Chemické základy života

2008

Hierarchie úrovní

Hierarchie úrovní

Prvky a sloučeniny

• nejmenší částicí prvku, která ještě uchovává jeho typické vlastnosti je atom

Prvky a sloučeniny

• hmota je složena z chemických prvků a z jejich kombinací, kterým říkáme sloučeniny

• Prvek = látka tvořená atomy výhradně se stejným protonovým číslem

• Sloučenina = látka sestávající ze dvou nebo více prvků složených v daném poměru

• sloučenina má odlišné vlastnosti než prvky ze kterých je složena: např sodík (kov) a chlór (jedovatý plyn) tvoří jedlou stolní sůl

Makrobiogenní prvky

• ze 112 známých prvků se jich v přírodě se nachází celkem 94

• Z nich 25 je obsaženo v tělech organismů• 96% hmoty organismů je tvořeno z uhlíku,

kyslíku, vodíku a dusíku • C, O, H, N se někdy nazývají organogenní prvky• Většinu ze zbývajících 4% tvoří vápník, fosfor,

draslík, síra, sodík, chlór a hořčík

Mikrobiogenní prvky(stopové) (=oligobiogenní)

méně než 0,01% Bor (B), Chrom (Cr), Kobalt (Co), Měď (Cu),

Fluor (F), Jod (I), Železo (Fe), Mangan (Mn), Molybden (Mo), Selen (Se), Křemík(Si), Cín (Sn), Vanad (V) a Zinek (Zn)

Prvek Protonové číslo Procentohmotnosti v lidském těle

O Kyslík 8 65,0C Uhlík 6 18,5H Vodík 1 9,5N Dusík 7 3,3Ca Vápník 20 1,5P Fosfor 15 1,0K Draslík 19 0,4S Síra 16 0,3Na Sodík 11 0,2Cl Chlór 17 0,2Mg Hořčík 12 0,1

Stopové prvky (méně než 0,01%): Bor (B), Chrom (Cr), Kobalt (Co), Měď (Cu), Fluor (F), Jod (I), Železo (Fe), Mangan (Mn), Molybden (Mo), Selen (Se), Křemík (Si). Cín (Sn),Vanad (V) a Zinek (Zn)

Zastoupení prvků v biosféře a v zemské kůře

Atomy• ačkoli atom je nejmenší částečka hmoty, která

ještě vykazuje vlastnosti daného prvku, atomy je možno rozložit na ještě menší částice: protony, neutrony a elektrony

• protony a neutrony se nachází v jádře, elektrony víří rychlostí světla kolem jádra

• díky dualistické povaze hmoty můžeme chápat elektron buď jako částici nebo jako vlnu

• díky Heisenbergově principu neurčitosti nemůžeme přesně určit čas a místo daného elektronu

Atomy• na obrázku je atom hélia

Velikost atomového jádra je ovšem značně přehnaná. Kdybychom zvětšili jádro na velikost golfového balónku, celý atom by měl v průměru přibližně 1 km. Většina hmoty je tedy prázdný prostor.

Atomy

• atom daného prvku je definován počtem protonů• Protony (p)• neutrony (a)• elektrony (e)Elektromagnetický náboj

p +1n neutrálníe -1

Hmotnost elementárních částic

• 1 dalton = 1,67 x 10-24g• p = cca 1 dalton• n = cca 1 dalton• e = 1/2000 daltonů

Hmotnost elementárních částic

• jeden proton váží přibližně 1/(6x1023) gramu• jeden gram vodíku obsahuje tedy 6x1023 atomů• toto obrovské číslo, 6x1023, nese název

Avogadrova konstanta• má-li látka molekulovou hmotnost M, pak bude

mít 6x1023 molekul této látky hmotnost M gramů• toto množství se nazývá jeden mol, nebo jedna

grammolekula látky

Moly a molární roztoky

• 1 mol uhlíku má hmotnost 12 gramů• 1 mol glukosy má hmotnost 180 gramů• 1 mol chloridu sodného má hmotnost 58 gramů• molární roztoky mají koncentraci 1 mol látky v 1

litru roztoku• molární roztok (1M) glukosy má koncentraci

180g/l, zatímco milimolární roztok (1mM) má koncentraci 180mg/l

Protonové a nukleonové číslo

• Protonové číslo = atomové číslo = počet protonů (značíme dolním indexem)

