Kemi

Grunderna i biokatalys


Oxidations-reduktion (redox) reaktioner

All fri energi (Gibbs energi, ΔG) som används av levande varelser i vår biosfär kommer från energin från solljus. Fotoautotrofa organismer som vissa bakterier, alger och växter kan omvandla ljusenergin till biokemiskt fixerbar energi. Dessa är föreningar med låg redoxpotential, såsom NAD (P) H, eller de med hög fosfatgruppöverföringspotential, såsom ATP. NAD (P) H bildas i slutet av en kedja av redoxreaktioner, med den naturliga elektrondonatorn H2O oxideras till molekylärt syre med frisättning av elektroner. Elektronerna från vattnet migrerar genom en kedja av organiska och oorganiska redoxkofaktorer. ATP produceras enzymatiskt av ATP-syntetaset, som drivs av protonrörelsekraften (PMF). NAD (P) H och ATP frisätts vid den reduktiva omvandlingen av CO2 konsumeras till kolhydrater och andra metaboliter. I de heterotrofa organismerna med anaeroba glykolys fortskrider emellertid denna reaktion i motsatt riktning; med bildning av reduktionsekvivalenter i form av NADH och högenergi-ATP. katalysera överföringen av redoxekvivalenter, överföringselektroner, hydridjoner eller väteatomer med hjälp av redoxkofaktorer eller redoxaktiva aminosyror. De kallas redoxenzymer.

Allmän reaktionsmekanism

Den övergripande reaktionen av en redoxprocess, där elektroner doneras från en elektrondonator (reduktionsmedlet) till en elektronacceptor (oxidationsmedlet), kan delas upp i två halvreaktioner (A och B) eller redoxpar, som visas nedan:

A.Oxn++ne-A.redB.Oxn++ne-B.red

Viktiga underfamiljer av redoxenzymer

  • Dehydrogenaser
  • Oxidaser

Exempel på enzymer som katalyserar redoxreaktioner

  • Alkoholdehydrogenas (EC 1.1.1.1)
  • Laktatdehydrogenas (EC 1.1.1.27)
  • Alkoholoxidas (EC 1.1.3.13)
  • Luciferas (Luciferin-4-monooxygenas) (EC 1.13.12.7)

Grunderna i fysik och kemi för lärlingsutbildningar i den kemiska industrin, av Dr. Otto Zima. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft m.b.H., Stuttgart 1949. 255 s., 43 illustrationer, DM 12,50

ltnisae har kapitulerat. Frågor om bestämning och organbildning, fotoperiodism och relaterade fenomen, forskning om tillväxtsubstanser och sexualitet behandlas med precisionen av de formuleringar som är kända från tidigare författare till författaren. Att det på vissa ställen (t.ex. när man berör auxinproblematiken) inte alltid går in på den allra senaste forskningen, förringar inte det allmänna värdet av den ursprungliga framställningen, vilket gör det tydligt för läsaren att sambandet mellan biologi och kemi är mycket viktigare än bara ett bekvämlighetsäktenskap. A. Pirson. [NB 2801 Analytical Chemistry of the DUngemlttel, av S. Gericke. Den kemiska analysen. Samling av enskilda karaktärer. den kemiska, teknisk-kemiska och fysikalisk-kemiska analysen, redigerad med deltagande av många specialistgenoeser av W. Bdtlger, Hannover. Volym XLIV. Ferdinand Enke, Stuttgart, 1949. 191 s., 19 fig., 49 tab., Go DM 23,60, född D M 26.-. Efter en kort introduktion av konsumtionen av de enskilda gödselmedlen och deras betydelse för avkastningen inom jordbruket beskrivs ingående och kritiskt granskas undersökningsmetoderna för de enskilda gödselmedlen och de sätt på vilka de kan utvärderas. I den här diskussionen kan författaren lita på sina egna år av erfarenhet. Utöver de vanliga standardmetoderna finns också tillräckligt med utrymme för särskilda bestämmelser och analyser av de medföljande ämnena. Jämfört med andra "Laboratorieböcker" eller "Metodbok" av jordbruksutredare, utmärker sig den här boken genom rikare illustrationer, såsom tabellöversikter över medlens lönevärden och information om mängden produktion, utvinning och areal av tillämpning. I det sista kapitlet, till exempel, när man diskuterar cancerdödlighet till följd av ett ogynnsamt förhållande mellan animaliskt och vegetabiliskt protein i livsmedel, förefaller en mer försiktig formulering enligt mig vara lämplig. a. Michael. [NB 2871 *) I) a) Omclin manual för anorg. Chemie publiceras nu igen av Verlag Chemie, Weinheim / Bergstr. Jämför denna ZtSchr. 62,348 [1950]. Av misstag anges som R, Sb, Ol i leveransen (s. 546). Angew. Cheni. / 62:a år 1960 / Nr 17 42 I http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Angewandte Chemie Wiley http://www.deepdyve.com/lp/wiley/ basics- av-fysik-och-kemi-för-kemiska-lärlingsutbildning-4wY6F9mf0g


