background image

1

Chemia ogólna z elementami chemii 

fizycznej

Zakład Biochemii Kwasów 

Nukleinowych

Prof. dr hab. Leszek Szmigiero

Ć

wiczenia 

ul. Kopci

ń

skiego 20

2

Warunki dopuszczenia do egzaminu

1. Obecno

ść

 na 6 na zaj

ę

ciach laboratoryjnych.

2. Udział we wszystkich sprawdzianach pisemnych 

przeprowadzanych na zaj

ę

ciach laboratoryjnych. 

Studenci, którzy b

ę

d

ą

 obecni na wszystkich 8-ciu 

zaj

ę

ciach mog

ą

 zrezygnowa

ć

 z jednej oceny za 

wyj

ą

tkiem oceny ze sprawdzianu rachunkowego, 

który jest obowi

ą

zkowy.

3. Uzyskanie 

ś

redniej oceny ze wszystkich 

sprawdzianów powy

ż

ej 2,5. 

background image

2

3

Egzamin i ocena ko

ń

cowa

Egzamin ma form

ę

 testu (40 pyta

ń

).

Ocena ko

ń

cowa wyliczona jest wg poni

ż

szego 

wzoru:

Ś

rednia =  (S + 2L + 2R +5T) / liczba ocen

S - suma ocen ze sprawdzianów pisemnych i odpowiedzi 
ustnych;
L - ocena za wykonanie laboratoryjnych zada

ń

 kontrolnych;

T - ocena ze sprawdzianu testowego.

4

Podr

ę

czniki

1. Chemia medyczna pod redakcj

ą

Iwony 

Ż

ak

2. Chemia ogólna z elementami

biochemii. Teresa K

ę

dryna

3Krótkie wykłady – chemia dla biologów. 

Fisher J., Arnold J.
(Najlepszy podr

ę

cznik)

background image

3

5

Podr

ę

czniki c.d.

4. Chemia ogólna z elementami chemii

fizycznej. L.Szmigiero, K.Studzian,
E.Ciesielska. Dost

ę

pny na stronie 

Wydziału w zakładce e-learning w 
katalogu SKRYPTY. Konieczne jest 
uzyskanie hasła do zalogowania wg 
wskazówek znajduj

ą

cych si

ę

 w katalogu 

SKRYPTY. 

6

Wi

ą

zania chemiczne

• Uło

ż

enie elektronów w atomie

• Wi

ą

zanie kowalencyjne

• Wi

ą

zanie jonowe

• Wi

ą

zanie koordynacyjne

background image

4

7

Orbital atomowy – funkcja falowa okre

ś

laj

ą

ca 

stan elektronu (energia, p

ę

d, lokalizacja) w polu 

elektrycznym j

ą

dra atomowego.

Orbital – przestrze

ń

 w pobli

ż

u j

ą

dra atomowego, 

gdzie prawdopodobie

ń

stwo znalezienia si

ę

 

elektronu jest wysokie np. 90%.

Orbital cz

ą

steczkowy – poj

ę

cie identyczne z 

powy

ż

szym, ale w odniesieniu do cz

ą

steczki .

8

background image

5

9

10

Model atomu berylu przedstawiaj

ą

cy „przekrój 

poprzeczny” rozkładu g

ę

sto

ś

ci elektronowej.

background image

6

11

Elektronowa teoria wi

ą

za

ń

 chemicznych 

Lewisa i Kossela

1. Podstaw

ą

 wi

ą

za

ń

 mi

ę

dzy atomami s

ą

 oddziaływania 

elektrostatyczne mi

ę

dzy elektronami walencyjnymi a 

j

ą

drami wi

ążą

cych si

ę

 atomów.

2. Wi

ążą

ce si

ę

 atomy mog

ą

 korzysta

ć

 wspólnie z par 

elektronowych znajduj

ą

cych si

ę

 pomi

ę

dzy nimi.

