KEMIBOKEN KEMI B
Med laborationer och arbetsövningar
HANS BORÉN MANFRED BÖRNER MONIKA LARSSON B I R G I T TA L I N D H JOHANNA LUNDSTRÖM
B
INNEHÅLL 1. Samspel mellan partiklar 7 Vad och hur mycket? 8 Separationsmetoder 13 Kromatografi 21 Sammanfattning 26 Uppgifter 28
Hårt vatten 86 Osmotiskt tryck driver vattenflöden 90 Sammanfattning 92 Uppgifter 93
5. Redox och energi 95 2. Reaktioners riktning och hastighet 29 Reaktioner på molekylnivå 30 Reaktioners hastighet 35 Sammanfattning 37 Uppgifter 38
Reaktionsformler för redoxreaktioner 96 Elektronövergångsmetoden 97 Från spänningsserien till elektrisk energi 103 Redoxtitrering – en kvantitativ analysmetod 112 Beräkning av elektrisk energi 116 Sammanfattning 117 Uppgifter 118
3. Kemisk jämvikt 39 Jämviktslägen 40 Lagen om kemisk jämvikt 43 Beräkning av jämviktskonstanter 45 Beräkning av koncentrationer vid jämvikt 47 Le Chateliers princip 50 Jämviktslägen påverkas inte av katalysator 57 Heterogena jämvikter 57 Sammanfattning 58 Uppgifter 59
4. Bara vanligt vatten 61 Vatten är sällan bara vatten 62 Vattnets jonpunkt 66 Syra- och baskonstanter 69 En titrerkurva visar protolysreaktionens förlopp 78 Buffertlösningar motstår pH-förändringar 82 Indikatorval 84 4
6. Organiska ämnen – egenskaper, strukturer och reaktioner 121 Ämnesklasser och funktionella grupper 122 Alkoholer, fenoler och etrar 123 Karbonylföreningar 128 Karboxylsyror 131 Flerfunktionella föreningar 135 Estrar 136 Aminer 138 Det organiska stamträdet 139 Isomeri 140 Att identifiera organiska ämnen 143 Analytiska metoder för separation och identifiering av organiska ämnen 144 Analytiska metoder för bestämning av organiska ämnens strukturer – spektroskopiska metoder 147 Sammanfattning 159 Uppgifter 161
7. Reaktionsmekanismer – bokföring av elektroner 163 Karbokatjoner, elektrofiler och nukleofiler 164 Formell laddning – ett hjälpmedel för att förstå reaktioner 166 Löslighet vid olika pH-värden 167 Reaktiviteten beror på strukturen 169 Resonans stabiliserar bensenmolekylen 176 Förestring är en kondensationsreaktion 177 Sammanfattning 179 Uppgifter 180
8. Biomolekylerna – de livsviktiga molekylerna 181 Celler 182 Biomolekyler – cellens byggstenar 184 Aminosyror 185 Proteiner 189 Kolhydrater 199 Lipider 207 Sammanfattning 212 Uppgifter 214
9. Liv och energi 215 Metabolism 216 Katabola reaktioner 217 Anabola reaktioner 219 Enzymer gör livets reaktioner möjliga 220 Bärarmolekyler i metabolismen 226 Nedbrytning av glukos 230 Vad händer med pyruvatjonerna? 232 Nedbrytning av fett 234
Citronsyracykeln 235 Andningskedjan ger ATP 237 ATP-utbyte vid fullständig nedbrytning av glukos 239 Fotosyntesen – basen för vår föda 240 Sammanfattning 244 Uppgifter 245
10. Från DNA till protein 247 Arvets molekyler 248 Nukleinsyror – polymerer av nukleotider 251 Nukleinsyrors funktioner 256 Proteiner adresseras 263 Genuttryck 264 Mutationer 265 Analys av DNA och RNA 266 Sammanfattning 269 Uppgifter 270
Laborationer 271 Arbetsövningar 300 Tabeller 309 Svar till uppgifterna 315 Sakregister 329
5
KAPITEL 1 SAMSPEL MELLAN PARTIKLAR
När man med hjälp av heptan gör upprepade extraktioner av jod ur en vattenlösning, minskar koncentrationerna av jod i båda faserna för varje extraktion. När koncentrationen av jod minskar, blir heptanfasens lila färg svagare.
ersätts med nytt heptan blir det också lila men inte lika starkt som den första portionen. Förklaringen är att jodmolekyler vandrar mellan de två faserna. När en ny portion heptan sätts till vattenlösningen av jod börjar jodmolekyler röra sig över fasgränsen till heptanfasen. Koncentrationen av jod i heptanfasen ökar, men bara till en viss gräns. I och med att jodkoncentrationen höjts i heptanfasen blir det mer sannolikt att jodmolekyler vandrar tillbaka till vattenfasen. Så småningom förflyttas jodmolekyler mellan faserna med samma hastighet åt båda hållen. Då ändras inte längre koncentrationerna av jod i vattenfasen och i heptanfasen. Det lösta ämnet har fördelats i bestämda proportioner mellan två faser.
Även fasta faser kan byta material med omgivningen LÄS MER
Till och från fasta faser går transporten av ämnen långsamt. Ändå använder vi ”fluorsköljning” och ”fluortandkräm” för att få starkare tänder. Egentligen ska man inte skölja munnen när man använt fluortandkräm. Tandemaljen består till största delen av kalciumhydroxiapatit, Ca5(PO4)3OH. Både sköljlösningen och tandkrämen innehåller natriumfluorid. När tandemaljen står i kontakt med en lösning av natriumfluorid vandrar fluoridjoner in i tanden och ersätter hydroxidjoner i hydroxiapatiten. Med tiden ökar tandens innehåll av fluoroapatit, som är starkare än hydroxiapatit. Arkeologer använder oftast flera olika metoder för att datera fornfynd. En av metoderna bygger på att det på samma sätt som i tandemaljen sker ett utbyte av fluoridjoner mellan benrester och omgivning. Ju högre halt av fluoridjoner det är i jorden desto längre tid har benresterna legat där. Genom att bestämma och jämföra fluoridjonhalterna i benresterna kan arkeologen få en uppfattning om fyndets ålder. 20
Vid en arkeologisk utgrävning utanför Rom upptäcktes 300 000 år gamla elefantben.