Kandidatexamen i NawiTec.

Är du intresserad av naturvetenskap och teknik, men vill inte engagera dig i ett specifikt ämne ännu? Då är den nya kandidatexamen i NawiTec (vetenskapliga grunderna för teknik) precis rätt för dig. Den erbjuds gemensamt av kemi, matematik och fysik och förmedlar grundläggande kunskaper från dessa tre ämnesområden. Under de fyra första terminerna får du en orienteringsmöjlighet, på femte och sjätte terminen kan du specialisera dig inom ett område.

NawiTec kandidatexamen är inte bara ett erbjudande för studenter som ännu inte har bestämt sig för ett traditionellt ämne i början av sin akademiska utbildning. Även om du medvetet vill skaffa dig en bredare, vetenskaplig kunskap är NawiTec precis rätt för dig. Det innebär att du kommer att vara särskilt kvalificerad för det allt viktigare tvärvetenskapliga arbetet i ditt senare yrkesliv.


Otrohetsenzymer i biokatalys: använda gamla enzymer för att skapa nya bindningar och syntetiska vägar

Institutet för kemi och biokemi, Institutionen för teknisk kemi och bioteknik, Ernst-Moritz-Arndt University Greifswald, Soldmannstrasse 16, 17487 Greifswald, Tyskland, Fax: (+49) 3834-86-80066

University of Minnesota, Institutionen för biokemi, molekylärbiologi och biofysik, 1479 Gortner Avenue, 174 Gortner Lab, St. Paul, MN 55108, USA, Fax: (+1) 612-625-5780

Institutet för kemi och biokemi, Institutionen för teknisk kemi och bioteknik, Ernst-Moritz-Arndt University Greifswald, Soldmannstrasse 16, 17487 Greifswald, Tyskland, Fax: (+49) 3834-86-80066

University of Minnesota, Institutionen för biokemi, molekylärbiologi och biofysik, 1479 Gortner Avenue, 174 Gortner Lab, St. Paul, MN 55108, USA, Fax: (+1) 612-625-5780

Institutionell inloggning
Logga in på Wiley Online Library

Om du tidigare har fått åtkomst med ditt personliga konto, vänligen logga in.

Köp omedelbar åtkomst
  • Obegränsad visning av artikeln / kapitlet PDF och eventuella tillhörande tillägg och figurer.
  • Artikel/kapitel kan skrivas ut.
  • Artikel / kapitel kan laddas ner.
  • Artikel / kapitel kan inte omfördelas.

Abstrakt

Med upptäckten av mycket stereoselektiva enzymer med bred substratspecificitet har biokatalys utvecklats snabbt under de senaste decennierna. Ett nytt forskningsområde handlar om enzymer, som har en bred reaktionsspecificitet i katalysen av alternativa reaktioner. Denna katalytiska promiskuitet, ofta underskattad, spelar en naturlig roll i evolutionen och, i vissa fall, i biosyntesen av sekundära metaboliter. Denna minireview presenterar exempel på katalytisk promiskuitet med nuvarande och potentiella syntetiska tillämpningar. I kombination med proteinteknik kan denna egenskap avsevärt utöka den möjliga användningen av enzymer i organisk syntes.


Grunderna i forensisk vetenskap

Termen forensic vetenskap omfattar all kunskap och dimensioner,
som sysslar med tillämpning och utnyttjande av vetenskaplig och erfarenhetsbaserad kunskap med hänsyn till brottsspår (spårforskning).

