KEMI Vigtig baggrundsviden for biologer

Transkript

1 KEMI Vigtig baggrundsviden for biologer af Niels Roholt Århus Akademi 1994 For at forstå, hvordan en levende organisme fungerer, må man vide noget om sammensætningen af stofferne i protoplasma og de ændringer, der kan ske med dem. Med andre ord, for at studere biologi, må man kende lidt til kemi. Denne tekst er en oversigt over nogle få elementære kemiske principper, som alle bør kende. Atomer Et vigtigt spørgsmål med hensyn til stofs natur er, om det er kontinuert eller atomart. Hvis stof var kontinuert, kunne det deles igen og igen i mindre og mindre stykker i en uendelighed uden at ændre sine egenskaber. F.eks. hvis man skærer en jernstang i to stykker, kan man stadig genkende begge stykker som jern. Men videnskabelige undersøgelser har ført til den konklusion, at denne proces ikke kan fortsættes i det uendelige. Man mener i dag at vide, at jern består af små partikler, der kaldes atomer. Hvis et jernatom deles yderligere på en eller anden måde, er enkeltdelene ikke længere jern. På lignende måde menes alle stoffer at være opbygget af atomer. Forskellen mellem et stof og et andet afhænger af de atomer, de består af, og den måde atomerne er sat sammen på. Selv om man på et tidspunkt anså atomerne for at være udelelige, ved vi i dag, at et hvert atom er opbygget af endnu mindre elementarpartikler: protoner med en positiv ladning, elektroner med en negativ ladning og neutroner uden nogen elektrisk ladning. Protoner og neutroner er koncentreret i atomkernen, en meget lille og tæt region i centrum af atomet. Antallet af elektroner i et hvert atom er det samme som antallet af protoner. Denne størrelse kaldes atomets atomnummer. Grundstoffer Selv om et stof synes at være ensartet på alle måder, kan det være muligt at adskille det i to eller flere stoffer ved hjælp af varme, elektricitet eller kemisk behandling. Næsten alle stoffer kan nedbrydes til andre. Nogle kan imidlertid ikke, og disse kaldes for grundstoffer. Der findes 103 kendte grundstoffer. Alle atomer af et givent grundstof er essentielt ens, men de adskiller sig fra atomerne af et hvert andet grundstof. F.eks. har alle atomerne af et givent grundstof det samme atomnummer, dvs. det samme antal protoner i kernen og det samme antal elektroner i rummet rundt om kernen. Atomnummeret for Hydrogen ( brint ) er 1; dets atomer indeholder altid 1 proton og 1 elektron. Atomnummeret for Carbon ( kulstof ) er 6; dets atomer indeholder altid 6 protoner og 6 elektroner. Kernen i et atom indeholder også neutroner (med undtagelse af det simpleste Hydrogenatom), men neutronerne tælles ikke med i atomnummeret. Et grundstof kan defineres 1

2 FIG. 1. ISOTOPER AF HYDROGEN Alle atomer af et grundstof har det samme antal protoner og elektroner - dvs. det samme atomnummer - men antallet af neutroner varierer. Der kendes tre varianter af Hydrogen: almindelig Hydrogen, uden nogen neutroner; Deuterium med 1 neutron; Tritium med 2 neutroner. Der er derfor Hydrogenatomer med atomvægte på 1, 2 og 3. Varianter af et grundstof, med samme atomnummer og forskellige atomvægte, kaldes isotoper. som et stof, der udelukkende består af atomer med det samme atomnummer. Atomvægt (massetal) Vægten af en neutron er tilnærmet den samme som vægten af en proton; vægten af en elektron er så lille, at den kan ignoreres. Hvis man derfor tilskriver en vægt på 1 til hver proton og hver neutron, kan vægten af et atom udtrykkes som summen af protoner og neutroner i kernen. Et Carbonatom med 6 protoner og 6 neutroner har således en atomvægt dvs. et massetal på 12. Et hydrogenatom med 1 proton og 0 neutroner har en atomvægt på 1. Isotoper Alle atomer i et grundstof har det samme antal protoner og elektroner, men ikke nødvendigvis det samme antal neutroner. Carbonatomer med 6 protoner og 6 neutroner i kernen er den mest almindelige form, men der findes Carbonatomer med 4, 5, 6, 7, 9 og 10 neutroner. Der findes således Carbonatomer med atomvægte på 10, 11, 12, 13, 14, 15 og 16. Disse varianter af Carbonatomet, med det