KAPITEL 1 SAMSPEL MELLAN PARTIKLAR
Kromatografi EXPERIMENT
9. Separera blandningar av färgämnen med papperskromatografi. Rita med blyertspenna en linje 1,5 cm från pappersremsans nedre kant. Om man inte har tillgång till kromatografipapper går det bra med filtrerpapper eller kaffefilter. Markera tre kryss med jämna mellanrum på linjen. a) Livsmedelsfärg. Sätt med hjälp av tandpetare gul, grön respektive röd livsmedelsfärg i kryssen. Prickarna ska vara små, därför låter man färgfläckarna torka innan man tillsätter mera färg. Sätt fast pappersremsan i en klämma och sänk ner remsans nedre kant i en bägare med lite vatten på botten. Blyertslinjen ska vara väl ovanför vattenytan. Låt vattnet stiga upp i papperet tills färgerna separerat. b) Markow-Thompsons universalindikator. Ta ett nytt kromatografipapper och markera återigen tre kryss. Använd en tunn glaskapillär för att sätta indikatorlösning i kryssen. När remsan torkat efter kromatografin klipps den i tre delar på längden. Häll några droppar koncentrerad ammoniak i en medicinbägare av plast och för en av remsorna över bägaren. En annan remsa kan på samma sätt utsättas för ångor från koncentrerad saltsyra. Jämför de tre remsorna. 10. Lägg ett vitt papper i en ficka av tunn plast. Ta solskyddskräm på fingret och rita en figur på plasten. Belys plastfickan med papper med en UVlampa.
Kromatografi kallas en grupp separationsmetoder som används för både kvalitativa och kvantitativa analyser. Inom industri och forskning tillämpas kromatografiska metoder för att dela upp blandningar i rena fraktioner. Namnet kromatografi har sitt ursprung i de först beskrivna experimenten som gällde separation av färgade föreningar. Numera används kromatografiska metoder även för att separera ofärgade ämnen i blandningar. Gemensamt för alla kromatografiska metoder är att en fas är mobil (rörlig) och en stationär (stillastående).
chroma (grek.) = färg mobil fas – rörlig fas stationär fas – stillastående fas
Kromatografi motsvarar extraktion i många steg Kromatografi är en överlägsen metod för att separera ämnen som bara har liten skillnad i polaritet. Kromatografi är extraktion i många små steg. En blandning av fast kopparsulfat och fast jod går att separera nästan fullständigt med en enda extraktion. Jod är en opolär molekylförening och 21
KAPITEL 3 KEMISK JÄMVIKT
3:11
Ett kärl med konstant volym innehåller vid en viss
3:17
centrerad saltsyra till kopparsulfatlösning, så blir lös-
0,60 mol SO3, 0,40 mol NO, 0,10 mol NO2 och
ningen först grön och sedan vid ökad tillsats av salt-
0,80 mol SO2.
syra gul. Jämviktsreaktionen kan skrivas
a) Beräkna jämviktskonstanten för reaktionen
Cu(H2O)42+(aq) + 4 Cl–(aq) O CuCl42–(aq) + 4 H2O(l)
SO2(g) + NO2(g) O SO3(g) + NO(g)
blå
b) I kärlet införs 0,78 mol NO. Redogör för vilka för-
3:12
ning sätter
hur stor substansmängd det finns av varje gas när
a) vatten?
ny jämvikt inträtt.
b) fast natriumklorid? c) silvernitratlösning?
I en behållare med volymen 50,0 dm3 infördes 3:18
Reaktionen 2 NO(g) + O2(g) O 2 NO2(g) + värme
väte. Gasblandningen upphettas till en viss tem-
har nått jämvikt. Av de tre gaserna är NO2 lättlöslig i
peratur. Ämnena reagerar enligt formeln
vatten, de övriga har jämförelsevis liten löslighet.
CO(g) + 2 H2(g) O CH3OH(g)
Hur ändras jämviktsläget om man
Jämviktskonstanten är vid denna temperatur
a) sänker trycket, b) sänker temperaturen,
3 2
c) tillsätter lite vatten i reaktionskärlet?
247 (mol/dm ) . När jämvikt ställt in sig finner man att gasblandningen innehåller 0,40 mol metanol. Hur stor substansmängd väte hade man infört?
3:19
Ange vilka av följande jämvikter som är homogena respektive heterogena. Motivera svaret.
I ett kärl befinner sig NO, O2 och NO2 i jämvikt enligt
a) H2(g) + Br2(g) O 2 HBr(g)
formeln
b) NH4Cl(s) O NH3(g) + HCl(g)
2 NO(g) + O2(g) O 2 NO2(g).
c) H2O(s) O H2O(l)
Kärlets volym minskas. Ett nytt jämviktsläge uppstår.
d) 4 HCl(g) + O2(g) O 2 H2O(g) + 2 Cl2(g)
Hur har jämviktsläget förskjutits? Antag att temperaturen hålls konstant. 3:14
gul
Hur ändras lösningens färg om man till en grön lös-
ändringar detta åstadkommer och beräkna sedan
1,00 mol kolmonoxid och en okänd substansmängd
3:13
Kopparsulfatlösning har blå färg. Om man sätter kon-
temperatur en jämviktsblandning som består av
3:20
Teckna jämviktskonstanterna för följande jämvikter a) C(s) + CO2(g) O 2 CO(g)
För jämvikten N2O4(g) O 2 NO2(g) ökar värdet på K
b) 2 H2(g) + S2(g) O 2 H2S(g)
med ökande temperatur.
c) 2 Ag2O(s) O 4 Ag(s) + O2(g)
Är reaktionen åt höger exoterm eller endoterm? 3:15
Hur påverkas följande jämviktslägen av ett ökat tryck? a) 2 O3(g) O 3 O2(g) b) 2 NO(g) + O2(g) O 2 NO2(g)
Mer att läsa
c) H2(g) + F2(g) O 2 HF(g)
F&F 8/2007 Kemi på ytan sätter djupa spår
d) 2 NO(g) + Cl2(g) O 2 NOCl(g)
KV/KT 11/2007 Svensk katalysatorteknik ut i världen KV/KT 11/2007 Kemiska processer på fasta ytor
3:16
Hur påverkas jämviktslägena i nedanstående reaktioner av en temperaturhöjning? a) H2(g) + Cl2(g) O 2 HCl(g) + värme b) 2 C2H2(g) + 5 O2(g) O 4 CO2(g) + 2 H2O(g), ΔH = –2600 kJ c) N2(g) +O2(g) O 2 NO(g), ΔH = 180 kJ
60
F&F = Forskning och Framsteg
Isbildning på apelsiner kan hindra att de förstörs av frost. Apelsinerna duschas med vatten och när vattnet kristalliserar och bildar is frigörs värme, som håller temperaturen inne i apelsinerna ovanför nollstrecket.
