Zusammenfassung

Chemie für Biologen - Von Studierenden für Studierende erklärt

Inhalt 

Kapitel 1: Chemie verstehen – der Weg zum Ziel

Kapitel 2: Grundbegriffe der Chemie

Kapitel 3: Materie und ihre Eigenschaften

Kapitel 4: Stoffgemische und Stofftrennung

Kapitel 5: Aufbau der Atome

Kapitel 6: Chemische Bindungen

Kapitel 7: Struktur von Molekülen

Kapitel 8: Einfluss des Aufbaus chemischer Verbindungen auf ihr Verhalten

Kapitel 9: Chemische Reaktionen im Überblick

Kapitel 10: Energieumsatz chemischer Reaktionen

Kapitel 11: Geschwindigkeit chemischer Reaktionen

Kapitel 12: Säuren und Basen

Kapitel 13: Oxidation und Reduktion

Kapitel 14: Das biologische Abschlusskapitel

Kapitel 15: Lösungen der Übungsaufgaben

 

Kapitel 1: Chemie verstehen – der Weg zum Ziel

Unser Ziel ist es, dir ein Buch an die Hand zu geben, das leicht zu lesen ist. Wir schreiben daher so, als würden wir vor dir sitzen und dir persönlich erklären. Wir greifen bei unseren Erklärungen auf die Erfahrung zurück, die wir beim Lernen mit unseren Kommilitoninnen und Kommilitonen gemacht haben und auf die Lehrerfahrung, die wir mit Studienanfängern im Rahmen von Tutorien und Übungsgruppen gesammelt haben. Und deshalb haben wir uns auch dazu entschieden, dich in diesem Buch zu duzen. Wir sehen uns als deine Mitstudierenden und nicht als distanzierte Lehrer, die wir schließlich auch nicht sind. Wir glauben, dass es dir helfen kann, wenn du vor der Lektüre der fachspezifischen Kapitel weißt, warum welches Kapitel welche Inhalte und in welcher Reihenfolge präsentiert – insbesondere deshalb, weil sich der Aufbau dieses Buches vom Aufbau der meisten anderen Bücher unterscheidet. Solltest du es aber nicht mehr erwarten können, direkt in die Materie einzusteigen, kannst du dir dieses Kapitel natürlich auch sparen. Es liefert keine notwendigen fachspezifischen Inhalte. Lediglich ▶ Abschn. 1.4 solltest du dir vorweg anschauen und sicherstellen, dass du diese Inhalte kennst.

Kapitel 2: Grundbegriffe der Chemie

Das erste fachspezifische Kapitel soll dazu dienen, klare Vorstellungen von grundlegenden Konzepten und Begriffen aus der Chemie zu schaffen. Erläuterungen zum Atomaufbau, zu Reaktionsgleichungen und zum Stoffbegriff stellen dabei aber nur kurze Einführungen dar. Wir werden diese Begriffe in späteren Kapiteln genauer unter die Lupe nehmen. Der Schwerpunkt des Kapitels liegt darauf, Begriffe einzuführen, mit denen sich konzeptionelle Vorstellungen von der Chemie und praktische Arbeit miteinander verbinden lassen. Dazu gehören einige physikalische Größen und ihre Einheiten sowie Begriffe zum Umgang mit Lösungen. Wir legen Wert darauf, diese Begriffe genau zu erklären, und geben Beispiele, warum sie für Biologie-Studierende wichtig sind. Zudem werden wir schon in diesem Kapitel damit anfangen, chemisches Rechnen zu erläutern und zu üben. Diese grundlegenden Rechnungen sind sehr wichtig für die praktische Arbeit im Labor und sollten ausreichend geübt werden. Auf diese Weise starten wir mit dem praktischen Handwerkszeug und stürzen uns dann ab dem nächsten Kapitel auf die theoretischen Konzepte zur Beschreibung der Natur.