samme atomnummer, men forskellige atomvægte, kaldes for isotoper af Carbon (Iso = samme; top = sted). I faglige tekster adskilles en isotop af et grundstof fra en anden ved at tilføje atomvægten til grundstoffets navn; f.eks. Carbon-12, Carbon-14 og Carbon-16; eller Uran-235 og Uran-238. Der findes tre kendte isotoper af Hydrogen (se figur 1). Almindelig Hydrogen med 1 proton og 0 neutroner har en atomvægt på 1. En anden variant, der kaldes Deuterium, med 1 proton og 1 neutron, har en atomvægt på 2. Den tredje variant kaldes Tritium, med 1 proton og 2 neutroner, og har en atomvægt på 3. Radioaktivitet Atomerne i mange isotoper er ustabile. Hermed menes, at deres kerner har en tendens til at udsende partikler, og ved at gøre dette ændres 2

3 de til atomer af et andet grundstof. Sådanne isotoper siges at være radioaktive. Adskillige af de naturligt forekommende grundstoffer som Uran og Radium er radioaktive. Utallige radioaktive isotoper af lettere grundstoffer er også blevet lavet ved at bombardere deres atomer med atompartikler med stor hastighed. Tilstedeværelsen af et radioaktivt grundstof kan spores ved de partikler, eller den stråling som de udsender. En Geigertæller, f.eks., er et instrument, der afgiver en elektrisk impuls, hver gang en partikel fra en radioaktiv kilde passerer igennem den. Radioaktive isotoper bruges til mange forskellige biologiske eksperimenter. F.eks. er Carbon-14 en radioaktiv isotop, der er blevet brugt til mange undersøgelser af biologiske processer som fotosyntesen i de grønne planter. Atomerne af et radioaktivt isotop ændrer sig til atomer af et andet grundstof med en konstant hastighed, som er karakteristisk for denne isotop. F.eks. tager det år for halvdelen af atomerne af en radiumprøve at nedbrydes. Dette tidsrum år - kaldes for Radiums halveringstid. Halveringstiden for Carbon-14 er år. Ved at måle andelen af Carbon-14, der stadig er tilbage i gamle knogler eller et stykke træ, er det muligt at bestemme dets alder. Alderen på en sten (bjergart) kan også bestemmes ved at analysere de radioaktive grundstoffer, den indeholder. FIG. 2. RADIOAKTIVITET Radioaktive grundstoffer, som f.eks. Radium, udsender tre typer stråling : Alfa stråler, beta stråler og gamma stråler. Alfa stråler består af alfa partikler, der hver er en gruppe af 2 protoner og 2 neutroner. Da protoner er positivt ladede, vil alfa partiklerne, der har en positiv ladning, blive tiltrukket af en negativt ladet plade. Beta stråler er strømme af elektroner med høj hastighed. Da elektroner er negativt ladede, vil beta strålerne med deres negative ladning tiltrækkes af en positivt ladet metalplade. Gamma stråler er elektromagnetiske stråler ( bølger, ligesom lys, røntgenstråler og radiobølger, men med meget kortere bølgelængde, og indeholder derfor meget mere energi. Gammastråler påvirkes ikke af elektrisk ladede plader. Metaller og ikke-metaller Grundstofferne inddeles generelt i to grupper, metallerne og ikkemetallerne. Metallerne er sædvanligvis faste ved stuetemperatur (21 C), og de har en bestemt kvalitet, der kaldes glans, de leder varme og elektricitet meget godt og er bøjelige, de kan formes og er forholdsvis stærke. Jern, kobber, sølv, guld og tin er eksempler på metaller. Kviksølv er et usædvanligt metal: det er flydende ved stuetemperatur. Ellers har det de samme egenskaber som andre metaller. 3

4 Ikke-metallerne er dårlige ledere af varme og elektricitet, de har ingen glans og er sædvanligvis sprøde i fast tilstand. Adskillige af ikkemetallerne som Nitrogen ( kvælstof ), Oxygen ( ilt ) og Chlor er gasser ved stuetemperatur. Elektronskaller Elektronerne i et atom er arrangeret i skaller rundt om kernen. Den første skal, som er nærmest kernen, kan ikke indeholde mere end 2 elektroner. Den anden skal kan indeholde 8 elektroner. Den tredje skal, er, når den er den yderste skal, også fyldt op, når den indeholder 8 elektroner. Figur 3. IONBINDINGEN MELLEM NATRIUM OG CHLOR Et atom er mest stabil når dets yderste elektronskal er fyldt med elektroner. Natrium har en tendens til