BARA VANLIGT 4 VATTEN Vatten är en förutsättning för liv. Det mesta av vattnet på vår jord finns i haven. Havsvattnet innehåller lösta ämnen, mest salter men även en del organiska ämnen. Endast ca 6 % av jordens vatten är sötvatten. I Sverige kommer hälften av dricksvattnet från grundvatten som endast kräver enkel rening eller ingen rening alls. Resten kommer från ytvatten som renats i vattenverken. Vatten är det enda ämne på jorden som förekommer i alla aggregationsformer i naturen. Dessutom är vår planet, såvitt vi vet, den enda planet där det finns rikligt med vatten i flytande form. 61
KAPITEL 5 REDOX OCH ENERGI
Steg 2 Nu måste vi se till att lika många elektroner upptas och avges. Därför multiplicerar vi reaktion (1) med 2. 2 · (MnO4– + e– → MnO42–) SO32– + 2 OH– → SO42– + H2O + 2 e–
(reduktion) (oxidation)
(3) (2)
Steg 3 Formeln för totalreaktionen får vi genom att addera reaktionerna (3) och (2). 2 MnO4– + 2 e– → 2 MnO42– (reduktion) SO32– + 2 OH– → SO42– + H2O + 2 e– (oxidation) 2 MnO4– + SO32– + 2 OH– + 2 e– → 2 MnO42– + SO42– + H2O + 2 e– Efter att ha minskat båda leden med 2 e– får vi formeln för totalreaktionen. 2 MnO4– + SO32– + 2 OH–→ 2 MnO42– + SO42– + H2O EXEMPEL
4. Oxidation av glukos i sur anaerob miljö. Elektronöverföringsmetoden kan också användas för att skriva och balansera reaktionsformler för oxidation av organiska föreningar. Oxidationen av organiska föreningar kan ske i aerob (syrerik) eller i anaerob (syrefattig) miljö. Vi och de flesta andra levande varelser behöver syre för att andas. Vid cellandningen reduceras syreatomer i syremolekyler. Men i syrefattiga miljöer som t.ex. i Östersjöns bottenvatten finns det bakterier som i stället reducerar svavelatomer i sulfatjoner. Då bildas sulfidjoner. Vid denna anaeroba andning oxideras organiska ämnen till koldioxid. Reaktionen sker i sur miljö. glukos oxideras ⇒ koldioxid bildas
Steg 1 C6H12O6 + 6 H2O → 6 CO2 + 24 H+ + 24 e–
(oxidation)
sulfatjoner reduceras ⇒ sulfidjoner bildas
SO42– → S2–
(reduktion)
vattenmolekyler läggs till ⇒ samma antal syreatomer
SO42– → S2– + 4 H2O
(reduktion)
vätejoner läggs till ⇒ samma antal väteatomer
SO42– + 8 H+ → S2– + 4 H2O
(reduktion)
elektroner läggs till ⇒ laddningarna balanseras
SO42– + 8 H+ + 8 e– → S2– + 4 H2O
(reduktion)
(2)
(2) multipliceras med 3 ⇒ lika många elektroner i (1) och (2)
Steg 2 C6H12O6 + 6 H2O → 6 CO2 + 24 H+ + 24 e– 3 · (SO42– + 8 H+ + 8 e– → S2– + 4 H2O)
(oxidation)
(1)
(reduktion)
(2)
100
(1)
KAPITEL 5 REDOX OCH ENERGI
Steg 3 C6H12O6 + 6 H2O → 6 CO2 + 24 H+ + 24 e–
(oxidation)
(1)
3 SO42– + 24 H+ + 24 e– → 3 S2– + 12 H2O
(reduktion)
(2)
(1) och (2) adderas
C6H12O6 + 6 H2O + 3 SO42– + 24 H+ + 24 e–→ 6 CO2 + 24 H+ + 3 S2– + 12 H2O + 24 e– C6H12O6 + 6 H2O + 3 SO42– + 24 e–→ 6 CO2 + 3 S2– + 12 H2O + 24 e–
båda leden minskas med 24 H+
C6H12O6 + 6 H2O + 3 SO42– → 6 CO2 + 3 S2– + 12 H2O
båda leden minskas med 24 e–
C6H12O6 + 6 H2O + 3 SO42– → 6 CO2 + 3 S2– + 12 H2O
(totalreaktion)
C6H12O6 + 3 SO4 → 6 CO2 + 3 S + 6 H2O
(totalreaktion)
2–
2–
båda leden minskas med 6 H2O
Steg 4 C6H12O6(aq) + 3 H2SO4(aq) → 6 CO2(aq) + 3 H2S(aq) + 6 H2O(l)
åskådarjoner, H+, läggs till ⇒ reaktionsformel utan laddningar
Kommentar: Vattnet luktar divätesulfid som förr kallades svavelväte. EXEMPEL
5. I reningsverk omvandlas nitratjoner till kväve. Avloppsvatten har höga halter av nitratjoner som förorsakar övergödning av sjöar och vattendrag. I Östersjön är övergödningen ett allvarligt problem. För att minska utsläppen av kväveföreningar används denitrifikationsbakterier i reningsverken. Bakterierna ”arbetar” i vattenverket för att reducera nitratjonerna. Bakterierna utvinner energi genom att oxidera organiska föreningar med nitratjoner som oxidationsmedel. Vid reaktionen bildas kvävemolekyler, N2. Samtidigt som nitratjoner reduceras, oxideras glukosmolekyler anaerobt och koldioxidmolekyler bildas.