3. Je

ż

eli ka

ż

dy z atomów daje do wspólnej pary 

elektronów po jednym elektronie powstaje wi

ą

zanie 

zwane kowalencyjnym. 

12

4. Je

ż

eli para elektronowa pochodzi od jednego atomu

powstaje wi

ą

zanie zwane koordynacyjnym lub

donatorowym.

5. Jeden z wi

ążą

cych si

ę

 atomów mo

ż

e przekaza

ć

 elek-

tron(y) drugiemu atomowi, co prowadzi do powstania
jonów i wytworzenia silnych sił przyci

ą

gania mi

ę

dzy

nimi zwanych wi

ą

zaniem jonowym.

6. W wyniku utworzenia wi

ą

za

ń

 atomy uzyskuj

ą

 konfigu-

racj

ę

 elektronow

ą

 najbli

ż

szego gazu szlachetnego.

background image

7

13

para wiążąca

pary niewiążące

F

F

F

F

F

F

F

F

14

Na    +    Cl                  Na    +   Cl

N

H

H

H

+   H

N

H

H

H

H

background image

8

15

16

background image

9

17

18

background image

10

19

N

H

R

H

H

O

H

H

H

S

HO

OH

O

O

Cl

OH

O

O

O

20

Polarno

ść

 wi

ą

za

ń

J

ą

dra atomowe ró

ż

nych pierwiastków oddziałuj

ą

 na swoje 

elektrony walencyjne oraz uwspólnione pary elektronowe z 

ż

n

ą

 sił

ą

 zgodn

ą

 z prawem Coulomba.

1. Elektroujemno

ść

χ

, jest empiryczn

ą

 miar

ą

 tendencji 

atomów w cz

ą

steczce do przyci

ą

gania elektronów.

2. Elektroujemno

ść

 jest zdolno

ś

ci

ą

 atomów w cz

ą

steczce do 

przyci

ą

gania elektronów walencyjnych. 

Je

ż

eli wi

ą

zanie kowalencyjne powstało pomi

ę

dzy atomami o 

ż

nej elektroujemno

ś

ci, wspólna para elektronowa jest 

przesuni

ę

ta w stron

ę

 atomu o wy

ż

szej elektroujemno

ś

ci.

background image

11

21

Takie wi

ą

zanie nazywamy polarnym.

δ

+     

δ

-

H    Cl                      H    Cl

K < Na < Ca < Mg < H < C = S < N = Cl < O < F

elektroujemno

ść

Je

ż

eli ró

ż

nica elektroujemno

ś

ci wg skali Paulinga wynosi 

nie mniej ni

ż

 1,7 przyjmujemy, 

ż

e powstaje wi

ą

zanie 

jonowe.

22

Orbitalowa koncepcja wi

ą

za

ń

 

chemicznych

1. Wi

ą

zania chemiczne s

ą

 orbitalami cz

ą

steczko-

wymi, w których znajduj

ą

 si

ę

 uwspólnione 

elektrony.

2. Orbitale cz

ą

steczkowe (molekularne) powstaj

ą

 

w wyniku nakładania si

ę

 orbitali atomowych. 

3. Liczba orbitali molekularnych jest sum

ą

 liczby 

orbitali atomowych.

background image

12

23

3. Nakładanie si

ę

 orbitali atomowych prowadzi do 

powstania orbitali wi

ążą

cych lub antywi

ążą

cych.

4. Liczba wi

ą

za

ń

 mi

ę

dzy atomami jest ró

ż

nic

ą

 

mi

ę

dzy liczb

ą

 orbitali wi

ążą

cych i liczb

ą

 orbitali 

niewi

ąż

acych. 

5. Je

ż

eli ró

ż

nica ta (rz

ą

d wi

ą

zania) wynosi 0, to 

cz

ą

steczka nie mo

ż

e istnie

ć

.

6. Przy zapełnianiu orbitali cz

ą

steczkowych 

obowi

ą

zuje zakaz Pauliego i reguła Hunda.