at opgive 1 elektron i sin yderste skal, så den fulde skal nedenunder bliver den yderste skal. Chloratomet, med 7 elektroner i sin yderste skal, har en tendens til at optage en elektron for at udfylde denne skal. Når Natrium afgiver sin yderste elektron til et Chloratom, bliver Natriumatomet positivt ladet: Det har 11 protoner, men kun 10 elektroner. Chloratomet bliver negativt ladet: Det har 17 protoner og 18 elektroner. Atomer, som har fået en ladning ved at få eller afgive elektroner, kaldes ioner; tiltrækningen mellem den positive Natrium ion og den negative Chlor ion danner en ionbinding. Kemiske forbindelser Kombinationer af atomer Den mest stabile tildstand for et atom indtræder, når det har fyldte ydre elektronskaller. Som resultat heraf søger atomer med en næsten fyldte ydre skaller at skaffe sig yderligere elektroner for at fylde dem op. Atomer, der kun har 1 eller 2 elektroner i den yderste skal, har en tendens til at opgive dem, så den fyldte skal neden under bliver den ydre FIGUR 4. KOVALENT BINDING I VANDMOLEKYLE Et Oxygenatom med 6 elektroner i sin yderste elektronskal søger mod at få 2 elektroner for at opnå stabilitet. Hydrogenatomet med kun 1 elektron i sin eneste skal søger at få 1 elektron for at opnå stabilitet. I 4 vandmolekylet deler et Oxygenatom et par elektroner med hver af de to Hydrogenatomer. På denne måde udviser alle tre atomer stabilitet uden at få eller at miste elektroner. Et par delte elektroner danner en

5 skal. Således vil et Natriumatom, med 1 elektron i sin yderste skal søge at afgive denne elektron til et atom som f.eks. Chlor, der har 7 elektroner i sin yderste skal og kun mangler een mere for at fylde den helt op. Når det sker, bliver de to atomer bundet til hinanden, og der dannes Natriumchlorid (Figur 3). Atomer kan også bindes til hinanden, ikke ved at få eller afgive elektroner, men ved at dele dem på en sådan måde, at den yderste skal hos dem begge i virkning er fyldte (Figur 4). Molekyler Natriumchlorid er en kemisk forbindelse. Når grundstoffer forbindes og danner kemiske forbindelser, er deres atomer bundet til hinanden i et bestemt forhold, og de dannede partikler kaldes molekyler. Et molekyle er den mindste partikel af en forbindelse, der har forbindelsens sammensætning og egenskaber. FIGUR 5. MOLEKYL - OG STRUKTURFORMLER En molekylformel specificerer antallet af atomer af hvert grundstof i et molekyle. En strukturformel viser arrangementet af atomerne. Hver linje i en strukturformel repræsenterer en kovalent binding - dvs. et par elektroner der deles af to atomer. Der er to kovalente bindinger i et vandmolekyle. Dobbeltlinjen i en strukturformel som i formaldehyd indikerer en dobbeltbinding: Carbonatomet deler to elektronpar med Oxygenatomet. De tre streger i hydrogencyanid-syrens ( blåsyren i bitre mandler) strukturformel repræsenterer en tripelbinding: Carbonatomet deler tre elektron par med Nitrogenatomet. Kemiske formler Et vandmolekyle er opbygget af 3 atomer: 2 Hydrogenatomer og 1 Oxygenatom. Formlen for vand, H 2 O, gengiver denne kendsgerning. H står for ét Hydrogenatom, O et symboliserer ét Oxygenatom; det lille 2-tal med sænket skrift efter H et betyder, at der er 2 atomer af Hydrogen i molekylet. Molekylerne hos nogle forbindelser er kun sammensat af få atomer. Som vi lige har set, er et molekyle vand opbygget af 3 atomer. De fleste molekyler af stofferne i den levende celle, er imidlertid meget sammensatte (= komplekse), og mange består at tusinder af atomer. Arrangementet af atomerne i en forbindelse er også vigtig. For at vise dette arrangement bruges der en strukturformel. Det er et diagram, i hvilket symbolerne for grundstofferne er forbundet med lige streger. Hver streg eller linje repræsenterer en binding - et elektronpar -, der deles af to atomer. To atomer kan også bindes sammen af en dobbeltbinding (vist med to streger) eller en tripelbinding (tre streger). Når vi i undervisningen diskuterer kemiske reaktioner i den levende organisme, benytter vi de almindelige formler, til andre tider er strukturformlerne mere anvendelige. Vi skal vænne os til at se formler udtrykt på begge måder (se figur 5). Forbindelser 5