Spår i kriminalistisk mening är alla synliga eller latenta materiella förändringar på brottsplatsen som är relaterade till den aktuella händelsen. De tjänar både till att identifiera den som är ansvarig för spåren, men kan också ge modal, tidsmässig eller lokal information om omständigheterna under vilka de skapades.

Spår är tilldelade fem spårgrupper. Det är trassologiska spår (formspår), fingeravtrycksspår (bilder av den mänskliga ljumsken), materialspår, föremålsspår och situationsspår.

Förutom spår säkras även jämförelsematerial på brottsplatsen som en del av brottsplatsarbetet. Även om motsvarande spårmaterial ännu inte finns tillgängligt ska referensmaterial som en försiktighetsåtgärd sparas på platser där spår ska ha skapats.

I detta sammanhang förekommer regelbundet termen "kriminalteknik" eller "kriminalteknik" eller forensisk vetenskap. Nomenklaturen & sbquoForensik & lsquo kommer från det latinska ordet & sbquoforensis & lsquo, som översätts som & sbquo till forum, tillhörande domstolen & lsquo. Detta beror på det faktum att i det antika Rom uttalades rättvisa på torget, det vill säga forumet.

Forensisk vetenskap består av olika delområden:

& bull Medicin med patologi eller histologi
& bull Biologi med aspekter av immunologi eller serologi
& bull Fysik med områdena ballistik, material och elektroteknik
& bull Kemi med toxikologi, fingeravtryck och sprängämnesanalys

Ovan nämnda klassificeringar är naturligtvis inte entydiga, eftersom det finns överlappningar mellan alla nämnda områden, men främst mellan kemi och fysik. Av denna anledning finns det till exempel arbetsgruppen för kemi/fysik i Forensic Institute of the Federal Criminal Police Office (BKA).


Biokatalys
Biokatalysavdelningen utvecklar och optimerar enzymatiska katalysatorer och processer för industriella tillämpningar.

Bioprocessteknik
Specialistgruppen Bioprocess Technology är dedikerad till optimering av bioprocesser för produktion av aktiva farmaceutiska ingredienser, enzymer, biomaterial och andra högkvalitativa substanser, samt utveckling av förbättrad processövervakning och kontroll.

katalys
Forskargruppen Catalysis sysslar med design och syntes av nya och stabila men samtidigt högaktiva övergångsmetallkomplex för katalytiskt kontrollerade reaktioner.

Biosystemteknik
Specialistgruppen för biosystemteknik är dedikerad till bioteknologisk produktion av högkvalitativa molekyler och biomakromolekyler med hjälp av syntetisk biologi, enzymkaskadreaktioner och utveckling av cellfabriker

Competence Center Biocatalysis (CCBIO)
Syftet med Competence Centre Biocatalysis (CCBIO) är att etablera biokatalys som en komplementär metod till klassisk syntes och att stödja brobyggandet mellan laboratorium och produktion.

Bioprocess Technology Section: Optimering av biotekniska tillverkningsprocesser. Division of Biocatalysis: Identifiering av nya representanter för syntetiskt värdefulla enzymklasser. Division of Biocatalysis: Produktion av enzymer för användning i industriell biokatalys. Sektion för kemiteknik: Implementering av industriellt relevanta processer.

Atomkärnor är positivt laddade och stöter bort varandra. Den kraft som verkar här kallas Coulomb-kraften, ju mindre avståndet är mellan kärnorna, desto större är det. Om emellertid två atomkärnor närmar sig varandra på ett avstånd av färre kärnradier, verkar en ytterligare attraktionskraft. Det möjliggör sammanslagningen. De två atomkärnorna kan bara komma tillräckligt nära om de rör sig mot varandra med stora hastigheter. Denna situation kan jämföras med en bil som är tänkt att rulla uppför ett allt brantare berg på tomgång. Toppen av berget, det vill säga Fusion, nås bara om bilen vid foten av berget hade tillräckligt med fart, det vill säga hastighet. I en gas eller ett plasma rör sig atomerna eller atomkärnorna oberoende av varandra och endast medelvärdet av alla hastigheter är av intresse. Om partiklarna till exempel har en hög medelhastighet talar man om hög temperatur (given i grader Kelvin, K) eller stor, hög kinetisk energi (given i elektronvolt, eV, där 1 eV = 1,16⋅10 4 K = 1 6-10-19 joule). Atomkärnans hastigheter som krävs för fusion kan endast uppnås i högtemperaturplasma eller i partikelacceleratorer.