24

Typy orbitali cz

ą

steczkowych

Istniej

ą

 trzy typy orbitali wi

ążą

cych: 

σ

π

δ 

oraz 

antywi

ążą

cych: 

σ

π

δ

.

Orbitale 

σ

σ

powstaj

ą

 w wyniku nakładania si

ę

 

orbitali atomowych s + s’,  s + p lub p

z

+ p

z

’. 

Znaczek „prim” oznacza orbital drugiego atomu.

Orbitale 

π

π

* powstaj

ą

 w wyniku nakładania si

ę

 

orbitali atomowych p

x

+ p

x

’  lub p

y

+ p

y

’.

Orbitale typu 

δ

– nie obowi

ą

zuj

ą

.

background image

13

25

Powstawanie orbitalu cz

ą

steczkowego 

σ

s

 w wyniku

           dodatniego nakładania si

ę

 orbitali typu s

orbital wi

ążą

cy 

σ

s

 lub 

σ

1

+

+

-

-

lub

Jeżeli znaki orbitali są zgodne powstaje orbital wiążący.

+

+

oś międzyjądrowa

26

Powstawanie orbitalu cz

ą

steczkowego 

σ

  w wyniku 

           ujemnego nakładania si

ę

 orbitali typu s

orbital antywi

ążą

cy  

σ

   lub 

σ

2

+

-

Jeżeli znaki orbitali są przeciwne powstaje orbital antywiążący.

*

*

+

-

płaszczyzna węzłowa rozdzielająca orbitale

background image

14

27

Powstawanie orbitalu cz

ą

steczkowego 

σ

p

 w wyniku

           dodatniego nakładania si

ę

 orbitali typu p

z

orbital wi

ążą

cy 

σ

p

 lub 

σ

3

+

+

-

-

lub

Jeżeli znaki orbitali są zgodne powstaje orbital wiążący.

+

+

+

+

-

-

-

-

28

Powstawanie orbitalu cz

ą

steczkowego 

σ

 w wyniku

     dodatniego nakładania si

ę

 orbitali typu s i p

orbital wi

ążą

cy 

σ

+

+

-

lub

Jeżeli znaki orbitali są zgodne powstaje orbital wiążący.

+

+

+

-

-

-

background image

15

29

Powstawanie orbitalu cz

ą

steczkowego 

σ

  w wyniku

          ujemnego nakładania si

ę

 orbitali typu s i p

orbital antywi

ążą

cy 

σ

+

+

-

lub

+

+

+

-

-

-

*

*

Jeżeli znaki orbitali nie są zgodne powstaje orbital antywiążacy

+

30

background image

16

31

Powstawanie orbitalu cz

ą

steczkowego 

π

x

 lub 

π

y

w wyniku ujemnego nakładania si

ę

 orbitali typu p

orbital antywi

ążą

cy 

π

x

 lub 

π

y  

(

π

2

)

+

-

Jeżeli znaki orbitali nie są zgodne powstaje orbital antywiążący.

+

-

+

-

*

*

+

-

*

*

32

σ

s

σ

s

*

σ

p

π

lub 

π

y

π

lub 

π

y

*

*

σ

p

*

E

Schemat energii orbitali cz

ą

steczkowych

σ

1

σ

2

σ

3

σ

4

π

1

π

2

background image

17

33

σ

s

σ

s

*

σ

p

π

lub 

π

y

π

lub 

π

y

*

*

E

Orbitale cz

ą

steczkowe O

2

σ

1

σ

2

σ

3

π

1

π

2

O    O

34

W cz

ą

steczce tlenu s

ą

 cztery orbitale wi

ążą

ce i dwa

antywi

ążą

ce. Czyli rz

ą

d wi

ą

zania wynosi 4 - 2 = 2.

S

ą

 wi

ę

c dwa wi

ą

zania, jedno 

σ

p

i jedno 

π

x

.