denitrifikation – anaerob nedbrytning av organiska ämnen med nitratjoner som oxidationsmedel
Kväveatomerna i nitratjonerna reduceras till fritt kväve. Steg 1 C6H12O6 + 6 H2O → 6 CO2 + 24 H+ + 24 e–
(oxidation)
NO3– → N2
(reduktion)
(1)
glukos oxideras ⇒ koldioxid bildas nitratjoner reduceras ⇒ det bildas kväve, N2
2 NO3– → N2 + 6 H2O
vattenmolekyler läggs till ⇒ samma antal syreatomer
2 NO3– + 12 H+ → N2 + 6 H2O
vätejoner läggs till ⇒ samma antal väteatomer
2 NO3– + 12 H+ + 10 e– → N2 + 6 H2O
(reduktion)
(2)
elektroner läggs till ⇒ laddningarna balanseras
101
KAPITEL 6 ORGANISKA ÄMNEN – EGENSKAPER, STRUKTURER OCH REAKTIONER
Karbonylföreningar EXPERIMENT
provrör med 2-propanol
1. Värm några cm3 2-propanol i ett provrör. Upphetta en kopparspiral av grov tråd tills den glöder. För ned spiralen i provröret strax ovanför alkoholen (se figuren i marginalen). 2. Mät upp lika volymer av koncentrerad svavelsyra, kaliumdikromat och etanol. Blanda svavelsyra och kaliumdikromat i en bägare. Etanolen späds med 5–6 volymer vatten och hälls sedan mycket försiktigt i bägaren. Undersök indikatorreaktion och lukt hos ångorna. 3. Ställ tre små kristallisationsskålar på en arbetsprojektor. Tillsätt vatten till ca 5 mm höjd i samtliga skålar. Tillsätt 0,3–0,5 g 2-naftol (en fenol) till en av skålarna och samma mängd bensoesyra till en annan. Den tredje skålen är referens. Sätt till var och en av skålarna så mycket 2 mol/dm3 NaOHlösning att samtliga lösningar blir basiska mot indikatorpapper. Rör om försiktigt tills föreningarna lösts. Surgör samtliga lösningar med koncentrerad svavelsyra. Upprepa experimentet genom att åter göra lösningarna basiska och sedan sura. Diskutera 2-naftolens (fenolens) och karboxylsyrans syraegenskaper. Experimentet kan även utföras i stora provrör. 4. Sätt ett par droppar 2 mol/dm3 ammoniaklösning till silvernitratlösning i ett väl rengjort provrör. Tillsätt därefter några droppar bensaldehyd och låt provröret stå i 5 minuter. Iakttagelser? Töm och diska sedan provröret i dragskåp.
Oxidation av alkoholer ger karbonylföreningar
C
O
karbonylgrupp
128
Alkoholer är brännbara och ger vid fullständig förbränning koldioxid och vatten. Vid ofullständig oxidation med milda oxidationsmedel ger primära, sekundära och tertiära alkoholer olika produkter. En primär alkohol ger vid försiktig oxidation först en aldehyd och vid fortsatt oxidation en karboxylsyra. En sekundär alkohol ger vid oxidation en keton. En tertiär alkohol oxideras normalt inte av vanliga oxidationsmedel. Vid kraftig oxidation spjälkas kolkedjan hos den tertiära alkoholen och man får flera olika produkter. Av tabellen på nästa sida framgår hur några representativa alkoholer ger olika produkter vid oxidation. Samtliga oxidationsprodukter innehåller en karbonylgrupp, C O . Oxidationsprodukterna kallas därför karbonylföreningar.
KAPITEL 6 ORGANISKA ÄMNEN – EGENSKAPER, STRUKTURER OCH REAKTIONER
Alkoholers oxidationsprodukter TYP
Primär
Sekundär
Tertiär
UTGÅNGSMATERIAL
OXIDATIONSPRODUKT 1
OXIDATIONSPRODUKT 2
CH3–OH
H–CHO
H–COOH
metanol
metanal
metansyra (myrsyra)
CH3–CH2–OH
CH3–CHO
CH3–COOH
etanol
etanal
etansyra (ättiksyra)
CH3–CH2–CH2–CH2–OH
CH3–CH2–CH2–CHO
CH3–CH2–CH2–COOH
1-butanol
butanal
butansyra (smörsyra)
CH3–CH(OH)–CH3
CH3–CO–CH3
2-propanol
propanon (aceton)
CH3–CH(OH)–CH2–CH2–CH3
CH3–CO–CH2–CH2–CH3
2-pentanol
2-pentanon
(CH3)3COH
oxideras ej av vanliga oxidationsmedel
H R
C
O OH
ox
H primär alkohol
R
ox
C
OH
O R
C
R
H
OH
aldehyd
karboxylsyra
C
O R
ox
R
C
R
Generella strukturformler för primära och sekundära alkoholer och för oxidationsprodukterna.
H sekundär alkohol
keton
Molekylmodell av etanol
Molekylmodell av ättiksyra Molekylmodell av etanal (acetaldehyd)
Molekylmodell av 2-propanol
Molekylmodell av aceton
129
KAPITEL 6 ORGANISKA ÄMNEN – EGENSKAPER, STRUKTURER OCH REAKTIONER
IR-spektra av 1-hexyn och 1-fenyl-2butanon.
transmittans/% 100
75
50
Den översta figuren visar ett IRspektrum av 1-hexyn. Längst till vänster har två olika typer av bindningar mellan en kolatom och en väteatom absorberat strålning med hög frekvens, dvs. kort våglängd.
25
H
H—C—C
C—C
C H 0 2,50
3,33 1-hexyn
5,00
10,00 våglängd/Mm
H—C—C—CH2 —CH2 —CH2 —CH3
transmittans/% 100
75 H
—H
C 50
Också i 1-fenyl-2-butanon absorberar bindningar till väteatomer vid korta våglängder. Väteatomer, som är bundna till en bensenring, och väteatomer som är bundna till en alifatisk kolkedja vibrerar med olika frekvenser.