Atomkärnor består av positivt laddade protoner och neutrala neutroner. Båda komponenterna kallas nukleoner. I allmänhet är massan av en atomkärna mindre än den totala massan av dess nukleoner. Denna massskillnad, m, beräknas enligt Albert Einsteins berömda formel, E = m⋅c 2 , (c är ljusets hastighet) i bildandet av en atomkärna från nukleonerna till energin, E., omvandlas och frigörs som kinetisk energi (hastighet) eller sänds ut som en elektromagnetisk våg. Denna energi kallas bindningsenergi. Fig. 1 visar den genomsnittliga bindningsenergin som frigörs per nukleon för olika grundämnen. Järn har den högsta bindningsenergin per nukleon, det vill säga att det mesta av energin frigjordes när det bildades. Lättare grundämnen som väte eller tyngre grundämnen som uran har en lägre bindningsenergi. Därför frigörs energi när tunga element splittras och lättare element uppstår. Denna kärnreaktion är grunden för fissionsreaktorerna, kort sagt: kärnreaktorerna. I det motsatta fallet, när kärnor som väte slås samman till tyngre kärnor, frigörs också energi. Skillnaden i bindningsenergin per nukleon mellan de två väteisotoperna deuterium är särskilt tydlig, D., (en proton och en neutron) eller tritium, T, (en proton och två neutroner) och helium, 4 Han. Processen genom vilken dessa två väteisotoper smälter samman till helium är avsedd att ligga till grund för framtida fusionsreaktorer.

Kärnfusion är grunden för energigenerering i stjärnor, såväl som i vår sol. Energin som frigörs i processen strålar ut i rymden som elektromagnetisk strålning och är det som gör livet på jorden möjligt i första hand. Under miljontals år lagrades en liten del av denna energi via fotosyntetiska processer och finns tillgänglig som fossilt bränsle. Förbränning av fossila bränslen är en kemisk reaktion - endast förändringar sker i elektronskalet hos de inblandade elementen och molekylerna, själva atomkärnorna förändras inte. Energin som frigörs är cirka 1 miljon gånger mindre än vid kärnreaktioner. Det betyder till exempel att cirka 1000 ton kol skulle behöva förbrännas för att generera samma energi som skulle kunna uppnås genom atomär "förbränning", dvs smältning, av 1 kg väte.

Solen består nästan helt av ett plasma av enkelt väte (protoner). I en mycket långsam process smälter protonerna samman och frigör energi. När allt kommer omkring förbränns 600 miljoner ton väte till 595 miljoner ton helium varje sekund. Detta motsvarar produktionen från cirka 2⋅10 16 kärnkraftverk. Ändå räcker det kvarvarande vätet för att driva solen i ytterligare 4 miljarder år. Eftersom det finns praktiskt taget obegränsad tillgång på väte på jorden, utvecklades snart ansträngningar för att skapa förhållanden här liknande de i solen. Detta uppnåddes på ett okontrollerat sätt 1952 i vätebomben, där antändningen av en atombomb kort nådde de nödvändiga höga temperaturerna och densiteterna under vilka väte delvis smälte samman till helium. Kontrollerad kärnfusion visade sig dock vara en stor vetenskaplig utmaning och det stod snart klart att målet och de därmed sammanhängande ekonomiska fördelarna inte kunde uppnås snabbt. Av denna anledning övergavs den initiala sekretessen delvis 1958 och arbete har bedrivits med den sedan dess med ökande internationell integration.

Vid de höga temperaturer som krävs för kärnfusion finns väte som plasma, vilket innebär att atomerna har brutits upp och elektroner och vätekärnor rör sig oberoende av varandra. Ett viktigt mål för fusionsforskningen är att utveckla metoder för att innehålla plasman. I stjärnorna hålls plasman samman av gravitationen. Denna möjlighet är inte tillgänglig på jorden eftersom plasman är för små. Direkt inneslutning i kärl är inte möjlig eftersom plasman skulle svalna för snabbt om den kom i kontakt med väggen. Men det finns två sätt att omsluta plasmat utan att komma i kontakt med väggen. Vid magnetisk inneslutning elektronerna och protonerna styrs av magnetfält på spiralformade banor runt magnetfältslinjerna, vilket minskar deras utbredning vinkelrätt mot dem. Vid Tröghetsinneslutning en vätekapsel bringas till fusionstemperaturer och -densiteter mycket snabbt genom intensiv laser- eller partikelstrålning, så att ett tillräckligt antal fusionsreaktioner äger rum under den tid då plasman expanderar.