W orbitalach antywi

ąż

acych 

π

x

* i 

π

y

* zlokalizowane 

s

ą

 dwa niesparowane elektrony.

S

ą

 one powodem znacznej reaktywno

ś

ci tlenu i 

wła

ś

ciwo

ś

ci paramagnetycznych.

background image

18

35

Wi

ą

zanie metaliczne

Atomy metali w stanie stałym tworz

ą

 przestrzenn

ą

 sie

ć

 

krystaliczn

ą

W w

ę

złach sieci umieszczone s

ą

 jony metalu, a w 

przestrzeni wokół w

ę

złów rozmieszczone s

ą

 elektrony.

Ten typ uło

ż

enia atomów i ich powi

ą

zania przez elektrony 

nazywamy wi

ą

zaniem metalicznym.

Komórka 
elementarna 

ż

elaza 

36

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Wi

ą

zanie metaliczne

background image

19

37

Według elektronowej teorii metali, w przypadku 

litowców elektrony maj

ą

 tak du

żą

 swobod

ę

ż

e ich 

oddziaływanie z dodatnimi rdzeniami jest wr

ę

cz 

pomijane. Dlatego cez mo

ż

e traci

ć

 elektrony pod 

wpływem bardzo słabych bod

ź

ców np. 

ś

wiatła, co 

jest wykorzystywane w produkcji fotodiod. W 

innych metalach i w stopach własno

ś

ci metali s

ą

 

tłumaczone przez pasmow

ą

 teori

ę

 ciała stałego. 

38

Opiera si

ę

 ona na zało

ż

eniu, 

ż

e w kryształach ciała stałego 

np. metalu istniej

ą

 rozmyte poziomy energetyczne 

elektronów (pasma dozwolone), rozdzielone przez przerwy 

energetyczne (pasma wzbronione). Pasma te powstaj

ą

 w 

wyniku rozszczepienia poziomów energetycznych wolnych 

atomów, gdy te zbli

żą

 si

ę

 do siebie na bardzo niewielk

ą

 

odległo

ść

 w trakcie powstawania kryształu. Pasmo o 

najwy

ż

szej energii jest pasmem przewodnictwa i jest ono 

puste lub prawie puste. Poni

ż

ej pasma przewodnictwa 

znajduje si

ę

 pasmo walencyjne i mo

ż

e by

ć

 ono całkowicie 

lub tylko cz

ęś

ciowo zapełnione elektronami. 

background image

20

39

W pasmie niezapełnionym mo

ż

e dochodzi

ć

 pod wpływem 

pola elektrycznego do przeniesienia elektronu do 

s

ą

siedniego poziomu energetycznego i tym samym do 

przepływu pr

ą

du elektrycznego. Poszczególne substancje 

ż

ni

ą

 si

ę

 stopniem zapełnienia pasma walencyjnego i jego 

poło

ż

eniem wzgl

ę

dem pasma przewodnictwa. W metalach 

pasmo przewodnictwa cz

ęś

ciowo nakłada si

ę

 na pasmo 

walencyjne, st

ą

d metale znakomicie przewodz

ą

 pr

ą

elektryczny. 

40

W dielektrykach, które pr

ą

du nie przewodz

ą

 pasmo 

walencyjne jest całkowicie zapełnione i oddzielone od 

pasma przewodnictwa  przerw

ą

 energetyczn

ą

  wi

ę

ksz

ą

 od 

3 eV. Po

ś

redni

ą

 grup

ę

 mi

ę

dzy metalami i dielektrykami 

stanowi

ą

 półprzewodniki, które posiadaj

ą

 w

ą

ska przerw

ę

 

energetyczn

ą

 (poni

ż

ej 3 eV) i pewna liczba elektronów z 

pasma walencyjnego mo

ż

e przechodzi

ć

 do pasma 

przewodnictwa ju

ż

 w temperaturze pokojowej. Przej

ś

cie to 

zachodzi łatwiej w wy

ż

szych temperaturach i z tego 

powodu przewodnictwo półprzewodników ro

ś

nie wraz ze 

wzrostem temperatury. 

background image

21

41

a – odległo

ść

 mi

ę

dzy atomami w krysztale

42

Rodzaj wi

ą

za

ń

 oraz ich orientacja przestrzenna maj

ą

 

wpływ na wła

ś

ciwo

ś

ci cz

ą

steczek takie jak: temperatura, 

topnienia i temperatura wrzenia.