6 FIGUR 6. To atomer med uparrede elektroner i den yderste skal kan danne kovalente bindinger To atomer med uparrede elektroner i deres yderste skaller kan danne kovalente bindinger med hinanden ved at dele elektronpar. Atomer, der deltager i en kovalent binding søger at fylde deres yderste skaller. FIGUR 7. KOVALENTE BINDINGER Kemiske forbindelser ligner ikke de grundstoffer, som de er opbygget af, men har deres egne helt specielle egenskaber. F.eks. er jern et grundstof og metal, der tiltrækkes af en magnet. Grundstoffet Svovl er et gult ikke-metal. Når jern- og svovlpulver blandes og opvarmes sammen, dannes der et nyt stof, nemlig jernsulfid. Denne forbindelse er sammensat af jern og svovl i et ganske bestemt forhold, men ligner hverken jern eller Svovl. Der kendes hundredetusinder kemiske forbindelser. Uorganiske forbindelser De grundstoffer og forbindelser, der eksisterede på Jorden før tilsynekomsten af liv, kaldes uorganiske forbindelser. Vand, bjergarter og gasserne i luften er eksempler på uorganiske forbindelser. Organiske forbindelser Sammensatte forbindelser, der opbygger levende organismer, og som er produceret af levende organismer, kaldes for organiske forbindelser. Alle organiske forbindelser indeholder Carbon (kulstof). Carbonatomer har kapaciteten til at opbygge store molekyler, der indeholder kæder og ringe af atomer, arrangeret i komplicerede strukturer (se figur 8). Resultatet heraf er, at der findes næsten en ubegrænset variation af organiske forbindelser, hver med sine helt egne specielle egenskaber. De simple organiske molekyler som levende organismer er opbygget af er unikke for det levende, og findes i dag ikke andre steder på jorden end som resultat af biologisk aktivitet. De enkelte organiske forbindelser kaldes for biomolekyler. De fleste biomolekyler er carbon-forbindelser De levende organismers kemi er organiseret omkring grundstoffet Carbon, som udgør over halvdelen af deres tørvægt. Carbon kan lige som Hydrogen, Oxygen og Nitrogen danne kovalente bindinger, dvs. kemiske bindinger dannet ved at dele elektronpar (figur 6). Hydrogenatomet behøver kun 1 elektron, Oxygen behøver 2, Nitrogen 3 og Carbonatomet 4 for at udfylde deres respektive skaller. Således kan Carbonatomet dele 4 elektronpar med fire Hydrogenatomer, hvorved der dannes forbindelsen metan, CH 4, i hvilken hver af de delte elektronpar er en enkeltbinding. Carbon kan også danne enkeltbindinger med Oxygen og Nitrogen atomer. Men mest betydningsfuldt i biologi er Carbonatomers evne til at dele alektronpar med hinanden og danne meget stabile Carbon-Carbon enkeltbindinger. Hvert Carbonatom kan danne enkeltbindinger med en, to tre eller fire andre Carbonatomer. Yderligere kan to Carbonatomer også dele 2 elektronpar med hinanden, og således danne Carbon-Carbon dobbeltbindinger (figur 7). På grund af disse egenskaber kan kovalent bundne Carbonatomer sættes samme og danne mange strukturer - lineære, kæder, grenede kæder, cykliske og kasselignende strukturer og kombinationer af disse - og danne molekylskeletter i mange forskellige organiske molekyler (figur 8). Til disse Carbons alsidighed til at danne kovalente enkelt- og dobbeltbindinger, specielt mellem Carbonatomer. Tripelbindinger forekommer kun sjældent i organiske bio- 6

7 rygrads-strukturer kan der bindes andre atomgrupper, da Carbon også danner kovalente bindinger med Oxygen, Hydrogen, Nitrogen og Svovl. Det er som nævnt disse molekyler med en kovalent sammenbundet skeletstruktur af Carbon, der kaldes for organiske forbindelser, som kan forekomme i næsten ubegrænsede variationer. Da de fleste biomolekyler er organiske Carbonforbindelser, kan vi drage den slutning, at Carbons bindingsevne har været en hovedfaktor i udvælgelsen af Carbonforbindelser til det molekylære maskineri i cellen under oprindelsen og evolutionen af levende organismer. FIGUR 8. CARBON KAN DANNE FORSKELLIGE SKELETSTRUKTURER Carbon-Carbon bindinger danner