H O C
25
0 2,50
3,33
5,00
10,00 våglängd/Mm O
1-fenyl-2-butanon
—CH2 —C—CH2 —CH3
I IR-spektrumet i figurerna syns många toppar vid låg frekvens, dvs. till höger i bilden. Detta område kallas fingerprintområdet. Det beror på att IRspektra av kemiska föreningar inom detta våglängdsområde är lika unika som fingeravtryck är för människor. Området kan därför användas för att visa om två föreningar är identiska. 152
KAPITEL 6 ORGANISKA ÄMNEN – EGENSKAPER, STRUKTURER OCH REAKTIONER
MS – masspektrometri mäter föreningars massor Masspektrometri är inte en spektroskopisk teknik. Den utnyttjar inte elektromagnetisk strålning. Trots det brukar man studera masspektrometri i samband med de spektroskopiska teknikerna. Det beror på att man får liknande information, och att data från denna teknik presenteras på ett likartat sätt. I en masspektrometer rycks en elektron loss från den förening som studeras. Då bildas en positiv jon med samma massa som den ursprungliga föreningen. Vissa av de bildade jonerna sönderfaller sedan i mindre joner och neutrala fragment. I masspektrometern mäts sedan massan av de bildade jonerna. Figuren nedan visar ett spektrum av fenylmetylketon. Den topp som motsvarar den största massan ger föreningens molekylmassa. De andra topparna som motsvarar joner av mindre fragment har de strukturer som vi ser i anslutning till topparna. relativ intensitet O+ C
+ O+
100 C
105
+ 77
O+
51 CH3 43
75
C 120
50
CH3
25 0 34
44
54
64
74
84
94
104
124 114 formelmassa/u
Masspektrum av fenylmetylketon.
Genom att känna till hur olika grupper av föreningar sönderfaller i en masspektrometer kan man genom att ”lägga pussel” analysera strukturen för en okänd förening. Varje gång man analyserar spektrumet för ett ämne som inte tidigare undersökts i en masspektrometer, kan resultatet sparas i en databas som är kopplad till masspektrometern. En sådan databas kan innehålla spektra av 100 000 organiska föreningar. På några sekunder kan datorn jämföra ett spektrum av en okänd förening med samtliga spektra i databasen. Det krävs förstås ändå välutbildade kemister för att tolka och bedöma resultaten. 153
KAPITEL 7 REAKTIONSMEKANISMER – BOKFÖRING AV ELEKTRONER
Resonans stabiliserar bensenmolekylen Vi såg på föregående sida att en alken adderar vätehalogenider, t.ex. HCl, till sin dubbelbindning. När man tittar på den traditionella strukturformeln för bensen, får man uppfattningen att även bensen skulle kunna addera väteklorid. Men bensen adderar inte väteklorid. Den klassiska strukturformeln ger alltså en delvis felaktig bild av egenskaperna för bensen. Bensen har i själva verket inte tre kol-koldubbelbindningar. De tre dubbelbindningarna är sex elektroner som är jämnt fördelade runt ringen, de är delokaliserade. Molekyler som har delokaliserade elektroner har en speciell stabilitet, resonansstabilitet. När en vanlig strukturformel inte ger en rättvisande bild av elektronfördelningen i en förening som har delokaliserade elektroner, används resonansformler. Man anger då en förenings elektronfördelning med olika klassiska strukturformler. Den verkliga elektronfördelningen är en mellanform av de olika ingående resonansformlerna. För bensen ser det ut så här
klassisk strukturformel för bensen
resonansformler för bensen
alternativt sätt att ange elektronfördelningen i en bensenmolekyl
Resonansformler visar hur delokaliserade elektroner är fördelade i en molekyl.
176
Överst ser vi den klassiska strukturformeln för bensen, under den de två resonansformlerna och längst ner ett sätt för att sammanfatta den verkliga elektronfördelningen för bensen. Lägg även märke till att man använder en speciell sorts dubbelpil då man anger resonansformler. De krokiga pilarna i den vänstra formeln anger hur elektronerna måste förflyttas för att man ska få den andra resonansformeln.
KAPITEL 7 REAKTIONSMEKANISMER – BOKFÖRING AV ELEKTRONER
Karboxylatjoner och karbonatjoner är stabila Det är inte bara bensen som kräver resonansformler för att ge en bättre bild av elektronfördelningen i föreningen. Ofta, när en molekyl eller jon har flera närliggande atomer som har dubbelbindningar eller fria elektronpar, hjälper resonansformler oss att förstå elektronfördelningen. Ett exempel är karboxylatjonen, R–COO–. Resonansformlerna presenteras i marginalen. Ett annat exempel är karbonatjonen, CO32–. Av den klassiska strukturformeln kan man dra slutsatsen att de olika syreatomerna har olika elektrontäthet omkring sig. Med resonansformlerna här nedan visas de olika klassiska strukturformler som kan skrivas för karbonatjonen. Den verkliga elektronfördelningen ska representeras av ett mellanting av de olika resonansformlerna. I den högra strukturformeln sammanfattas resultatet av resonansformlerna. Andra exempel på föreningar eller joner med resonansstrukturer är svaveldioxid, SO2, och nitratjoner, NO3–.
O –
–
O
C O
O
–
–
O
O
C
–
O
klassisk strukturformel
C R
O
R
1/2 –
O C O–
1/2
R
sammanfattande strukturformel
2/3 –
O
C O
C O
–
resonansformler av karboxylatjonen
–
O
O
O–
–
O
–
C O
C O
O–
2/3
O
2/3 –
sammanfattande strukturformel
resonansformler
Förestring är en kondensationsreaktion O R
C
OH + H
O
R´
H
O
+
R
C
O
R´ + H2O
En karboxylsyra och en alkohol kan i närvaro av stark syra bilda en ester och vatten. Reaktionen är en jämviktsreaktion. Det innebär att en ester i närvaro av vatten och katalytisk mängd stark syra kan reagera med vattnet, hydrolyseras, och bilda en karboxylsyra och en alkohol. På sidan 136 såg du att syreatomen i det bildade vattnet kom från karboxylsyran. Med hjälp av mekanismen kan du nu se varför det är så.
hydrolys – ett ämne reagerar med vatten och sönderdelas
177
KAPITEL 8 BIOMOLEKYLERNA – DE LIVSVIKTIGA MOLEKYLERNA
α-helixar och β-strukturer är sekundärstrukturer som fungerar som byggelement i proteinmolekyler.