Zwi

ą

zki jonowe (sole i wodorotlenki) charakteryzuj

ą

 si

ę

 

wysok

ą

 temperatur

ą

 topnienia i w warunkach 

temperatury pokojowej s

ą

 ciałami stałymi o budowie 

krystalicznej. Kryształy te s

ą

 twarde lecz kruche.

Metale za wyj

ą

tkiem Hg s

ą

 ciałami stałymi o ró

ż

nym 

stopniu twardo

ś

ci. S

ą

 plastyczne, maj

ą

 niewielk

ą

 

krucho

ść

.

background image

22

43

Zwi

ą

zki kowalencyjne maj

ą

 znacznie ni

ż

sze temperatury 

topnienia od zwi

ą

zków jonowych. Je

ż

eli maj

ą

 nisk

ą

 

mas

ę

 molow

ą

, to w temperaturze pokojowej s

ą

 gazami 

lub cieczami. 

Zwi

ą

zki kowalencyjne o wysokiej masie molowej s

ą

 

ciałami stałymi. Mog

ą

 by

ć

 mi

ę

kkie i plastyczne, ale 

mog

ą

 by

ć

 równie

ż

 kruche i twarde.

44

Obecno

ść

 w cz

ą

steczce wi

ą

za

ń

 spolaryzowanych pod-

wy

ż

sza temperatur

ę

 topnienia i wrzenia pod warunkiem, 

ż

e orientacja przestrzenna wi

ą

za

ń

 umo

ż

liwia budow

ę

 

dipolow

ą

 cz

ą

steczki.

δ

+

C

O

O

δ

-

δ

-

δ

+

δ

+

C

O

δ

-

CO, cz

ą

steczka 

polarna

CO

2

, cz

ą

steczka 

apolarna

µ

> 0

µ

= 0

background image

23

45

O

H

H

δ

+

δ

+

δ−

O

H

H

δ

+

δ

+

δ−

Gdyby woda miała budow

ę

 liniow

ą

 nie byłaby dipolem.

46

Utlenianie i redukcja – podstawowe definicje

Stopie

ń

 utlenienia jest to umowny ładunek, który dany 

atom uzyskałby, gdyby wszystkie wi

ą

zania, które tworzy 

miały charakter jonowy.

Utlenianie – reakcja w wyniku której ro

ś

nie stopie

ń

 

utlenienia.

Redukcja – reakcja w czasie której maleje stopie

ń

 

utlenienia.

W reakcjach biochemicznych utlenianie jest cz

ę

sto 

odwodorowaniem lub wbudowaniem tlenu do cz

ą

steczki, a 

redukcja jest odł

ą

czeniem tlenu lub przył

ą

czeniem wodoru.

background image

24

47

C

H

C

H

H

O

OH

-1

-1

-1

0 0

+1

+1

+1

+1

-2

-2

+2

+1

Stopie

ń

 utlenienia atomu C grupy karboksylowej  +3.

Stopie

ń

 utlenienia atomu C grupy metylowej  -3.

48

Reaktywne formy tlenu (RFT)

Komórki organizmów aerobowych uzyskuj

ą

 energi

ę

 

poprzez redukcj

ę

 tlenu atmosferycznego (utlenianie 

zwi

ą

zków organicznych). Ko

ń

cowym produktem jest 

woda.