rygraden i mange typer af organiske molekyler. FIGUR 9. FUNKTIONELLE GRUPPER Funktionelle grupper i de organiske biomolekyler bestemmer deres kemiske egenskaber Næsten alle biomolekyler kan betragtes som afledninger af hydrocarboner ( kulbrinter ), der er forbindelser af Carbon og hydrogen, hvor rygraden består af Carbonatomer forbundet via kovalente bindinger og hbor de øvrige carbonbindinger deles med Hydrogen. Rygraden i disse CH-forbindelser er meget stabile, fordi Carbon-Carbon enkeltbindinger og dobbeltbindinger deler deres elektronpar lige meget. Et eller flere Hydrogenatomer i hydrocarbonerne kan udskiftes med forskellige slags funktionelle grupper og danne forskellige familier af organiske forbindelser. Typisk familier er alkoholerne, der har en eller flere hydroxylgrupper; aminer, der har aminogrupper; ketoner, der har carbonylgrupper og syrer, der har carboxylgrupper. Adskillige andre funktionelle grupper er også vigtige i biomolekylerne (se figur 9). De funktionelle grupper i de organiske biomolekyler er langt mere reaktionsdygtige end rygraden af mættede hydrocarbonforbindelser, der ikke let angribes af de fleste kemiske reagenser. Funktionelle gruppe kan ændre elektronfordelingen og geometrien i naboatomer, og således påvirke det organiske biomolekyes reaktionsdygtighed som helhed. Ud fra de funktionelle grupper, der findes i organiske biomolekyler er det muligt at analysere og forudsige deres kemiske opførsel og reaktioner. Som vi skal se fungerer enzymer ved at genkende specifikke funktionelle grupper i et biomolekyle og katalysere karakteristiske kemiske ændringer i dets struktur. De fleste af de biomolekyler, vi skal undersøge, er polyfunktionelle; de indeholder to eller flere forskellige slags funktionelle grupper. I sådanne molekyler har hver type funktionel gruppe sine egne kemiske ka- 7

8 rakteristika og reaktioner. Som eksempel på dette skal vi i undervisningen benytte aminosyrerne, der er de primære byggeklodser, monomerer i proteiner. Hvordan kemiske forbindelser ændres Energi Ideen om energi er grundlæggende for al naturvidenskab, og ordet dukker hyppigt op i biologitimerne og i lektien. Energibegrebet er tæt forbundet med begrebet arbejde. Der udføres et arbejde, når en kraft forårsager. at et objekt flytter sig. Energi er evnen til at udføre et arbejde, dvs. evnen til at udøve en kraft og forårsage, at noget bevæger sig. Energi kan forekomme i forskellige former: f.eks. som varme, bevægelse, lys og elektricitet. Bevægelsen af en genstand er i sig selv en energiform, bevægelsesenergi. Energi kan også oplagres uden noget synligt tegn på, at den er tilstede; men alligevel klar til at blive frigjort til at udføre et arbejde. Et udtrukket elastik er f.eks. klar til at udføre et arbejde; der er oplagret energi i elastikken. En vigtig form for oplagret energi i de levende organismer er energien i de kemiske forbindelsers bindinger. Der er f.eks. kemisk energi oplagret i et sukkermolekyle. Denne energi kan frigøres ved en kemisk ændring (som oxidation), som bryder og omarrangerer sukkermolekylets bindinger. Den frigjorte kemiske energi kan nu benyttes til forskellige formål. Bl.a. til at binde Phosphat molekyler på Adenosinmonophosphat, så der dannes ATP. Levende organismer anvender energi til at udføre mange funktioner, hvor den mest iøjnefaldende er bevægelse. Stoftransport inde i en celle (og undertiden passagen på tværs af en cellemembran), transmissionen af nerveimpulser og produktionen af sammensatte biomolekyler, som proteiner, polysakkarider og nucleinsyrer, er blandt de aktiviteter, som er energikrævende. De forskellige metoder den levende celle benytter for at danne og oplagre energi, vil der være mange eksempler på i undervisningen. FIGUR 10. ENERGI: EVNEN TIL AT UDFØRE ARBEJDE Energi er evnen til at udføre arbejde - at producere bevægelse ved anvendelse af en kraft. Når et elastikbånd i en slangebøsse trækkes tilbage og holdes, lagres der energi i det. Når elastikken slippes, påvirker en kraft stenen, og får den til at bevæge sig. Den potentielle energi, der var i elastikbåndet, omdannes til kinetisk energi, eller stenens bevægelsesenergi. Stenens kinetiske energi transformeres til arbejde, når stenen rammer vinduet, og knuser det. 8

