samma som bilden ovan men tydligare med elektroner Titta på animering! Se även Fig. 4.6 s. 106

28 Intramolekylära bindningar
Atomer hålls ihop av elektrostatiska krafter mellan ……protoner och …….elektroner Joner hålls ihop av elektrostatiska krafter mellan ……..joner och ……..joner En molekyl hålls ihop av ………………… men finns det krafter mellan molekyler? Men vad är det som håller ihop molekylerna? T.ex. en isbit i ett glas med vatten, när den smälter flyter vattnet ut i glaset, varför? vad är det som gör att jag kan stoppa ner fingret och molekylerna flyttar på sig?

29 Intramolekylära Intermolekylära krafter krafter
Attraktion mellan molekyler, avgör om ämnet är fast, flytande eller gasformigt Krafter som håller ihop atomer inom molekyler dvs bindningar Om det inte fanns attraktioner mellan molekyler skulle alla ämnen vara gaser! Vt 08. Repetition: börja med denna bild, sedan För att sönderdela vatten (bryta bindningar mellan väte och syreatomer) krävs över 500 grader C, för att koka vatten (bryta bindningar mellan vattenmolekyler) räcker det med 100 grader.

30 Vad händer när vatten kokar?
Skriv på tavlan H2O (s), behåller sin form, resp (l), tar behållarens form, (g) fyller hela behållaren. Man kan jämföra molekyler med studenter; Föreläsning: alla har sina givna platser, vifta med armarna = S, Rast kan flytta sig förbi varann, men fortfarande inom husets väggar = l Går hem, diffunderar ut över hela Storstockholm eller ännu längre = g Bra animering på när vatten kokar: Titta på när vatten kokar!

31 Polära kovalenta bindningar elektronerna delas inte rättvist
Om atomerna har olika förmåga att attrahera elektronerna i den kovalenta bindningen, bildas en delvis positiv pol och en delvis negativ pol Molekylen kan bli en dipol δ - δ+ H F Polär kovalent bindning

32 Jämför olika bindningar
Hur kan man avgöra om bindningen är polär eller opolär?

33 Elektronegativitet förmåga att attrahera det gemensamma elektronparet i en kovalent bindning
H 2,2 C 2,5 N 3,0 O 3,5 FONClerBrISCH H C N O Hur förändras elektronegativitet inom en period? Hur förändras elektronegativitet inom en grupp?

34 Polär eller opolär bindning?
Om skillnad i elektronegativitet mellan atomerna är ›1,7 övervägande jonbindning 0,5-1,7 polär kovalent bindning 0-0,5 övervägande opolär kovalent bindning

35 Polära molekyler- dipoler
CH4 ej dipol CCl4 ej dipol!!?? CH3Cl dipol CH2Cl2 dipol CHCl3 dipol H2O dipol Tack och lov!!! Varför?????? Tips! Titta på kolatomens bindningar fig. 4.7 s.107 och Ex s. 110 Practice exercise 20 s.111! Se bild Elektronmoln bildar tetraedrar Fundera på: NH3? CO2? Bilden kan hoppas över om vi har tidsbrist. Kanske bättre att säga icke dipol Mars 2009: Enl vissa tabeller är skillnad i elektronegativitet mellan C och Cl mindre än 0,5, alltså inte en polär bindning. Kan jag hitta andra ex.?

36 Jon-dipolbindning Exempel Annat exempel
upplösning av ett salt i vatten Annat exempel I Hb binder fyra Fe2+ joner varsin syrgasmolekyl. Syremolekylen blir en inducerad dipol Bra animering av upplösning av salt. Bildas hydratiseringsmoln runt varje jon Fig 7.2 s. 181 Titta på animering!:

37 Dipol-dipol bindning Elektrostatisk attraktion mellan polära molekyler (dipoler) Viktigt exempel på dipol-dipolbindning är hydratisering av polära molekyler (upplösning i vatten) Upplösning i vatten är ju oftast vätebindning som är specialfall av dipol-dipol Titta på animering!

38 Vätebindningar Markera vätebindning i fig.!
I molekyler med bindning mellan väteatom H och Fluoratom F Syreatom O Kväveatom N bildas en starkt polär kovalent bindning, den är orsak till att vätebindningar kan bildas H blir ”elektronfattigt”, kan attraheras av fritt elektronpar på atomer i andra molekyler Rel. Elektroneg. H=2.2, F=4.10, O=3.50, N=3.0. annars skulle inte isen frysa,mm!!!!!!!!! Vätebindning är ett specialfall av dipol-dipolbindning, starkare än andra dipol-dipolbindningar Fig. 7.5 s. 188 Markera vätebindning i fig.!

