MaBeinheiten Das Internationale Einheitensystem (Systeme International d'Unites, SI) wurde am 2.7.1970 durch das "Gesetz tiber Einheiten im Messwesen" in der Bundesrepublik ein gefiihrt. Die erganzende Ausfiihrungsverordnung trat am 5.7.1970 in Kraft. N achfolgend sind die wichtigsten neuen MaBeinheiten zusammen mit den Umrechnungsfaktoren fiir einige altere Einheiten angegeben. 1. Basiseinheiten des Sf-Systems und der Atomphysik GroBe Einheit Zeichen Lange Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Stromstarke Ampere A Temperatur Kelvin K Lichtstarke Candela cd Stoffmenge Mol mol Energie Elektronenvolt eV Teilchenmasse atomare Masseneinheit u 2. Abgeleitete Einheiten GroBe Einheit Zeichen Einheitengleichung Umrechnung Kraft Newton N m· kg· S-2 1 kp=9,81 N 1 dyn = 10-5 N Druck Pascal Pa m- I . kg· S-2 1 Torr = 1,333 mbar Bar bar (1 bar = 105 Pa) 1 mmHg = 1,333 mbar 1 atm = 1,013 bar Arbeit Joule J m2. kg· s- 2 1 erg = 10-7 J Energie 1 cal = 4,187 J Elektronenvolt pro mol eV 96,485kJ . morl = 1 eV Leistung Watt W m2. kg· S-3 1 kcal . h-I = 1,163 W 1 PS = 735,49 W Fortsetzung siehe dritte Umschlagsseite! Springer-Lehrbuch Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Hans Peter Latscha Uli Kazmaier Helmut Alfons Klein Chemie fur Biologen Mit 170 Abbildungen und 58 Tabellen Springer Professor Dr. Hans Peter Latscha Anorganisch-Chemisches Institut der Universitat Heidelberg 1m Neuenheimer Feld 270,69120 Heidelberg Professor Dr. VIi Kazmaier Institut fUr Organische Chemie der Universitat des Saarlandes 1m Stadtwald, Geb. 23.2, 66123 Saarbriicken Dr. Helmut Alfons Klein Bundesministerium fUr Arbeit und Sozialordnung U -Abt. ArbeitsschutzlA rbeitsmedizin Rochusstr. 1,53123 Bonn ISBN 978-3-540-42932-6 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Latscha, Hans P.: Chemie fur Biologen 1 Hans Peter Latscha; Uli Kazmaier; Helmut Alfons Klein. (Springer-Lehrbuch) ISBN 978-3-540-42932-6 ISBN 978-3-662-06236-4 (eBook) DOl 10.1007/978-3-662-06236-4 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Ent nahme von Abbildungen und Tabeilen, der Funksendung, der Mikroverfil mung oder der VervieWiltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervieWiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Wer kes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zullissig. Sie ist grundslitzlich vergii tungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. http://www.springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002 Produkthaftung: Fiir Angaben iiber Dosierungsanweisungen und Applikations formen kann vom Verlag keine Gewlihr iibemommen werden. Derartige Anga ben miissen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literatur steilen auf ihre Richtigkeit iiberpriift werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Marken schutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirfen. Umschlaggestaltung: de'blik, Berlin SPIN 10856152 29/3130Sy - 5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf sliurefreiem Papier Vorwort Die Idee zu diesem Buch stammt von Frau 1. Lasch-Petersmann (Springer-Verlag). Sie hat uns davon tiberzeugt, dass es sinn voll ist, die Biologen als eigene Zielgruppe mit einer "Chemie fiir Biologen" zu bedienen. Frtiher haben wir die Biowissen schaftler mit dem "Chemie - Basiswissen I und II" sowie der "Chemie fur Pharmazeuten" mitberticksichtigt. Die Idee ist insofem besonders sinnvolI, da mit Herro Prof. Dr. U. Kaz maier ein Koautor gewonnen wurde, der an der Universitat Saarbrticken u.a. mit der Ausbildung der Biologiestudenten in Chemie betraut ist und dessen besonderes Interesse auch der Aminosauren- und Peptidchemie sowie der Naturstoffsynthese gilt. Die Stoffauswahl des Buches berticksichtigt die Empfehlungen des "Instituts fur medizinische und pharmazeutische Prtifungs fragen" im "GK 1990" "Pharmazie" sowie im GK "Chemie fur Mediziner und Biochemie", Entwurf: September 2000. Beach tet wird auch, dass die Biologiestudenten in alIer Regel die Grundvorlesung zusammen mit Studenten anderer Fakultaten horen und von Chemieprofessoren im