Kapitel 3: Materie und ihre Eigenschaften

Nachdem wir uns in ▶ Kap. 2 mit Handwerkszeug zum Umgang mit der Chemie beschäftigt haben, beginnen wir nun, uns konzeptionell der Chemie zu nähern. Wir setzen bei einfachen physikalischen Grundlagen an wie den Eigenschaften von Materie. Wir besprechen die Aggregatzustände mit dem Ziel, eine Vorstellung davon zu schaffen, was die Aggregatzustände auf der Teilchenebene voneinander unterscheidet und was beim Übergang zwischen den Aggregatzuständen passiert. In diesem Kapitel behandeln wir ausschließlich Ein-Komponenten-Systeme. Das sind Systeme, die nur eine Art von Teilchen, also einen Reinstoff (Atom oder Molekül), enthalten. Phasendiagramme dienen der grafischen Darstellung der Aggregatzustände eines Ein-Komponenten-Systems in Abhängigkeit von den physikalischen Parametern Druck und Temperatur. Wir besprechen die Bedeutung dieser Parameter auf der Teilchenebene und erklären konzeptionell, wie sie den Aggregatzustand beeinflussen können. Im letzten Teil des Kapitels besprechen wir die Grundlagen der Gastheorie anhand des Modells eines idealen Gases. Durch das ideale Gasgesetz sowie weitere Gasgesetze lassen sich die Zustandsänderungen eines Gases beschreiben und berechnen. Außerdem stellen wir erste Überlegungen zur Änderung der Energie eines Systems auf. Dadurch sollst du eine erste Vorstellung des Begriffes „Energie“ gewinnen, im Detail gehen wir erst in ▶ Kap. 10 darauf ein. Die Konzepte aus diesem Kapitel bilden die Grundlage für eine Betrachtung von Mehr-Komponenten-Systemen im nächsten Kapitel. Damit rücken wir der Natur einen Schritt näher.

Kapitel 4: Stoffgemische und Stofftrennung

In ▶ Kap. 3 haben wir uns mit den Eigenschaften der Materie und ihren physikalischen Erscheinungsformen beschäftigt. Dabei haben wir für den Einstieg einige wichtige Vereinfachungen angenommen. Zum einen haben wir lediglich reine Stoffe betrachtet, ohne zu berücksichtigen, dass es in der Natur selbstverständlich eine Vielzahl von Stoffen gibt, die in unüberschaubarer Komplexität miteinander vermischt vorkommen. Zweitens haben wir von Teilchen gesprochen, die miteinander wechselwirken, ohne dabei näher zu ergründen, warum verschiedene Teilchen in der Lage sind, auf verschiedene Weisen miteinander in Wechselwirkung zu treten. In diesem Kapitel erweitern wir unsere Vorstellung von der Natur, indem wir Stoffgemische betrachten, also Mehr-Komponenten-Systeme. Wieder werden wir dabei Phasenübergänge und das Verhalten der Teilchen in den einzelnen Phasen unter die Lupe nehmen. Unser Verständnis von Wechselwirkungen werden wir ein wenig erweitern, jedoch im Detail erst in den ▶ Kap. 5 und 6 vertiefen. Im letzten Teil dieses Kapitels werden wir auf einen für jeden Chemiker und Biologen wichtigen Aspekt der Stoffchemie eingehen: Wie können wir Stoffe mithilfe geeigneter Methoden voneinander trennen, um in der Lage zu sein, ihre einzelnen Komponenten zu untersuchen? Durch die Betrachtung von Methoden zur Stofftrennung ergänzen wir unser Verständnis für den praktischen Umgang mit der Chemie.

Kapitel 5: Aufbau der Atome

Die Atomtheorie ist die fundamentale Theorie der Chemie. In den vorangegangen Kapiteln haben wir von Teilchen und Wechselwirkungen der Teilchen gesprochen, ohne dabei genauer zu betrachten, warum ein Stoff bestimmte Wechselwirkungen eingeht und andere nicht. Auch chemische Bindungen basieren auf Wechselwirkungen zwischen den Atomen innerhalb einer Verbindung. Welcher Art sind solche Wechselwirkungen? Wie sind chemische Verbindungen aufgebaut und wie können Teilchen bei Reaktionen Bindungen aufbrechen und/oder bilden? Hierzu brauchen wir ein gutes Verständnis davon, wie sich Elektronen in der Atomhülle verhalten, da Elektronen die chemischen Eigenschaften eines Elements maßgeblich bestimmen. Unser Ziel ist es, die kompliziert anmutende Theorie von Atomorbitalen zu verstehen. Zwar lassen sich viele Phänomene der Chemie auf der Grundlage einfacherer Konzepte begreifen, aber gerade in der organischen Chemie ist es nur möglich, Reaktionen zu verstehen, wenn dir klar ist, was Atom- bzw. Molekülorbitale bedeuten. Wir werden diese Konzepte hier ausführlich erläutern.

