Chemie für Biologie 3534271823, 9783534271825

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Anita Bach

Chemie für Biologie Telekolleg

Telekolleg Multimedial wird veranstaltet von den Bildungs- und Kulturministerien von Bayern, Brandenburg und Rheinland-Pfalz sowie vom Bayerischen Rundfunk (BR). Dieser Band enthält das Arbeitsmaterial zu den vom Bayerischen Rundfunk produzierten Lehrsendungen Chemie für Biologie, Lektion 1 – 7.

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.de abrufbar. Das Werk ist in allen seinen Teilen urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung in und Verarbeitung durch elektronische Systeme. wbg Academic ist ein Imprint der wbg. © 2019 by wbg (Wissenschaftliche Buchgesellschaft), Darmstadt Die Herausgabe des Werkes wurde durch die Vereinsmitglieder der wbg ermöglicht. Umschlaggestaltung: schreiberVIS, Seeheim Umschlagabbildung: © cooperr - stock.adobe.com Gedruckt auf saurefreiem und alterungsbestandigem Papier Printed in Germany Besuchen Sie uns im Internet: www.wbg-wissenverbindet.de ISBN 978-3-534-27182-5 Elektronisch sind folgende Ausgaben erhaltlich: eBook (PDF): 978-3-534-27184-9 eBook (epub): 978-3-534-27185-6

Inhalt Vorwort Elemente

3 4

2

Verbindungen

12

3

Säuren und Basen

20

4

Redoxreaktionen

27

5

Systematik organischer Stoffe

32

6

Kondensationsreaktionen

40

7

Ablauf chemischer Reaktionen

50

Register

58

Bildnachweis

63

Vorwort Mehrjährige Erfahrungen mit Telekolleg Biologie haben gezeigt, daß die Teilnehmer der Fachrichtung Sozialwesen (S) sehr unterschiedliche Vorkenntnisse in Chemie aufweisen. Für eine erfolgreiche Teilnahme am Biologiekurs ist aber eine Grundbildung in Chemie erforderlich. Deshalb wird in diesem Buch wie auch in den dazugehörigen 7 Fernsehsendungen versucht, das erforderliche Grundlagenwissen in Chemie zu vermitteln. Soweit möglich wird bei der Behandlung des Chemiestoffs auf seine biologische Anwendung Bezug genommen. Darüber hinaus kann diese "chemische Ergänzung" des Biologiebuchs aber auch während des gesamten Biologiekurses als Nachschlagewerk verwendet werden. Laut Prüfungsordnung des Telekollegs rur die Fachrichtung S ist Chemie kein Prüfungsfach. "Chemie fiir Biologie" gilt deshalb nicht als Prüfungsstoff, es ist lediglich als Zusatzangebot zum besseren Verständnis chemischer Zusammenhänge in 'der Biologie zu verstehen.

Anita Bach 3

1 Elemente Inhalt des Films - Modellvorstellungen vom Aufbau der Atome nach DEMOKRIT, DALTON, BOHR - Ordnungsprinzipien im Periodensystem der Elemente - Kohlenstoff und seine Sonderstellung

Stichpunkte zum Lernziel 1. Atome bestehen aus Protonen, Neutronen

und Elektronen. Die negativen Elektronen bewegen sich auf Schalen um den positiven Atomkern. Die 7 Elektronenschalen entsprechen 7 besonderen Energiezuständen. 2. Ein Element besteht aus lauter gleichen Atomen mit gleicher Ordnungszahl. 3. Isotope sind Elementatome, deren Kerne sich in der Neutronenzahl unterscheiden. 4. Die Ordnungszahl eines Elements entspricht der Kernladungszahl und somit der Anzahl der Protonen im Kern. 5. Im Periodensystem sind die Elemente nach steigender Ordnungszahl angeordnet. 6. In den Perioden (waagrechten Reihen) stehen Elemente mit gleicher Schalenzahl. 7. In den Gruppen (senkrechten Reihen) stehen Elemente mit gleicher Außenelektronenzahl. 8. Oktettregel: Befinden sich 8 Elektronen auf der Außenschale, ist ein Atom in einem besonders stabilen Zustand (z. B. die Edelgase). 9. Elemente mit gleicher Außenelektronenzahl sind in ihren chemischen Eigenschaften ähnlich. 10. In Lebewesen sind Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff die am häufigsten vorkommenden Elemente. Farben und Formen, Stoffe und Strukturen entstehen und vergehen. Aus Samen entwickeln sich Pflanzen. Eine Blüte geht auf und verwelkt auch bald. Wie phantastisch sind doch all diese Wunder der Natur. Leben entsteht, der Organismus entwickelt sich, erlebt seine Blüte- und Reifezeit und altert allmählich. Die Gesetze der Natur 4

versprechen einen Wandel des Menschen und der ihn umgebenden Welt (der u.a. bedingt ist durch die verschiedenartigsten chemischen Reaktionen). Und so versteht es sich von selbst, daß die Biologie als die Wissenschaft von den Lebenserscheinungen in ihren Details ohne die Chemie, die Lehre von den Stoffen und ihren Veränderungen, gar nicht vorstellbar ist. In den folgenden Kapiteln sollen deshalb die wichtigsten chemischen Grundbegriffe zum leichteren Verständnis der Biologie herausgestellt werden.

1.1 Atombau - Kern und Hülle 1.1.1 Modellvorstellungen vom Bau der Atome Um die Natur besser verstehen und erklären zu können, entwickelte man bereits im alten Griechenland um 450 vor Chr. die verschiedensten Modellvorstellungen vom Aufbau der Materie: Der Grieche EMPEDOKLES war der Ansicht, daß allem, was wir um uns sehen, vier Urbestandteile, vier Elemente, zugrunde liegen: Feuer, Wasser, Luft und Erde. Er stellte sich vor, daß diese Elemente aus kleinsten Splittern bestehen und daß sich daraus bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen die verschiedensten Stoffe bilden können. Empedokles vermutete, daß der Antrieb dafür die den Teilchen innewohnenden Prinzipien "Liebe" und "Haß" wären. Auch der griechische Naturphilosoph DEMOKRIT stellte sich die Dinge unserer Welt aus vielen winzigen, nicht mehr weiter teilbaren Bestandteilen zusammengesetzt vor. Er nannte diese Bestandteile "Atome" von griech. "atomos" (= unteilbar). Um 1808 greift der Engländer JOHN DALTON die griechische Vorstellung von den Atomen wieder auf. Dalton jedoch hält die Atome für winzige Kugeln und ordnet ihnen Bindungseigenschaften zu. Ihm gelingt es experimentell nachzuweisen, daß sich die Atome unterschiedlicher Elemente in ihren Massen unterscheiden.

1

2~~U

Wasserstoff:

(= 92 Elektronen, 92 Protonen, 146 Neutronen)

tH iH fH

(1 P., 1 E., 0 N.) (1 P., 1 E., 1 N.) (1 P., 1 E., 2 N.)

Chlor: 3si~ Cl Die Atommasse 35,5 ist der Durchschnittswert der Atommassen aller natürlich vorkommenden Isotope des Chlors: 75 % aller Chloratome haben die Massenzahl 35 (3s Cl, 17 P., 17 E., 18 N.), 25% aller Chloratome haben die Massenzahl 37 (37 Cl, 17 P., 17 E., 20 N.). Diese unterschiedlichen Atommassen, im Verhältnis 3: 1, führen zum Wert 35,5