Chemické základy života

1. Chemické základy života 2008

2. Hierarchie úrovní

3. Hierarchie úrovní

4. Prvky a sloučeniny • nejmenší částicí prvku, která ještě uchovává jeho typické vlastnosti je atom

5. 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

6. 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

7. 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)

8. 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)

9. Zastoupení prvků v biosféře a v zemské kůře

10. 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

11. 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.

12. Atomy • atom daného prvku je definován počtem protonů • Protony (p) • neutrony (a) • elektrony (e) Elektromagnetický náboj p +1 n neutrální e -1

13. Hmotnost elementárních částic • 1 dalton = 1,67 x 10-24g • p = cca 1 dalton • n = cca 1 dalton • e = 1/2000 daltonů

14. 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

15. 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

16. Protonové a nukleonové číslo • Protonové číslo = atomové číslo = počet protonů (značíme dolním indexem) 8O • Nukleonové číslo = počet protonů + počet neutronů (značíme horním indexem) 16O

17. Izotop • Izotopy = Atomy téhož prvku, které se od sebe liší pouze neutronovým číslem • Tři izotopy uhlíku 12C = 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 

18. 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

19. Metoda C14

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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.

24. 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.

25. Energetické hladiny

26. 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

27. 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

28. Energetické hladiny prvních 18-ti prvků

29. 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.

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

31. 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.

32. 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.

33. 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

34. 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)

35. 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)

36. Zaplněné a nezaplněné slupky v atomech některých běžných prvků

37. 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)

38. 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

40. 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

41. Chemické vazby • chemických vazeb se účastní pouze elektrony • Kovalentní • iontová • vodíková • van der Waalsova

42. Kovalentní vazba = sdílení elektronového páru • jednoduchá, dvojná, trojná • Kovalentní vazba nepolárně kovalentní polárně kovalentní

43. Příklady kovalentní vazby • oba atomy vodíku zaplnily svou valenční slupku a sdílejí dva elektrony. • atom kyslíku má šest valenčních elektronů, potřebuje tedy ještě dva navíc. Dva atomy kyslíku sdílejí celkem čtyři elektrony, jejich vazba je proto dvojná.

44. Nepolárně kovalentní vazbaNastává 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.

45. Polárně kovalentní vazba • Elektronegativita = schopnost vázaného atomu přitahovat elektrony chemické vazby

46. 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)

47. 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

48. Vodíková vazba

49. Vodíková vazba