B-struktur
3,6 aminosyraenheter/varv
Det finns huvudsakligen två typer av sekundärstrukturer i proteiner, α-helixar och β-strukturer.
A-helix
α-helix. Om syreatomen i en peptidbindning binds till en väteatom som sitter på en kväveatom fyra aminosyrarester längre fram i polypeptiden, uppstår en spiralvridning där R-grupperna alltid pekar utåt. I ett varv i spiralen finns 3,6 aminosyrarester. Det är energimässigt fördelaktigt om aminosyrarest nummer 1 binds till peptidbindningen i aminosyrarest nummer 5, nummer 2 till nummer 6 osv. Spiralen blir nästan alltid högervriden och kallas α-helix. En α-helix brukar vara 10–30 aminosyrarester lång. Vissa aminosyror passar inte in i α-helixar och då upphör spiralvridningen. β-struktur. Mellan en syreatom i en peptidbindning och en kväveatom i en peptidbindning längre bort i polypeptidkedjan kan det bildas en vätebindning. Om detta sker på ett regelbundet sätt uppstår en struktur som kallas β-struktur. Det kan vara så att aminosyrarest nummer 17 binds till nummer 51, och aminosyrarest 18 till nummer 52 osv. Då bildar avsnitten av peptidkedjor regelbundna veck där vecket finns vid α-kolatomerna och de plana peptidbindningarna bildar ytor mellan vecken. Avsnitt med veck ligger tätt intill varandra så att det kan bildas många vätebindningar. Det finns både β-strukturer med parallella polypeptidkedjor och med antiparallella polypeptidkedjor.
192
KAPITEL 8 BIOMOLEKYLERNA – DE LIVSVIKTIGA MOLEKYLERNA
β-strukturer omväxlande med α-helixar och slingrande peptidkedjor ger spindelsilke styrka och töjbarhet som är större än motsvarande egenskaper hos Kevlar®. När spindelsilke utsätts för belastning bryts vätebindningarna som håller samman β-strukturerna. De mellanliggande polypeptidkedjorna kan då sträckas ut så att tråden förlängs utan att brista.
Tertiärstruktur När olika sekundärstrukturer binds till varandra på ett bestämt sätt bildas proteinets tertiärstruktur. Då blir proteinmolekylen kompakt och får en unik tredimensionell struktur. Tertiärstruktur uppstår genom att det bildas bindningar mellan aminosyraresternas R-grupper. De bindningarna kan vara vätebindningar, jonbindningar mellan olika protolyserade R-grupper eller kovalenta bindningar mellan svavelatomer i cysteinrester. Störst betydelse för att tertiärstrukturen upprätthålls har dock den hydrofoba effekt som utgörs av att opolära R-grupper samlas inne i proteinmolekylen. Det finns också svaga bindningar, van der Waalsbindningar, mellan de opolära R-grupperna.
H
vätebindningar mellan sidokedjor
CH3
C CH3 CH3
vätebindningar mellan huvudkedjor i A-helixar och B-strukturer
Kevlar® är handelsnamnet på en aromatisk polyamid som används i bl.a. segel och olika typer av skyddskläder. Den linjära strukturen består av bensenringar som hålls ihop av peptidbindningar.
O
H C CH CH3 H
_
C O
CH3 CH3 CH2 C H
H O
CH2
NH3+
_
COO
S S CH2 kovalenta bindningar mellan svavelatomer
hydrofob effekt
elektrostatisk attraktion
Olika krafter stabiliserar proteinstrukturer.
193
KAPITEL 9 LIV OCH ENERGI
Strukturmodeller av triosfosfatisomeras, ett enzym som katalyserar ett steg i glykolysen. De två subenheterna är bundna till varandra, så att de aktiva centrumen är vända åt varsitt håll. Grått/svart visar kolatomer, blått visar kväveatomer och rött visar syreatomer. I modellen av den högra subenheten i den undre strukturmodellen kan man se polypeptidkedjan med α-helixar och β-strukturer. Substratet visas i båda bilderna som kulmodell men i den övre modellen döljs det av den högra subenheten.
Enzymer arbetar effektivt omsättningstal – det antal molekyler en enzymmolekyl kan omsätta per sekund
Lever innehåller enzymet katalas som sönderdelar väteperoxid till vatten och syre.
222
Enzymer har olika arbetsförmåga. Denna uttrycks i hur många substratmolekyler som kan reagera, omsättas, per sekund och enzymmolekyl. Omsättningstalet kan vara så högt som någon miljon molekyler per sekund. I lever och i potatis sker en reaktion som ger oss möjlighet att studera ett enzyms aktivitet experimentellt. Vid metabolismen bildas väteperoxid i cellerna. I likhet med andra starkt oxiderande ämnen, oxidanter, förstör väteperoxid cellerna. Det är därför nödvändigt att snabbt oskadliggöra
KAPITEL 9 LIV OCH ENERGI
bildad väteperoxid. Enzymet katalas skyndar på sönderfallet av väteperoxid, dvs. katalas katalyserar sönderfallet av väteperoxid. Väteperoxid sönderfaller enligt formeln
omsättningstal – det antal molekyler som en enzymmolekyl kan omvandla per sekund
2 H 2O 2 O 2 H 2O + O 2
Reaktionen är starkt exoterm. Ändå kan en lösning av väteperoxid förvaras i åratal utan att sönderdelas. Förklaringen är att aktiveringsenergin är hög. I laboratoriet kan man använda finfördelad platina för att starta en snabb sönderdelning av väteperoxid. En bit rå potatis eller en bit lever ger ännu snabbare sönderdelningreaktion. Både platina och enzymet katalas möjliggör en reaktionsmekanism som kräver lägre aktiveringsenergi än reaktionen utan katalysator. Katalasets omsättningstal är ca 1 000 000 molekyler per sekund beroende energi på typen av katalas. NH2
utan enzym
O
S
O
O
OH C
Ea med enzym
Ett enzym sänker aktiveringsenergin för en reaktion.