O

2

    +    4H                    2H

2

O

Dawcami atomów wodoru s

ą

 składniki po

ż

ywienia takie 

jak cukry, tłuszcze, białka oraz inne zwiazki organiczne 
zawieraj

ą

ce wodór.

background image

25

49

Równanie sumaryczne wydaje si

ę

 bardzo proste, lecz w 

rzeczywisto

ś

ci jest to wieloetapowy proces z udziałem 

wielu enzymów. 

W trakcie utleniania biologicznego powstaj

ą

 bardzo 

aktywne produkty po

ś

rednie o wysokim potencjale 

oksydacyjno-redukcyjnym.

Zwi

ą

zki te nazywamy Reaktywnymi Formami Tlenu 

(RFT) i maj

ą

 one du

ż

e znaczenie biologiczne.

Znanych jest około 30 RFT, które mog

ą

 by

ć

 cz

ą

stecz-

kami lub rodnikami.

50

O

2

               anionorodnik ponadtlenkowy

H

2

O

2

           nadtlenek wodoru

OCl             anion podchlorynowy
OH              rodnik hydroksylowy

background image

26

51

Anionorodnik ponadtlenkowy O

2

_

jest wolnym 

rodnikiem produkowanym jako produkt uboczny 
(głównie w mitochondriach) w trakcie redukcji tlenu, 
która zachodzi w procesie zwanym „ła

ń

cuchem 

oddechowym 

Około 1-2% całkowitej konsumpcji tlenu zu

ż

ywanej jest 

do produkcji anionorodnika ponadtlenkowego.

.

O    O

O    O

Wzory Lewisa tlenu i anionorodnika ponadtlenkowego

52

Nadtlenek wodoru, H

2

O

2

jest cz

ą

steczk

ą

 produkowa-

n

ą

 w komórkach w wyniku przekształcenia (dysmu-

tacji) anionorodnika ponadtlenkowego.

Termin dysmutcja oznacza, 

ż

e dwa rodniki ponad-

tlenkowe reaguj

ą

 ze sob

ą

 daj

ą

c nowy zwi

ą

zek. 

Reakcja ta jest katalizowana przez enzym dysmutaz

ę

 

ponadtlenkow

ą

.

O  O H

H

O

2

   +   O

2

  +  2H               H

2

O

2

   +   O

2

background image

27

53

Anion podchlorynowy OCl

_

jest produkowany przez 

komórki fagocytarne (neutrofile i makrofagi) jako produkt 
utlenienia jonu chlorkowego przez H

2

O

2

Reakcja jest katalizowana mieloperoksydaz

ę

Podchloryn jest nasz

ą

 „broni

ą

 chemiczn

ą

” stosowan

ą

 

przez fagocyty do zabijania wchłoni

ę

tych mikroorga-

nizmów.

Cl   +   H

2

O

2

              HOCl   +   OH

HOCl                 H    +   OCl

54

Rodnik hydroksylowy, OH    jest produktem redukcji  
H

2

O

2

przez niektóre jony metali. Najwa

ż

niejsz

ą

 

reakcj

ą

 tego typu jest „reakcja Fentona”, w której 

reduktorem jest jon Fe

2+

.  

.

Fe

2

   +   H

2

O

2

               Fe

3

   +    OH     +   OH

O  H

O  H

rodnik                   anion 

hydroksylowy

wodorotlenowy

background image

28

55

Rodnik hydroksylowy jest bardzo niestabilny i dlatego

silnie reaktywny. Reaguje on natychmiast z wieloma

składnikami komórkowymi jak DNA, RNA, białka lipidy.

Odrywa od nich atomy wodoru i przekształca w rodniki,

które mog

ą

reagowa

ć

z nast

ę

pnymi zwi

ą

zkami obec-

nymi w komórkach. Prowadzi to do powstawania wielu

uszkodze

ń

oksydacyjnych.

Dlatego nadmierna produkcja rodnika hydroksylowego

jest dla komórki niebezpieczna.