39 Vätebindning Vattenmolekyl kan både donera och acceptera
vätebindningar Markera i fig. OBS! Vätebindning är en bindning mellan molekyler Återkommer senare till vätebindning. Fig. 6.9 s.168 Titta på:

40 Vattnets egenskaper Tack och lov för vätebindningar!
Max densitet vid + 4 ºC Is flyter på vatten Hög kokpunkt Vätska vid rumstemperatur Hög ytspänning regndroppar Hög värmekapacitet Utjämnar värme Lösningsmedel för joner och polära molekyler Syresatt vatten sjunker till botten när isen smälter, får syre till växter och fiskar Om det inte fanns vätebindningar skulle vatten koka vid –50 grader! Kan inte ens föreställa mig hur regn skulle kännas om det inte kom i droppar Tänk på en sandstrand vid Medelhavet! Solsken Het sand, varför inte hett vatten? Vatten bättre på att ta hand om värme utan att öka i temp Sida med bilder på vackra snökristaller: Sida där man bl a kan jämföra molekylmodell av vatten och is Tack och lov för vätebindningar!

41 Löslighet Den maximala mängd av ett ämne som kan lösas i ett givet lösningsmedel Byter ut intermolekylära bindningar i ämnet resp i lösningsmedlet mot nya bindningar mellan ämnet och lösningsmedlet Beror på de intermolekylära krafterna i ämnet Titta på bilderna Dipol-dipol bindning Jon-dipolbindning ”Lika löser lika” Hydrofil = Hydrofob = Bra animering om upplösning av metanol i vatten. Byter ut vätebindningar mellan metanolmolekyler mot vätebindningar mellan metanol-vatten Lagt till mars 09: Fråga studenter: är det någon skillnad på ”löser sig” och ”blandas”? Hydrofoba molekyler kan inte bryta vätebindningar mellan vattenmolekyler, eftersom det inte kan bildas lika starka bindningar mellan de hydrofoba molekylerna och vattenmolekyler.

42 Dessa krafter skall bytas ut
Lagt till 19 jan 09.

43 Nya krafter mellan löst ämne-lösningsmedel
                                                                                               I detta fall: hydratisering, upplösning i vatten

44 Hydrofob interaktion Borde kallas hydrofob uteslutning
Vattenmolekylerna pressar ihop de opolära molekylerna. Borde kallas hydrofob uteslutning

45 Men finns det krafter mellan opolära molekyler??
Ja. Kvävgas består av N2-molekyler Vid låg temperatur bildas flytande kväve Tyder på att det finns krafter mellan kväve- molekylerna Även ädelgaser kan vara flytande! Brommolekyler borde vara opolära, men ändå är ren brom flytande, tyder på attraktioner mellan molekylerna.

46 London dispersionskrafter
Polarisering av elektronmoln (elektroner förskjuts till ena sidan) ger en tillfällig (temporär) dipol Attraktion mellan till- fälliga dipoler kallas London dispersion forces (van der Waalskrafter) Ju större elektronmoln desto lättare bildas dipol Gått igenom vad som håller ihop joner och dipoler: Elektrostatisk attraktion, plus och minus dras till varann. Men hur hålls opolära molekyler ihop? t.ex ädelgaserna? Molekyler är mjuka, elektronmoln i st f elektronskal, OK att visa länken. : Det jag kallar van der Waalsattraktion kallas dispersionskrafter eller London forces, det är en typ av van der Waalsattraktion enl äldre terminologi. Jodnäsa! Metan CH4 kp -162 C, butan C4H10 kp 0 C större kontaktytor mellan molekylerna Fig. 6.5 s. 161 Varför bildas dessa krafter? Titta på länken!

47 Inducerade dipoler http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html
Warning!  There's a bit of a problem here with modern syllabuses. The majority of the syllabuses talk as if dipole-dipole interactions were quite distinct from van der Waals forces. Such a syllabus will talk about van der Waals forces (meaning dispersion forces) and, separately, dipole-dipole interactions. All intermolecular attractions are known collectively as van der Waals forces. The various different types were first explained by different people at different times. Dispersion forces, for example, were described by London in 1930; dipole-dipole interactions by Keesom in 1912. Läs mer om dispersionskrafter!

48 Varför har Neon lägre kp än Xenon?
För att neon har lägre massa? Inte fel, men ingen bra förklaring. Förklara varför det blir svagare elektrostatisk attraktion mellan neon- molekyler! OBS! ´På föreläsningen/hand-outs stod det tvärtom, men jag sa att det var fel, studenterna bör ha ändrat!