H2O2
Ea $H H2O och O2 reaktionsförlopp
NH2
NH2
4-aminobensensulfonsyra har en molekylstruktur som liknar p-aminobensoesyra.
Enzymer kan blockeras Enzymets aktiva centrum kan ibland påverkas av andra ämnen än substratet. Vissa ämnen som har en struktur som liknar substratets kan bindas till det aktiva centrumet. Området blir då helt eller delvis blockerat och enzymet kan inte bilda sitt rätta enzym-substratkomplex. Många läkemedel fungerar genom att blockera enzymer. Ett exempel är sulfa, 4-aminobensensulfonamid, som används mot bakterieinfektioner. Sulfa blockerar ett enzym som använder p-aminobensoesyra som substrat. Blockeringen gör att bakterierna inte kan växa. Sulfa har haft stor betydelse för bekämpning av infektionssjukdomar orsakade av stafylokocker. Andra läkemedel som fungerar som enzyminhibitorer är acetylsalicylsyra i smärtstillande tabletter, acyklovir mot munsårsvirus och AZT som ingår i bromsmediciner mot aids.
inhibitor – reaktionshämmare
inhibitor
enzymsubstratkomplex
substrat enzym
Om det aktiva centrumet blockeras kan det normala substratet inte bindas till enzymet och reagera.
223
KAPITEL 10 FRÅN DNA TILL PROTEIN
2 nm
DNA
En negativt laddad DNA-molekyl lindas runt positivt laddade proteiner, histoner, till en 30 nm tjock tråd. Lindandet fortsätter tills trådens tjocklek ökat till 1400 nm. En X-formad kromosom består av två identiska DNA-molekyler, en i varje ”kromosomben”.
DNA histoner
30 nm
P
C C
5’
G
O
3’
O
C
300 nm
5’
3’
P
700 nm
P
T C
5’
A
O
3’
O
C
5’
3’
P 1400 nm
Två DNA-strängar hålls ihop av vätebindningar mellan kvävebaser.
DNA-molekyl – två DNA-strängar som hålls ihop av vätebindningar mellan kvävebaser
komplementära kvävebaser – A och T respektive C och G baspar – parvis hopkopplade nukleotider
254
I dubbelspiralen är kvävebaserna riktade inåt som stegpinnarna i en repstege. Stegens sidor består av fosfat- och deoxiribosgrupper på utsidan. De båda DNA-strängarna hålls ihop av vätebindningar mellan parvis, mot varandra, grupperade kvävebaser. Avståndet mellan nukleotidsträngarna ger precis plats för två kvävebaser bundna till varandra med vätebindningar. Adenin, A, i den ena strängen binds alltid till tymin, T, i den andra strängen och cytosin, C, binds alltid till guanin, G. De parvis hopkopplade nukleotiderna kallas baspar. Man säger att A och T respektive C och G är komplementära. Mellan A och T finns det två vätebindningar och mellan C och G finns det tre. Andra kombinationer av kvävebaser är inte möjliga i DNAmolekyler. De två DNA-strängarna i en DNA-molekyl är fullständigt komplementära. De är antiparallella, dvs. löper i olika riktningar, se teckningen på nästa sida. Varje människocell innehåller 3 miljarder baspar i samma ordningsföljd
KAPITEL 10 FRÅN DNA TILL PROTEIN
och i dubbel upplaga. Kvävebasernas ordningsföljd i människans kromosomer finns allmänt tillgänglig i databaser och används av forskare och av läkemedelsindustrin världen över för att tolka hur celler fungerar. Av det mänskliga genomet är det endast 2 % som kodar för proteiner eller för RNA. Resten av de tre miljarderna nukleotider består mest av olika repeterade sekvenser utan känd funktion. Den icke-kodande delen av det mänskliga genomet skiljer sig ganska mycket mellan individer och kan därför användas för att göra genetiska fingeravtryck vid brottsplatsundersökningar.
3’
5’ C
G A
T
T C
G T G
A C A
T
A
T T
A C
G
RNA med olika uppgifter
A G
C
Alla RNA-molekyler som finns är kemiskt sett lika, men har olika storlekar och funktioner. De kemiska skillnaderna mellan RNA och DNA är att pentosen är ribos i RNA och inte deoxiribos som i DNA och att RNA har kvävebasen U istället för T. En RNA-molekyl består av en enkelsträng, men komplementära kvävebaser kan bindas med vätebindningar till kvävebaser i molekylen. En RNA-molekyl kan också bindas med vätebindningar till andra RNA- eller till DNA-molekylers kvävebaser. En RNA-molekyl motsvaras av en gen i DNA. Det finns huvudsakligen tre slags RNA med olika uppgifter.
LÄS MER
G T
C A
T C G
A G C 3’
5’
De två strängarna i en DNA-molekyl är antiparallella, dvs. löper i olika riktningar.