9 Kemisk ændring En kemisk ændring er karakteriseret ved, at en eller flere forbindelser (stoffer) forsvinder, og andre fremkommer. Den opstår som resultatet af omgruppering af atomer. F.eks. når en blanding af Hydrogen og Oxygen antændes, finder der en kemisk ændring sted, i hvilken atomerne af disse to grundstoffer rearrangerer sig selv og forbindes til vandmolekyler. Et resultat af denne kemiske ændring er, at de oprindelige gasser (luftarter) forsvinder og dannelsen af en ny forbindelse: vand. Et andet resultat af enhver kemisk ændring er optagelsen eller frigørelsen af energi. Energien kan undertiden frigøres så hurtigt, at der opstår en eksplosion. I de kemiske ændringer, der foregår i den levende celle, foregår frigørelsen (eller optagelsen) af energi meget langsomt og ved lave temperaturer. Ioner Vi har set, at når Natrium forbinder sig med Chlor, og der dannes Natriumchlorid ( stensalt ), overføres der en elektron fra Natrium atomet til Chlor atomet (se figur 3). Dette efterlader Natrium med en overskydende positiv ladning, og giver Chloret en ekstra negativ ladning. Atomer eller grupper af atomer (molekyler), som har fået en elektrisk ladning, fordi de har fået eller mistet elektroner, kaldes ioner. Natriumchlorid er et fast stof, fordi Natrium og Chlor er stærkt bundet til hinanden ved tiltrækningen mellem de modsatte ladninger. Når Natriumchlorid (NaCl) kommes i vand, bliver ionerne imidlertid skilt fra hinanden ved reaktionen med vandmolekylerne, og det faste stof opløses. En opløsning af Natriumchlorid består derfor af Natriumioner og chlorioner, der bevæger sig frit rundt mellem vandmolekylerne. FIGUR 11. NEUTRALISATION (A) Et bægerglas er delt i to kamre ved hjælp af en glasplade. En opløsning af saltsyre (HCl) er hældt i det ene kammer; en opløsning af Natriumhydroxid (NaOH), en base, er hældt i det andet kammer. Vandet på syresiden indholder H + (Hydrogen) ioner og Cl (Chlor) ioner; vandet på den basiske side indeholder OH (Hydroxyl) ioner og Na + (Natrium) ioner. Skillevæggen mellem de to kamre hæves. (B) H + og OH ionerne forbinder sig og danner vandmolekyler. Na + og Cl ionerne forbliver i opløsning. Syren og basen har reageret med hinanden og dannet vand og salt (NaCl). Opløsningen er nu hverken sur eller basisk, men neutral. Reaktionen mellem en syre og en base, så der dannes salt og vand, kaldes neutralisation. Syrer og baser En syre er en forbindelse (et stof), der afgiver Hydrogen-ioner, når den opløses i vand. Et Hydrogenatom består af 1 proton og 1 elektron. En Hydrogen-ion dannes når elektronen frigøres (afgives); tilbage bliver den positivt ladede proton, der gengives som H +. Når en syre frigør 9

10 H + ioner i en opløsning, vil den naturligvis på samme tid danne en negativ ion, men det er H + ionen, der giver opløsningen dens sure egenskaber. Hydrogenchlorid (saltsyre) HCl er en typisk syre. Når den opløses i vand, spaltes den i hydrogenioner, H + og Chlor ioner, Cl -. Svovlsyre, H 2 SO 4, producerer to H + ioner og en sulfation SO 4 --, fra hver af dens molekyler. Bemærk sulfationens dobbelte negative ladning, der er resultatet af elektronerne, der er kommet fra hver af de to Hydrogenatomer. Baser er stoffer, der fraspalter hydroxyl ioner, OH -, i en opløsning. Kemiske forbindelser, der består af et metal og OH gruppen, kaldes hydroxider, og hvis de er opløselige i vand, er de baser. Natriumhydroxid, NaOH, er et eksempel. Når det opløses i vand, frigør det Natrium ioner Na + og hydroxyl ioner OH -. Neutralisation En syreopløsning har flere hydrogen ioner end hydroxyl ioner; en basisk opløsning har flere hydroxyl ioner end Hydrogen ioner. Hvis en syre blandes med en basisk opløsning, vil Hydrogen ionerne fra syren forbinde sig med hydroxyl ionerne fra basen, og danne neutrale vandmolekyler. Hvis de mængder, der blandes, har præcist den rigtige