49 Jmf joner/ kovalenta föreningar
Jonföreningar salter Jonerna hålls ihop av stark elektrostatisk attraktion Existerar som ett tredimensionellt nätverk av joner Hög smp och kp Fasta vid rumstemp. Kovalenta föreningar molekyler Molekylerna hålls ihop av relativt svaga krafter Relativt låg smp och kp Finns både som fast fas, vätska och gas Träna på att bilda olika typer av föreningar! Se bild 12 ”jmf joner och molekyler”

50 Intramolekylära krafter Sammanfattning
Bindningar mellan atomer i joner/molekyler Starka bindningar: Jonbindning kJ/mol Kovalent bindning kJ/mol Ex. för att sönderdela vatten (bryta bindningar mellan syre och väte atomerna) krävs 1000 º C Bryts/bildas vid kemiska reaktioner Förklarar kemiska egenskaper Vilka ämnen som reagerar med varandra Kemiska egenskaper, t.ex. Vilka ämnen som reagerar med varandra. OBS! När vatten deltar i kemiska reaktioner krävs inte 1000 ºC. Då får man energi genom att det bildas nya bindningar.

51 Intermolekylära krafter
Attraktioner mellan molekyler och joner Beror på bindningar inom molekylen Svagare än intramolekylära krafter 1-30 kJ/mol Påverkar strukturen av proteiner, DNA mm Förklarar fysikaliska egenskaper Löslighet Smältpunkt Kokpunkt Styrkan i intermolekylära attraktioner mycket svagare än intramolekylära krafter, 0,001 % till 10 % av typisk kemisk bindning. OBS! Jon-dipolbindning ungefär lika stark som jon-jonbindning! Vanlig tentafråga: jmf olika organiska föreningar, förklara skillnader i löslighet eller kokpunkt

52 När har intermolekylära krafter betydelse?
Löslighet Smältpunkt, kokpunkt Sekundärstruktur hos proteiner Tertiärstruktur hos proteiner Attraktion mellan enzym och substrat Attraktion mellan strängarna i DNA Ett mycket viktig specialfall av dipol-dipolbindning är vätebindning. Är avgörande för exemplen ovan.

53 Enzym + substrat Kolla vilket enzym binder till cycliskt AMP
Markera olika intra –och intermolekylära bindningar i fig.

54 Hb får sin form tack vare intermolekylära attraktioner.
Detta är krafter inom en molekyl, skall man kalla dem intermolekylära??

55 Kokpunkter Vid kokning bryts inter-molekylära bindingar
Ju starkare bindning desto högre kp Varför har H2O, NH3 och HF så höga kokpunkter? Fig. 6.8 s. 167 x-axel: periodnummer, se tabell i diagrammet. Börja med grupp 4, Ge.Si, CH4. Grupp 5: SB, As, P, NH3! Oväntat hög! Grupp 6: Te, Se, S, H2O! Oväntat hög! Grupp 7 I,Br,Cl, HF! Oväntat hög! Ex. på att man måste förstå vilka attraktioner som bryts vid kokning: Fig. 6.8 s. 167

56 Tentafrågor Kemisk bindning
3. (4p) a) Vad betyder begreppet elektronegativitet? b)      Beskriv hur och förklara varför elektronegativiteten ändras inom en period. c)      Beskriv hur och förklara varför elektronegativiteten ändras inom en grupp.

57 4. (1p) Markera vilka två påståenden som är korrekta
a)      Alla föreningar med polära kovalenta bindningar är dipoler b)      Föreningar som endast har opolära bindningar kan inte vara dipoler c)      Ammoniak är exempel på en dipol d)      Koldioxid är exempel på en dipol

58 5. (1p) Hos vilken av nedanstående föreningar har man de mest polära kovalenta bindningarna inom molekylen? a) CH4 b) CCl4 c) H2S d) HCl e) HBr

59 6. (2p) Vad kallas bindningarna som bryts när man:
 a)      smälter is    b)      smälter kristaller av ren jod, I2 c)      löser bordsalt i vatten  d)      destillerar (dvs kokar) etanol

60 7. (2p) Rita Lewisstruktur för
a) NH3 b) OH-

61 Konfucius (551-479 f kr) Bär varje dag en hink grus till samma ställe
och du kan bygga ett berg Om ni skall hänga med imorgon: mycket lättare om ni har tittat igenom den här föreläsningen!