Fach Chemie geprtift werden. Das Buch solI helfen, die Grundlagen der Chemie zu erarbei ten. Das Verstandnis der chemischen Grundbegriffe und Grundreaktionen ist wichtig, urn die Prinzipien der Biochemie zu verstehen, auf die modeme biologische Studiengange ausge richtet sind. Die einzelnen Teile (LernblOcke) konnen unabhan gig voneinander benutzt werden. Vermeintlich Uberfltissiges kann yom Benutzer selbst gestrichen werden, ohne dass Nachteile fur das Verstandnis anderer Teile entstehen. Dies gilt besonders fur die sog. Stoffchemie. Sie wurde absichtlich etwas ausfiihrlicher gestaltet, weil es fur viele Studenten sinnvolI ist, sich gerade tiber den Weg der Stoffchemie (HerstelIungsverfah ren, bekannte Substanzen, Bezug der Chemie zum AlItag) ein besseres Verstandnis und/oder Gefuhl fur Chemie zu erarbei ten. In mancher Hinsicht hat sich diese "Trendumkehr" in der Didaktik bewahrt. v 1m Teil III werden biologierelevante Themen ausfiihrlicher behandelt. So beschaftigt sich ein gr06er Abschnitt mit ver schiedenen Klassen von Naturstoffen. Neben dem Vorkomrnen wird ihre "typische Chemie" beschrieben. Dies erlaubt einen leichteren Einstieg in die Biochemie und Molekularbiologie. Wir bedanken uns bei den Lesern unserer anderen Bucher fUr viele wertvolle Anregungen, die auch bei diesem Titel beriick sichtigt wurden. Unser besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. E. Fuchs (Univer sitiit Heidelberg). Als "gelernter Chemiker" wurde er Moleku larbiologe. In seiner Eigenschaft als Studiendekan der Fakultiit fUr Biologie hat er sich auch mit den Sorgen und Noten von Biologiestudenten befasst. Er hat uns bei der Stoffauswahl unterstUtzt. Unser Dank gilt auch Herrn Dipl. chern. Dr. Martin Mutz fur die Erstellung des Layouts. Heidelberg, Saarbriicken, H. P. LATSCHA im J anuar 2002 U. KAzMAIER H. A. KLEIN VI Inhaltsverzeichnis Teil I Allgemeine Chemie ...................... .............................. 1 1 Chemische Elemente und chemische Grundgesetze ..................... 3 Verbreitung der Elemente ......................... .............. 4 Chemische Grundgesetze ..... ................................ ... 4 2 Aufbau der Atome .......................................... 7 2.1 Atomkern ............................. ................................... 7 Atommasse.......................... .................................... 9 Isotopieeffekte.......... ............................................... 9 Radioaktive Strahlung............................................. 10 Radioaktive Zerfallsgeschwindigkeit ...................... 10 Beispiele fUr natfuliche und kiinstliche Isotope...... 11 Radioaktive Aktivitat .............................................. 11 Radioaktive Zerfallsreihen ...................................... 13 Radioaktives Gleichgewicht.................................... 13 Beispiele fUr Anwendungsmoglichkeiten von Isotopen............................................................ 13 Aktivierungsanalyse ................................................ 14 2.2. Elektronenhiille ....................................................... 14 Atommodell von Niels Bohr (1913)........................ 15 Bohrsches Modell yom Wasserstojfatom ................ 15 Atomspektren (Absorptions-und Emissionsspektroskopie) ........... 15 Verbesserungen des Bohrschen Modells................. 17 VII Wellenmechanisches Atommodell des Wasserstaffatams .............................................. 17 Elektronenspin ........................................................ 19 Graphische Darstellung der Atomorbitale............... 20 Mehrelektronenatome ............................................. 23 Pauli-Prinzip, Pauli-Verbat..................................... 23 Hundsche Regel...................................................... 24 3 Periodensystem der Elemente .................... 26 Einteilung der Elemente auf Grund ahnlicher Elektronenkonfiguration......... 29 Edelgase...... ... ... ...... ..... ................ ............ .......... ..... 29 Hauptgruppenelemente ("reprasentative" Elemente) .................................... 