Kapitel 6: Chemische Bindungen

Der Aufbau der Elektronenhülle von Atomen (▶ Kap. 5) liefert uns die Grundlage, zu verstehen, wie sich Atome zu Verbindungen zusammensetzen können. Wir werden dazu in diesem Kapitel verschiedene Konzepte kennenlernen. Diese lassen sich teilweise anhand einfacher Modelle wie dem Bohr’schen Atommodell beschreiben oder stützen sich auf die Orbitaltheorie. Alle chemischen Bindungen beruhen auf elektrostatischen Kräften, also einer Mischung aus Anziehung und Abstoßung zwischen Atomen. Dennoch lassen sich chemische Bindungen relativ gut in verschiedene Arten unterteilen. Wir werden aber lernen, dass auch diese Unterteilungen nicht immer klare Abgrenzungen ermöglichen. Insbesondere werden uns hier die kovalente Bindung und die Ionenbindung interessieren. Auch van-der-Waals-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen sind zwei für die Biologie sehr wichtige Interaktionsarten zwischen Molekülen. Zusätzlich werden wir kurz auf die metallische Bindung sowie auf Komplexbindungen eingehen. Auf der Grundlage der Bindungskonzepte können wir Wechselwirkungen der Teilchen untereinander besser verstehen. Anschließend beschäftigen wir uns in ▶ Kap. 7 mit den räumlichen Strukturen von Molekülen, bevor wir in ▶ Kap. 8 darauf eingehen, welche Konsequenzen der Aufbau einer Verbindung für ihr Verhalten hat.

Kapitel 7: Struktur von Molekülen

Durch die Theorien zum Atomaufbau und die Konzepte zu chemischen Bindungen hast du nun eine Vorstellung davon, wie chemische Bindungen aufgebaut sein können. Ein weiterer Aspekt ist bei der Betrachtung von Verbindungen von besonderer Bedeutung: Die räumliche Struktur. In diesem Kapitel lernen wir, wie wir anhand der Konzepte aus den ▶ Kap. 5 und 6 die räumliche Struktur einer Verbindung erklären und damit auch für eine unbekannte Verbindung voraussagen können. Hierzu werden wir das Konzept der Atomorbitale zur Molekülorbitaltheorie erweitern. Die räumliche Anordnung der Bindungspartner um ein betrachtetes Atom lässt sich mit der VSEPR-Theorie voraussagen. Erst durch die Einbeziehung der Strukturen können wir unser Bild von der Chemie der Dinge so weit vervollständigen, dass wir die Eigenschaften der Moleküle in Lebewesen verstehen und die Prozesse studieren können, welche Leben ermöglichen.

Kapitel 8: Einfluss des Aufbaus chemischer Verbindungen auf ihr Verhalten

Seit ▶ Kap. 5 haben wir uns intensiv damit beschäftigt, wie Atome aufgebaut sind und wie ihre Elektronenstruktur es ermöglicht, dass Bindungen zu anderen Atomen geknüpft und somit Moleküle gebildet werden können. Diese Überlegungen können uns nun helfen, auf einen Kernaspekt aus den ▶ Kap. 3 und 4 wieder einzugehen: Wechselwirkungen der Teilchen. Jetzt endlich sind wir in der Lage, die Wechselwirkungen der Moleküle ausgehend von ihrem Aufbau aus den Atomen zu verstehen. In diesem Kapitel beschäftigen wir uns damit, wie wir trotz der großen Vielfalt chemischer Verbindungen ihre Eigenschaften verstehen können. Dazu betrachten wir verschiedene Klassen von Molekülen und sog. funktionelle Gruppen. Letztere beziehen sich auf organische Verbindungen und sind charakteristische Molekülbereiche aus bestimmten Atomen, die in dieser Anordnung häufig vorkommen. Aus ihnen lässt sich auf Eigenschaften des betrachteten Moleküls schließen. Auf diese Weise werden wir die Komplexität der chemischen Verbindungen etwas reduzieren. Selbstverständlich haben wir damit noch nicht die ganze Facette der chemischen Vielfalt überblickt. Wir haben aber ein hilfreiches Mittel zum Verständnis der Chemie an der Hand. Über einfache organische Verbindungen und ihre physikalischen Eigenschaften arbeiten wir uns anhand ausgewählter Beispiele langsam vor bis hin zu den besonderen strukturellen Eigenschaften von Proteinen, die für die Biologie eine fundamentale Bedeutung haben. Wir werden dazu verschiedene wichtige Substanzklassen und ihre wichtigsten Eigenschaften unter die Lupe nehmen. Außerdem bildet dieses Kapitel bereits einen Übergang zu Teil III des Buches. Auf der Grundlage des Atomaufbaus lassen sich nämlich nicht nur die physikalischen Eigenschaften einschätzen. Die Fähigkeit der Moleküle, chemische Reaktionen einzugehen, kannst du ebenfalls mithilfe der Lerninhalte aus den letzten Kapiteln leichter verstehen. Daher werden wir in diesem Kapitel bereits erste Hinweise auf die Fähigkeit der Verbindungen geben, chemische Reaktionen einzugehen. Anschließend beschäftigen wir uns in Teil III des Buches systematisch mit verschiedenen Arten chemischer Reaktionen.