8O• Nukleonové číslo = počet protonů + počet

neutronů (značíme horním indexem)16O

Izotop

• Izotopy = Atomy téhož prvku, které se od sebe liší pouze neutronovým číslem

• Tři izotopy uhlíku12C = 6p + 6n (v přírodě kolem 99%, stabilní)13C = 6p + 7n (v přírodě kolem 1%, stabilní)14C = 6p + 8n (v přírodě velmi vzácně, nestabilní)

• všechny tyto isotopy mají stejný počet protonů – jinak by to nebyl uhlík

Metoda C14

• Kosmické záření dopadající na naší Zemi může změnit atom dusíku (7 protonů 7 neutronů) do C14 uhlíku (6 protonů 8 neutronů a atomu vodíku (1 proton 0 neutronů). C14 uhlík je radioaktivní, s poločasem rozpadu 5 730 let

Metoda C14

Metoda C14

• tento C14 uhlík reaguje v atmosféře s kyslíkem za vzniku CO2, který rostliny přirozeně vážou do svých pletiv v rámci fotosyntézy. Zvířata a lidé konzumují rostliny a s nimi rovněž C14. Poměr normálního uhlíku C12 a radioaktivního C14 v atmosféře a v tělech všech živých organismů je v daném čase konstantní: přibližně každý trilióntý atom uhlíku je C14. Uhlík C14 se v tělese neustále rozpadá, avšak je neustále nahrazován novým C14 přijímaným v potravě v konstantním poměru. V této chvíli je v našich tělech stejně jako ve všech žijících organismech na Zemi stejná poměr C12 k C14

Metoda C14

• ve chvíli kdy organismus umírá, přestává přijímat s potravou nový uhlík. V okamžiku smrti je poměr C12 ku C14 stejný jako u všech živých bytost, avšak C14 který se neustále rozpadá nyní není nahrazován. Množství C12 zůstává konstantní, C14 se rozpadá.

• Srovnáním poměru C12 ku C14 v daném vzorku můžeme určit před kolika lety organismus zemřel

Metoda C14

• ve chvíli kdy organismus umírá, přestává přijímat s potravou nový uhlík. V okamžiku smrti je poměr C12 ku C14 stejný jako u všech živých bytost, avšak C14 který se neustále rozpadá nyní není nahrazován. Množství C12 zůstává konstantní, C14 se rozpadá.

• Srovnáním poměru C12 ku C14 v daném vzorku můžeme určit před kolika lety organismus zemřel

Metoda C14

• v 1g uhlíku izolovaném z živého organismu, proběhne 16 rozpadů za minutu. Naměříme-li tedy např. v 1g vzorku (kostry) 4 rozpady za minutu, organismus zemřel přibližně před 11 400 lety

• tato metoda funguje do rozsahu přibližně 60 000 let• další prvky draslík 40 (poločas 1,3 miliardy let) uran 235

(poločas 704 miliónů let) uran 238 (poločas 4,5 miliard let) Tato metoda funguje u organismů zemřelých do roku 1940. Od té doby nukleární bomby, nukleární reaktory a nukleární testy změnily poměry v atmosféře.

Energetické hladiny

• potenciální energie elektronů se ale nemůže kontinuálně měnit, tak jako např. voda v řečišti plynoucí stále dolů

• energii elektronů lze spíše přirovnat k míči na schodišti. Podobně jako takovýto míč může elektron zaujímat pouze určité, diskrétní hladiny potenciální energie, jednotlivé schody

• těmto energetickým hladinám se někdy říká slupky, shells.

Energetické hladiny

Energetické hladiny

• elektrony v první slupce jsou nejblíže jádru a mají proto nejnižší energii

• energii ve druhé slupce mají energii vyšší a elektrony ve třetí slupce nejvyšší

• elektron může přeskočit ze slupky do slupky, ale pouze tehdy, když získá nebo ztratí přesně to stejné množství energie, které tvoří rozdíl mezi oběma slupkami

Energetické hladiny

• například dopad fotonu světla určité vlnové délky může excitovat elektron do vyšší energetické hladiny (touto reakcí například začíná celý proces fotosyntézy)

• aby se elektron z této nestabilní pozice vrátil zpět do slupky blíže jádru, musí získané množství energie vyzářit, obvykle ve formě tepla

• tím je způsobeno například to, že jsou střechy aut v letním dni horké

Energetické hladiny prvních 18-ti prvků

Energetické hladiny prvních 18-ti prvků

Tento obrázek je ovšem značně schematizovaný. Vychází totiž z představy, že elektrony krouží kolem jádra, podobně jako planety kolem Slunce.Ve skutečnosti se elektron pohybuje v určitém prostoru po dráze, kterou nikdy nebudeme schopni zcela přesně stanovit. Místo toho definujeme tzv. orbital jako trojrozměrný prostor, kde se elektron nachází z 90 – 99% pravděpodobností.