Kärnfusion är också möjlig om elektronen i skalet i väte ersätts av den 270 gånger tunga elementarpartikelmyonen. Då är väteatomen mindre och myonen skyddar kärnornas repulsiva Coulomb-kraft upp till tillräckligt korta avstånd. Slutligen sker kärnfusionsreaktioner även i tvärsnittet av högenergipartikelstrålar riktade mot varandra. I grundforskningen undersöks reaktionssannolikheterna i sådana arrangemang och reaktionsprodukterna bestäms. De är dock oekonomiska att använda i en fusionsreaktor, eftersom den energi som frigörs med det lilla antalet kärnreaktioner är för liten jämfört med den energi som måste användas för att generera partikelstrålarna.

Sannolikheten att två vätekärnor smälter samman beror på de inblandade isotoperna och deras temperatur. Kända reaktioner är

D + T → 4 He (3,5) + n (14)

D + D → T (1) + sid (3)

D + D → 3 He (0,8) + n (2,5)

D + 3 He → 4 He (3,7) + sid (14,7).

Energin som frigörs per kärnreaktion anges i MeV inom parentes. Den totala energin fördelas över reaktionsprodukterna på grund av bevarande av momentum, som är omvänt proportionell mot massorna. Om du anger ett plasma med ett fast tryck, det vill säga om produkten av partikeldensitet och temperatur är konstant, är den första reaktionen den mest lämpliga för en fusionsreaktor. Inte nog med att deras fusionsprestanda har ett maximum vid en lägre temperatur än de andra reaktionerna, denna fusionsprestanda är också nästan en faktor 100 större än maximivärdet för de andra reaktionerna. Tyvärr producerar denna reaktion neutroner som inte fångas i plasman och kan aktivera strukturmaterialen. Dessutom måste radioaktivt tritium användas. Alla reaktioner har det gemensamt att de går mycket snabbare än stjärnreaktionerna där enkelt väte förbränns. Om de hade varit grunden för stjärnornas energiproduktion hade stjärnorna brunnit ut för länge sedan.

I allmänhet är plasma och speciellt fusionsplasma inte i termisk jämvikt med sin omgivning, dvs plasmatemperaturen, T, minskar med tiden när den plasmagenererande källan stängs av. Denna nedkylning kallas Energiinneslutningstid, τE., utsedd. En lång energiinneslutningstid innebär till exempel att plasman är välisolerad från omgivningen och bara svalnar långsamt. Neutronerna som produceras av ovanstående DT-Reaktion uppstår, lämna plasman utan interaktion med 80% av reaktionsenergin, å andra sidan kan α-partikeln, 4 He, ge sin energi till resten av plasman genom kollisioner. Man talar om Plasma tändningnär plasman kan upprätthålla sig själv. Detta är fallet när energin som tillförs av α-partikeluppvärmning per tidsenhet är större än motsvarande energiförlust. För antändning måste plasman fortfarande ha en temperatur, även i fallet med DT-reaktionen, T, på cirka 10 keV, vilket motsvarar 100 miljoner °C. Energiförlusten består av förluster på grund av elektromagnetisk strålning (bremsstrahlung) och oönskat utsläpp av plasma från inneslutningsområdet. Med hänsyn till temperaturberoendet av DT-Reaktion erhålls som ett antändningsförhållande för plasman