Kapitel 9: Chemische Reaktionen im Überblick

Im nun folgenden ersten Kapitel dieses dritten Teils sollst du zuerst einmal mit der Schreibweise von chemischen Reaktionen vertraut werden und verstehen lernen, was diese Schreibweise aussagt. Das meiste davon kennst du bereits aus ▶ Kapitel 2, weshalb wir nicht noch einmal im Detail darauf eingehen werden. Dass chemische Reaktionen nicht immer vollständig und nur in eine Richtung verlaufen, sondern meistens hin und zurück ablaufen können, soll dir nach der Lektüre dieses Kapitels klar sein. Du wirst lernen, wie das chemische Gleichgewicht zustande kommt, wie es von verschiedenen Zustandsvariablen beeinflusst wird und wie du mit ihm rechnen kannst. Das Massenwirkungsgesetz, eine der wichtigsten mathematischen Beziehungen in der Chemie, wird dir nach diesem Kapitel ein gutes Werkzeug sein, um chemische Reaktionen quantitativ zu beschreiben. Du wirst sehen, dass z. B. die Löslichkeit von Salzen gut mit dem Massenwirkungsgesetz beschrieben werden kann und daraus ein für die Beschreibung des Löslichkeitsverhaltens von Salzen wichtiger Wert abgeleitet wird.

Kapitel 10: Energieumsatz chemischer Reaktionen

Im folgenden Kapitel wirst du chemische Reaktionen aus einer anderen Sichtweise betrachten lernen. Für den Ablauf einer chemischen Reaktion wird Energie benötigt, oder es wird Energie freigesetzt. Allgemein spricht man vom Energieumsatz chemischer Reaktionen. Dieser Energieumsatz kann durch einige relativ einfache Größen beschrieben werden. Du wirst den Begriff der Enthalpie kennenlernen und verstehen, wann Energie in chemischen Reaktionen frei wird und wann sie gebraucht wird. Durch einen einfachen rechnerischen Kreisprozess lernst du zu erkennen, welche Enthalpieformen in welchen Teilschritten einer Reaktion wichtig sind und gewinnst dadurch einen guten Überblick über energetische Prozesse während einer Reaktion. Die Entropie als Maß für die Freiheitsgrade und die Unordnung im System wird dir ein verhältnismäßig neuer Denkansatz sein, der dich aber im Endeffekt zu einer tiefer gehenden Betrachtung der Energetik chemischer Reaktionen führen wird. Am Ende dieses Kapitels wirst du fähig sein, mit einer kleinen mathematischen Berechnung vorauszusagen, ob eine Reaktion in der Summe Energie freisetzt oder benötigt.

Kapitel 11: Geschwindigkeit chemischer Reaktionen

In diesem Kapitel wird es um die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen gehen. Wir werden den bekannten Begriff „Geschwindigkeit“ erst einmal unter die Lupe nehmen und dann lernen, was Geschwindigkeit bei chemischen Reaktionen überhaupt bedeutet. Du wirst sehen, dass wir die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion über die Konzentrationsveränderungen der Edukte und Produkte beschreiben können. Dabei ist es wichtig, zwischen Durchschnittsgeschwindigkeit und momentaner Geschwindigkeit zu unterscheiden. Du wirst eine Theorie kennenlernen, mit der wir die molekularen Geschehnisse bei einer chemischen Reaktion anschaulich beschreiben können. Da die Energie auch bei der Reaktionsgeschwindigkeit eine große Rolle spielt, werden wir uns auch energetische Aspekte ansehen und so auf das wichtige Konzept der Aktivierungsenergie, das in den ▶ Kap. 9 und 10 nur kurz erwähnt wurde, näher eingehen. Logischerweise spielt auch die Temperatur eine Rolle. Über Katalysatoren gelangen wir dann zu enzymatischen Prozessen, die in der Biologie eine große Rolle spielen. Chemische Reaktionen lassen sich nach der Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Konzentrationen der Reaktanden in verschiedene Reaktionsordnungen einteilen. In diesem Kontext wirst du auch das sehr physikalische Konzept der Radioaktivität kennenlernen. Zum Schluss werden wir eine wichtige Methode besprechen, mit der man die Reaktionsgeschwindigkeit ermitteln kann, und begreifen, warum sie für die Charakterisierung von Enzymen so wichtig ist. Außerdem wirst du zwei wichtige Variablen zur Beschreibung von Enzymen kennenlernen, die in der Biochemie eine große Rolle spielen.