Orbitaly

Každá elektronvá slupka se sestává z různých orbitalů různých tvarů. Obr. znázorňuje neón. Horní polovina obrázku lépe odpovídá skutečnosti.

Orbitaly

V každém orbitalu mohou být max. 2 elektrony.Orbital 1s má tvar koule, podobně jako 2s.Orbitaly 2p jsou celkem tři, v osách na sebe kolmých. Každý z orbitalů svým tvarem poněkud připomíná činku, nebo spíše dvojkapku.

Výstavbový princip• podobně jako cizinec v poloprázdném autobusu s

dvojsedadly, elektron nejprve zaujme prázdný orbital, a teprve když jsou všechny orbitaly zaplněné jedním elektronem, začíná obsazování druhých míst.

na obrázku jsou jednotlivé orbitaly schematizovány dvojicemi teček.

Energetické hladiny

• orbitaly = část prostoru v okolí jádra atomu, ve kterém se elektron nachází s 95% pravděpodobností

• Vrstvy (shells) = energetické hladiny v orbitalu. Jejich energie s rostoucí vzdáleností od jádra roste. Čím je tedy elektron dále od jádra, tím větší má potenciální energii

Elektronové hladiny

• Vnější vrstva určuje chování atomu• valenční elektrony = elektrony ve vrstvě

nejvíce vzdálené od jádra• Oktetové pravidlo = valenční vrstva

obsahuje v plném stavu 8 elektronů (s výjimkou H, He)

Energetické hladiny

• první slupka, zvaná K, pojme max. 2 elektrony• druhá slupka,zvaná L, pojme max. 8 elektronů (s

se dvěmi a p se šesti elektrony)• třetí slupka, zvaná M, pojme max. 18 elektronů (s

se dvěmi, p se šesti a d s deseti elektrony)• čtvrtá a pátá slupka, zvané N a O, mohou každá

pojmout 32 elektronů (s,p,d a f s max.14 elektrony)

Zaplněné a nezaplněné slupky v atomech některých běžných prvků

Energetické hladiny• chemické vlastnosti celého atomu závisí ponejvíce

na množství elektronů ve vnější slupce (=té, která je nejvíce vzdálená od jádra)

• tato slupka se nazývá valenční slupka a její elektrony se nazývají valenční elektrony

• atomy se stejným počtem valenčních elektronů mají podobné vlastnosti, např. fluor i chlór mají 7 valenčních elektronů

• je-li valenční slupka zcela zaplněná, atom je nereaktivní. Např. neón má zaplněny obě slupky (2 + 8)

Relativní energie orbitalů v neutrálním atomu s mnoha elektrony

Stoupající energie orbitalů:1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f = 5d, 6p, 7s, 5f = 6d

Chemické vazby

• atomy s nekompletně obsazenou valenční slupkou se mohou kombinovat s jinými atomy tak, aby každý z partnerů zaplnil svou valenční slupku

• to se děje buď sdílením (kovalentní vazba) nebo přenosem (iontová vazba) valenčních elektronů

Chemické vazby

• chemických vazeb se účastní pouze elektrony• Kovalentní• iontová• vodíková• van der Waalsova

Kovalentní vazba

= sdílení elektronového páru• jednoduchá, dvojná, trojná• Kovalentní vazba

nepolárně kovalentnípolárně kovalentní

Příklady kovalentní

vazbya. oba atomy vodíku

zaplnily svou valenční slupku a sdílejí dva elektrony.

b. atom kyslíku má šest valenčních elektronů, potřebuje tedy ještě dva navíc. Dva atomy kyslíku sdílejí celkem čtyři elektrony, jejich vazba je proto dvojná.

Nepolárně kovalentní vazba Nastává pouze v případě že se jedná o vazbu mezi

atomy téhož prvku

…ovšem např. v případě vazby C-H se jedná rovněž o nepolární vazbu, protože uhlík a vodík se liší v elektronegativitě jen nepatrně.