størrelse, vil den resulterende blanding hverken have overskud af hydrogen eller hydroxyl ioner. Sådan en opløsning kaldes en neutral opløsning - hverken sur eller basisk. Processen, at blande en syre og en base så disse tilstande fremkaldes, kaldes en neutralisation (se figur 11). Salte Bemærk at opløsningen, der bliver tilbage efter neutralisationen, stadig indeholder ioner fra den oprindelige syre og den oprindelige base. Når Natriumhydroxyd, NaOH, neutraliserer saltsyre, HCl, er det kun Na + og Cl - ioner, der er tilbage i opløsningen. Resultatet er præcist det samme, som hvis Natriumchlorid var blevet opløst i vandet. Hvis man fordamper vandet, er det da også en kendsgerning, at resultatet vil blive dannelsen af saltkrystaller fra opløsningen. En forbindelse som Natriumchlorid, som er dannet fra de positive ioner fra en base og de negative ioner fra en syre, kaldes et salt. Natriumchlorid er som nævnt det kendte stensalt ( bordsalt ), men der findes mange andre. FIGUR 12. ph VÆRDIER FOR ALMINDELIGE VÆ SKER ph 10

11 I en neutral opløsning er der lige mange hydrogen og hydroxylioner. I protoplasma, der er en opløsning af mange stoffer i vand, kan der være et overskud af enten hydrogen eller hydroxyl ioner. Et overskud af hydrogen ioner bevirker, at opløsningen bliver sur; et overskud af hydroxyl ioner, at den bliver basisk. Det relative forhold mellem disse to ioner udtrykkes som opløsningens ph-væ rdi. En neutral opløsning som rent vand har en ph på 7. Efterhånden som opløsningen bliver mere sur, falder ph; bliver den mere basisk stiger ph. Det praktisk ph område spænder fra ph = 1 for den højeste surhedsgrad til ph = 14, som er mest basisk. Mange enzymer kræver en meget specifik phværdi for at fungere ordentlig. Nogle fysiske processer der er meget vigtige for livets opretholdelse Blandinger Når to eller flere stoffer blandes, uden kemisk reaktion, kaldes resultatet en blanding. I en blanding bibeholder de adskilte dele deres identitet og egenskaber og kan sædvanligvis fjernes fra blandingen med simple midler. Blandingsforholdet i en blanding kan ændres, som man ønsker det, hvorimod proportionerne i en kemisk forbindelse er konstant. Disse egenskaber ved blandinger kan illustreres ved at blande jernfilspåner med svovlpulver (i et hvert forhold) i en skål. De to grundstoffer er let genkendelige i blandingen og kan let adskilles. En magnet vil f.eks. fjerne jernet fra blandingen uden at tiltrække svovlet. Tilstandsformer Forbindelser kan optræde i tre fysiske tilstande: 1. Gasser. En gas (som atmosfærisk luft) har ikke nogen endelig form eller rumfang; den udfylder altid sin beholder eller spredes uendeligt og ubestemt. 2. Væ sker. En væske (som vand) har et endeligt rumfang, men vil flyde ud og antage formen af den beholder den er i. En væske i hvile i en beholder vil sædvanligvis have en horisontal overflade. I små mængder vil en væske have en tendens til at danne kugleformede dråber, specielt når den er suspenderet (se suspensioner) i en anden væske, som den ikke kan blande sig med. 3. Faste stoffer. Et fast stof (som jern) har en endelig form og rumfang; det kræver store kræfter at ændre et fast stofs form eller rumfang. Opløsninger Når en mindre mængde sukker kommes i vand, forsvinder sukkeret. Det er dog ikke blevet kemisk ændret; sukkeret kan smages i vandet, og det kan genindvindes ved inddampning. Sukkeret er opløst i vandet - det er blevet adskilt i sine individuelle molekyler, som nu er spredt rundt blandt vandmolekylerne. Den ensartede eller homogene blanding af sukker og vand kaldes en opløsning. Suspensioner Kommes sand i vand, opløses sandet ikke. Man kan røre i blandingen og på den måde sprede sandkornene i vandet, men efter en tid vil san- 11