Kapitel 12: Säuren und Basen

In diesem Kapitel lernst du, was ein Chemiker unter Säuren und Basen versteht, welche Konzepte es zur Beschreibung von Säuren und Basen gibt und wie man sie anwendet. Dir wird klar werden, was der pH-Wert ist, wie er definiert wird und wie du ihn berechnest. Du wirst lernen, zwischen starken und schwachen Säuren bzw. Basen zu unterscheiden und wie sich die beiden Kategorien voneinander abgrenzen. Dieses Kapitel wird dir dabei helfen, das Prinzip einer Titration und eines Puffers zu verstehen und dir das Werkzeug an die Hand geben, den pH-Wert einer Pufferlösung zu berechnen. Du wirst anhand von strukturellen Eigenschaften der Moleküle und ihren Konfigurationen in etwa abzuschätzen lernen, wie stark eine Säure ist. Zum Schluss wirst du noch einiges über zwei wichtige Säure/Base-Konzepte erfahren, die sich stark vom konventionellen Säure/Base-Konzept unterscheiden, aber dennoch für verschiedene Zwecke durchaus nützlich sind.

Kapitel 13: Oxidation und Reduktion

In diesem Kapitel wirst du eine wichtige Kategorie chemischer Reaktionen kennenlernen – die Redox-Reaktionen. Du wirst lernen, was es bedeutet, wenn ein Stoff oxidiert oder reduziert wird. Anschließend wirst du in der Lage sein, mithilfe der Oxidationszahlen herzuleiten, ob und wo eine Oxidation bzw. eine Reduktion vorliegt. Wir werden besprechen, wie Redox-Gleichungen für Reaktionen unter sauren bzw. alkalischen Bedingungen aufgestellt und stöchiometrisch ausgeglichen werden. Von dort aus werden wir in die Elektrochemie eintauchen, und du wirst sehen, dass sich Redox-Gleichungen auch quantitativ behandeln lassen. Zuerst werden wir ergründen, was es mit der Spannungsreihe bzw. einer Redox-Tabelle auf sich hat und wie sie zustande kommt. Über das Standardelektrodenpotenzial und die galvanische Zelle (eine Batterie) werden wir zur Potenzialdifferenz und zur Nernst-Gleichung kommen. Mit diesem Vorwissen können wir dann verstehen, wie wir den Energieumsatz bei einer Redox-Reaktion berechnen und vor allem an einem Beispiel erkennen, welche riesige Bedeutung die Redox-Chemie in der Biologie hat (▶ Exkurs Redoxreaktionen in der Natur). Zuletzt werden wir die wichtigste technische Anwendung in der Redox-Chemie kennenlernen – die Elektrolyse.

Kapitel 14: Das biologische Abschlusskapitel

Dieses Kapitel erfüllt zwei Funktionen. Falls du es liest, bevor du dich mit den Inhalten der fachspezifischen Kapitel auseinandergesetzt hast, mag es dir als Motivation für das Studium der Chemie dienen. Anhand von zwei Beispielen aus der Biologie erklären wir genau, welche Kenntnisse und Konzepte der Chemie, die wir in den ▶ Kap. 2–13 vorgestellt haben, notwendig sind, um diese biologischen Phänomene verstehen zu können. Falls du dieses Kapitel aber nach der Beschäftigung mit diesem Buch liest – möglicherweise also schon zum zweiten Mal –, kann es dir als kleine Wiederholung zur Sicherstellung deines erarbeiteten Verständnisses der Chemie dienen. In Querverweisen leiten wir dich an diejenigen Stellen des Buches zurück, an denen die erforderlichen Sachverhalte erläutert wurden, sodass du jederzeit dein Verständnis noch einmal auffrischen kannst, falls doch noch etwas unklar geblieben ist.

Kapitel 15: Lösungen der Übungsaufgaben