Djur med streckkod
En fladdermus såklart, men vilken art? Fler och fler arter får alla sina gener kartlagda. För att kunna skilja en art från en annan behöver man dock oftast bara jämföra skillnaderna i en enda gen. Fladdermusen Uroderma bilobatum, och många andra arter har fått en streckkod för genen COI. Streckkoderna för COI räcker långt för att kunna säga om två liknande djur hör till samma art eller bara är nära släkt. COI kodar för proteinet cytokrom c oxidas I som ingår i andningskedjan och finns i cellernas mitokondrier. 1
100
200
300
400
500
657
255
Bildförteckning Siffrorna anger sida och bildens placering på sidan Omslag: Pasieka, Alfred/Science Photo Library/IBL Bildbyrå AFP/Scanpix 35 Ahlgren, Sven Olof/Scanpix 102 Airio, Maria/Lethikuva/Scanpix 205 Andrewartha, Terry/Nature Picture Library/IBL Bildbyrå 65 Askimov, Igor/ITAR-TASS/Scanpix 208 Baker, Richard/Corbis/Scanpix 52:2 Bean, Tom/Getty Images 29 Berry, Ian/Magnum/IBL Bildbyrå 63:1, 63:2 Bettmann/Corbis/Scanpix 126 Bresciani, Claudio/Scanpix 158 Cito, Pier Paolo/AP/Scanpix 20:3 Colton, Bryn/Assignments Photographers/Corbis/Scanpix 142:1 Daniau, Mychele/AFP/Scanpix 85 De Roy, Tui/Minden Pictures/Scanpix 224 Deerinck, Thomas, NCMIR/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 235 DeLaval 190:1 Elmtree Images/Alamy/Lucky Look 121 Enerbäck, Sven 234 Epstein, Lars/Scanpix 11 Eye of Science/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 264 Farnsworth, Alexander/Scanpix 91 FOSS 151:1 Fred, Red/Alamy/Lucky Look 125 Freund, Jurgen/Nature Picture Library/IBL Bildbyrå 241 Geijer, Hans/Naturbild/Johnér Bildbyrå 82 Gimenez-Martin, Pr. G./Science Photo Library/IBL Bildbyrå 253 Gustoimages/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 7 Hecht/Content Mine/Lucky Look 193 Hengst, Veit/Scanpix 32 Holzer, Jurek/Scanpix 56:2 Hooton, Ian/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 17 Junge, Heiko/Scanpix 215 Juniors Bildarchiv/Ina Agency 181, 229 Kasmauski, Karen/Corbis/Scanpix 247, 266 King-Holmes, James/OCMS/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 196 Koeberer, Ron/IBL Bildbyrå 132:2 Korach, Mujo/IBL Bildbyrå 137 Lewin, Jackie, Royal Free Hospital/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 191 Lipchitz, Michel/AP Photo/Scanpix 131 Lippmann/photocuisine/Corbis/Scanpix 19:2 Lundmark, Gunnar/Svd/Scanpix 151:2
334
M.C. Escher’s ”Sky and Water I” © 2008 The M.C. Escher Company-Holland. All rights reserved. www.mcescher.com 39 Maisonneuve, R, Publiphoto Diffusion/Science Photo Library/ IBL Bildbyrå 95 Mary Evans Picture Library/IBL Bildbyrå 249 McEnery, David/Rex/IBL Bildbyrå 175 Molloy, Cordelia/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 52:3 Märzinger, Roman/INA Agency 142:2 NASA/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 16 Nishinaga, Susumu/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 190:2 Nomachi, Kazuyoshi/Corbis/Scanpix 77 Nordén, Jan/IBL Bildbyrå 115 Perrin Witness, Pierre/IBL Bildbyrå 207 Pol, Alain, ISM/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 9 Quigley, Stewen /Capio 154 Ranze, Tom/AFP/Scanpix 61 Republic of Srpska Government. Med tillstånd av Republic Directorate for Water, Bijeljina 163 Rotman, Jeff/Alamy/Lucky Look 66 © Royal Ontario Museum, 2006. With permission of the Royal Ontario Museum. Photo credit: Alex Borisenko 255 Rämme, Göran 211 Rökeaus, Nina 20:1, 20:2, 22:2, 56:1, 83, 87, 132:1, 141, 197, 206, 209, 222, 293 Sakuma, Paul/AP Photo/Scanpix 258 Schiller, Charles/Jupiterimages/AFP/Scanpix 14 Science Photo Library/IBL Bildbyrå 104, 155 Sherratt, Adrian/Alamy/Lucky Look 200 Sikora, Tomek/zefa/Corbis/Scanpix 19:1 Sklar, Evan/Jupiterimages/AFP/Scanpix 69 Smith, Gerry K./Nature Picture Library/IBL Bildbyrå 203 South West Images Scotland/Alamy/Lucky Look 135 © SRI Instruments 146 Stering, Erich/Scanpix 75 Svensk Mjölk 8 SwimInk 2, LLC/Corbis/Scanpix 53 Sykes, Homer W/Alamy/Lucky Look 169 Taylor, Kim/Nature Picture Library/IBL Bildbyrå 204 Terry, Sheila/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 105 Tomplinson, Geof/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 22:1 Trägårdh, Patrick/Scanpix 219 Workbook/Johnér Bildbyrå 136 Teckningar Kurt Berndt 222 Karl Jilg 182 Cecilia Lorentzson 254 Per Werner Schulze molekylmodeller 33, 54, 56, 62, 76, 129
ISBN 978-91-47-01942-7 © 2008 Hans Borén, Manfred Börner, Monika Larsson, Birgitta Lindh, Johanna Lundström och Liber AB Redaktör Eva-Lisa Nordmark Formgivare Eva Jerkeman Bildredaktör Inga-Britt Liljeroth Illustratör Cecilia Frank Fjärde upplagan 1 Repro: Repro 8 AB, Nacka Tryck: Korotan Ljubljana, Slovenien 2008
Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk utöver BONUSavtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningssamordnare, t.ex. kommuner/universitet. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig erlägga ersättning till upphovsman/rättshavare. Liber AB, 113 98 Stockholm www.liber.se Kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01 E-post: kundservice.liber@liber.se
KEMIBOKEN
B
KEMI B KEMIBOKEN B
passar alla ll som lä läser K Kemii B. B
är ledstjärnan för Kemiboken-serien. Varje viktigt moment inleds med belysande experiment som är enkla för läraren att demonstrera. Boken innehåller även 26 elevlaborationer.
EXPERIMENTET I CENTRUM
NIVÅIMARKERAT STOFF OCH UPPGIFTER gör det enkelt att anpassa stoffet efter förmåga och ambitionsnivå.
Det är en stor fördel för lärare och elever att ha allt samlat i en bok: teori, laborationer och arbetsövningar. ALLT I ETT.
FÖRFATTARTEAMET består av veteranerna Hans Borén, Monika Larsson och Birgitta Lindh och nytillskotten Manfred Börner och Johanna Lundström.
I KEMIBOKEN-SERIEN ingår läroböckerna Kemiboken A och Kemiboken B och lärarhandledningar till dem båda.
Best.nr 47-01942-7 Tryck.nr 47-01942-7