Polárně kovalentní vazba

• Elektronegativita = schopnost vázaného atomu přitahovat elektrony chemické vazby

Vodíková vazba

• v přírodě jsou velmi důležité i vazby mezi molekulami navzájem, které jsou dočasné a snadno vznikají i rozpadají se.

• např. v signalizaci mezi buňkami v mozku probíhá signál díky molekule, která se dočasně naváže na molekulu receptoru, vyvolá okamžitou odpověď a pak se vazba přeruší. Kdyby se jednalo o kovalentní vazbu, mozek by nemohl fungovat (pak by např. zvuk zvonku zněl v naší hlavě stále)

Vodíková vazba

Tento typ interakce je podmíněn• existencí volných elektronových párů na

některém z atomů vázaných v molekule• přítomností atomu vodíku vázaného s

atomem, který má vysokou elektronegativitu

• energie vazby zprostředkované vodíkovým můstkem je podstatně menší než energie běžné kovalentní vazby

Vodíková vazba

Vodíková vazba

Iontová vazba• někdy je nerovnost v elektronegativitě tak velká,

že atom s větší elektronegativitou přetáhne elektron kompletně k sobě

• takto vznikne velmi pevná iontová vazba (odpovědná např. za tvrdost mramoru)

Iontová vazba

= valenční elektron jednoho atomu je vtažen do valenční vrstvy druhého atomu

Ionty = atomy které získaly nebo ztratily elektrony

• Ztráta elektronu = kation• Na = 11p + 11n + 11e

• Na+ = 11p + 10e + 11n

Ionty = atomy které získaly nebo ztratily elektrony

• Zisk elektronu = anion• Cl = 17p + 17e + 17n

• Cl- = 17p + 18e + 17n

Iontová vazba

Kuchyňská sůl, NaClPokud termín „molekula“ znamená kovalentí vazbu (sdílení elektronů) mezi dvěma prvky, pak NaCl není molekula.Krystaly soli v přírodě jsou velmi tvrdé, ale jak uvidíme na dalších obrázcích, snadno se rozpouští ve vodě

Iontová vazba

Srovnání iontové a kovalentní vazby

Van der Waalsovy síly

• i v nepolárních atomech se elektrony neustále pohybují a tak vznikají na kratičké okamžiky oblasti nabité kladně či záporně

• výsledkem je množství neustále se měnících náhodně vzniklých „hot spots“, kterými mohou být k sobě dvě molekuly přitahovány

• = síly coulombické, indukční a disperzní• mnohem slabší než energie vazeb kovalentních,

objevují se jen tehdy, když jsou molekuly či atomy těsně u sebe

Kovalentní a nekovalentní vazby

Síla vazby se měří jako energie potřebná k přerušení této vazbyVodíková vazba je např. asi 20x slabší (5%) než kovalentní vazba

Biologická funkce molekuly je ovlivněna jejím tvarem

• molekuly vzniklé ze dvou stejných atomů jsou vždy lineární, např. H2 nebo 02

• kovalentní vazba mezi odlišnými atomy obvykle mění tvar orbitalů

• např. při vzniku molekuly vody orbitaly s a p hybridizují a vytváří strukturu podobnou kapkám vycházejících z jádra atomu kyslíku. Kdybychom spojili jejich konce, vznikl by tzv. tetrahedron. Výsledná molekula má pak tvar písmene „V“

Biologická funkce

molekuly je ovlivněna jejím

tvarem

Biologická funkce molekuly je ovlivněna jejím tvarem

• správný tvar molekuly je nezbytný např. v signalizaci mezi dvěma buňkami mozku. Molekula zapadá do svého receptoru (=nějaká membránová bílkovina) podobně jako zámek do klíče.

Navázání neurotransmitteru k receptoru je možné díky slabým interakcím. Signální molekula stimuluje aktivitu receptorové buňky

Mimetické molekuly

• molekuly, které jsou svým tvarem podobné neurotransmitterům, mohou v mozku ovlivnit náladu či vnímání bolesti

• morfin a heroin např. napodobují tzv. endorfiny, které se přirozeně v mozku vyskytují

• morfin a heroin navozují euforii a odstraňují bolest tím, že se navazují na endorfinové receptory

Mimetické molekuly

Dimitrij Ivanovič Mendělejev (1834 – 1907). Je objevitelem periodického zákona prvků z roku 1869.