12 det bundfældes. En blanding af et stof i et andet, hvor partiklerne gradvis udfældes, kaldes en almindelig suspension. Kolloider Mudret eller leret vand er et eksempel på en kolloid suspension. Den består af meget fine lerpartikler, der er fordelt i vandet. Partiklerne i en kolloidal suspension er for store til at være i ægte opløsning, men for små (eller for lette) til at bundfældes som i en normal suspension. I en kolloid suspension bevirker det konstante bombardement af molekyler i bevægelse (Brownske bevægelser) i det omgivende medium, at partiklerne forbliver ensartet spredt. Mælk er et eks. på en kolloid suspension af væsker og faste stoffer i vand. Røg er en kolloidal suspension af Carbonpartikler i luft. Hvis gelatine ( husblas ) kommes i varmt vand, bliver resultatet en kolloidal suspension af gelatine. Når blandingen er varm opfører den sig som en væske; når den afkøles, får den en elastisk halvfast konsistens. Hvis den opvarmes igen, ændrer den sig tilbage til væskelignende form. Et frit flydende kolloid kaldes en sol; et kolloid i den halvfaste tilstand kaldes en gel. Mange kolloider skifter frem og tilbage mellem sol tilstanden og gel tilstanden, når de ydre forhold ændres. Cyclosis, plasmastrømningerne, i f.eks. en Amøbe kan være resultatet af ændringer i den kolloidale tilstand i forskellige områder af cytoplasmaet. Diffusion Hvis en flaske med ammoniak, parfume eller et andet stærkt luftende stof åbnes i den ene ende af et lokale, vil lugten eller duften snart blive bemærket af enhver tilstedeværende. Det sker, fordi molekylerne i duftstoffet og molekylerne i luften er i konstant bevægelse, hvorved molekylerne, der forlader flasken, snart spredes ud i hele lokalet (luftstrømninger bidrager også til spredningen og blandingen). Hvis flasken nu lukkes, vil molekylerne, der har forladt flasken, spredes jævnt ud i luften, og styrken af lugten bliver efterhånden den samme i alle dele af lokalet. 12

13 Denne proces, hvor molekylerne fra et stof spredes ud blandt molekylerne i et omgivende medium, og bliver ensartet fordelt, kaldes diffusion. Eksemplet, der blev benyttet, er gasdiffusion - en gas spredes gennem en anden. Nogle væsker, som f.eks. alkohol og vand, vil diffundere ind i hinanden. Faste stoffer, der opløses i en væske, vil også brede sig ensartet gennem væsken ved diffusion. FIGUR 13. OSMOSE I denne demonstration af osmose er en tulipanformet tragt dækket med en semipermeabel membran og fyldt med sukkervand (koncentreret sukkeropløsning). Tragten er placeret omvendt i et bægerglas med vand, med vandoverfladerne stående lige højt i bægerglasset og i tragtens rør. Kun vand kan diffundere gennem den semipermeable membran, men eftersom koncentrationen af vand er mindre inde i tragten, diffunderer vandet hurtigere ind i tragten end det diffunderer ud. Nettobevægelsen af vand er således ind i tragten. Resultatet bliver at væskeoverfladen gradvis stiger inde i tragten. Den vil blive ved med at stige, indtil vandtrykket er så stort, at der fysisk presses lige så meget vand ud, som der diffunderer ind. Dette vandtryk kaldes det osmotiske tryk. Bemærk, at trykket får den semipermeable membran til at bule lidt ud. Osmose Ved almindelig diffusion er der ikke nogen barriere, der forhindrer, at molekylerne blandes. Hvis molekylerne møder en membran (et tyndt lag af et fast materiale), kan nogle måske være i stand til diffundere igennem, medens andre vil blive holdt tilbage. En membran, hvor igennem kun visse molekyler kan passere, kaldes semipermeabel (eller selektiv permeabel). Diffusionen af stoffer gennem en semipermeabel membran har fået sit specielle navn: osmose. Udvekslingen af materiale mellem en celle og dens omgivelser sker bl.a. ved osmose. Osmose processen er illustreret i figur 13. NB! Mange biologer (bl.a. Rh) bruger kun udtrykket osmose om vand, der passerer gennem en semipermeabel membran. Nogle uorganiske grundstoffer og forbindelser, der er vigtige for livet Oxygen Oxygen ( ilt ) er et grundstof, der er en gas ved almindelig temperatur. Det udgør omkring 21% af atmosfæren. Hvert Oxygenmolekyle indeholder to Oxygenatomer bundet sammen. Oxygen kan forbinde sig med mange andre grundstoffer, og der dannes forbindelser, der kaldes oxider. Der frigives sædvanligvis energi, når oxiderne dannes, og processen kaldes en oxidation. Afbrænding er en form for oxidation, hvor 13