29 Ubergangselemente bzw. N ebengruppenelemente .. 31 Valenzelektronenzahl und Oxidationsstufen ........... 31 Periodizitat einiger Eigenschaften........................... 32 1) Atom-und Ionenradien....................................... 32 2) Elektronenaffinitat (EA) ..................................... 33 3) Ionisierungspotential / Ionisierungsenergie ........ 33 4) Elektronegativitat................................................ 35 5) Metallischer und nichtmetallischer Charakter der Elemente ......... .................................................. 36 4 Molekiile, chemische Verbindungen, Reaktionsgleichungen und Stochiometrie........................................... 38 Reaktionsgleichungen .. ......... .................................. 39 KonzentrationsmaBe................................................ 41 StOchiometrische Rechnungen ................................ 49 Beispiel einer Ausbeuteberechnung ........................ 49 Berechnung von empirischen Formeln.................... 50 5 Chemische Bindung - Bindungsarten .... 51 5.1 Ionische (polare, heteropolare) Bindung, Ionenbeziehung ............. ......................... ................. 51 Gitterenergie ........................................................... 53 Spinell-Struktur ....................................................... 55 VIII Ubergang von der ionischen zur kovalenten Bindung ........................................ .. 55 Ubergang von der ionischen zur metallischen Bindung ....................................... . 56 5.2 Atombindung (kovalente, homoopolare Bindung, Elektronenpaarbindung) ......................................... . 57 5.2.1 MO-Theorie der kovalenten Bindung .................... . 57 5.2.2 VB-Theorie der kovalenten Bindung ..................... . 61 Mehrfachbindungen, ungesiittigte Verbindungen ... . 66 Energie von Hybridorbitalen .................................. . 69 Bindigkeit. .............................................................. . 69 Bindungsordnung, Bindungsgrad ........................... . 70 Oktettregel. ............................................................. . 70 Doppelbindungsregel ............................................. . 71 Radikale ................................................................. . 71 Bindungsenergie und Bindungsliinge ..................... . 71 Mesomerie oder Resonanz ..................................... . 72 5.2.3 V alenzschalen-Elektronenpaar- AbstoBungsmodell. 73 5.3 Metallische Bindung .............................................. . 77 Metallgitter ............................................................. . 79 Mechanische Eigenschaften der Metalle / Einlagerungsstrukturen .................... . 80 Legierungen ........................................................... . 81 Intermetallische Verbindungen oder intermetallische Phasen .................................. . 82 Beispiele fur intermetallische Phasen ..................... . 82 5.4 Zwischenmolekulare Bindungskriifte ..................... . 83 Wasserstoffbriickenbindungen ............................... . 83 Vander Waalssche Bindung (van der W aals-Kriifte, Dispersionskriifte) ............. . 85 Hydrophobe Wechselwirkungen (Hydrophobe Bindung) .......................................... . 85 6 Komplexverbindungen Bindungen in Komplexen ........................... . 86 Beispiele fiir Komplexe........ ................................... 88 Chelateffekt............................................................. 88 n-Komplexe ............................................................ 90 Chargetransfer-Komplexe ....................................... 90 Carbonyle........ ....... ................................................. 91 Herstellung.............................................................. 91 Eigenschaften .......................................................... 91 Reaktionen von Carbonylen.................................... 91 Koordinationszahl und riiumlicher Bau von Komplexen. .................. ...... ................. ............. 92 IX