n⋅τE. & gt 2⋅10 20 m -3 s vid T = 10 keV

är i det n protonernas partikeldensitet. Minimivärdet för produkten av densitet och inneslutningstid är större vid både lägre och högre temperaturer. Syftet med fusionsforskningen är att värma plasma till temperaturer runt 10 keV och att hålla dem med en tillräckligt hög densitet och energiinneslutningstid att produkten överstiger det angivna värdet. Vid tröghetsinneslutning ges energiinneslutningstiden av plasmans mycket korta expansionstid och ett försök görs därför att öka densiteten i enlighet därmed. Typiska värden är partikeldensiteter på cirka 10 31 m -3 och instängningstider på några 10 -11 s. Med magnetisk inneslutning finner man att partikeldensiteten inte kan ökas efter behag och försök görs därför att förbättra energin fängelsetid. Tändningsvillkoren är här ännu strängare, eftersom det också måste beaktas att heliumet som produceras späder ut plasmabränslet och eroderat strukturmaterial förorenar plasman och ökar energiförlusten genom strålning. Typiska värden är partikeldensiteter på 10 20 m -3 (mindre än 0,001 % av luftens partikeldensitet vid atmosfärstryck) och energiinneslutningstider på några sekunder. Uttrycket n⋅τE. är också känd som Fusionsprodukt utsedda. Den visas många gånger för att kunna jämföra framstegen i olika experiment.


Förklaring av grunderna i elteknik

Om du studerar grunderna i elektroteknik kommer du snabbt att stöta på begreppen ström, spänning och motstånd. Och det är precis vad vi börjar med här.

Grundläggande begrepp inom elektroteknik:

  • nuvarande: I sin vardagliga betydelse betyder elektricitet transport av elektriska laddningsbärare, till exempel elektroner i ledare eller halvledare eller joner i elektrolyter. Strömstyrkan anges i ampere (A), till exempel 3 A.
  • spänning: Spänningen är en fysisk storhet som anger hur mycket energi som krävs för att flytta en elektrisk laddning. Spänning är en förutsättning för att elektricitet ska flöda. Spänningens styrka anges i volt (V), till exempel 5 V.
  • motstånd: Inom elektroteknik är elektriskt motstånd ett mått på den spänning som krävs för att tillåta en viss elektrisk ström att flyta genom en ledare. Hur stort motståndet är anges i ohm (Ω), till exempel 4 Ω.

Låt oss ta en titt på ett exempel. Nästa grafik visar en elektrisk krets. Denna har en källa för spänningen (visas i rött). Strömmen flyter genom ledaren (visas i svart). Du kan fortfarande se motståndet i blått.

Det finns två betydelser för elektriskt motstånd. Å ena sidan är det en komponent, som visas i föregående grafik. Å andra sidan har en ledare också sitt eget motstånd. Detta är en fysisk egenskap hos materialet.

Ohms lag:

I varje ledare hindras laddningsbärarnas rörelse av dess motstånd. Hur mycket ström som flyter beror på spänningen. I grunderna för elektroteknik behandlas faktiskt alltid en grundläggande lag: Ohms lag. Detta visar ett samband mellan ström, spänning och resistans. Formeln för Ohms lag är:

  • "U" är spänningen i volt, till exempel 4 V.
  • "R" är resistansen i ohm, till exempel 2 Ω.
  • "I" är strömmen i ampere, till exempel 2 A.

I ord kan man uttrycka ekvationen så här:

Vi känner nu till några viktiga termer från grunderna inom elteknik. Och Ohms lag.


Innehållsförteckning

För förståelse för termodynamik, eller termodynamik, måste man först definiera begreppet det fysiska systemet. A avslutad fysiskt system är en modellobservation där ett rum helt kan avgränsas från yttre påverkan, dvs ingen interaktion med andra system sker. Bara inom biologi, om man tittar noga stängd och öppen System innan, ett slutet system kan i bästa fall approximeras.

En tryckkokare är till exempel att betrakta som ett slutet system, för även om det sker ett energiutbyte i form av värme sker inget utbyte av materia. Grytan blir även varm utifrån (energiutbyte). Om du tar bort locket har du ett öppet system, eftersom ett mekaniskt utbyte av materia nu sker med omgivningen. Utbytet av materia och energi kan bara ske mellan flera system, i detta exempel skulle det andra, slutna systemet vara köket. Termodynamik handlar om den energetiska förändringen av systemens tillstånd. Tillståndet kan bestämmas av parametrar som trycket sid och temperaturen T beskriva.

Termodynamikens första lag redigera

Efter denna introduktion kan man överväga termodynamikens populära första lag:

Energi kan omvandlas från en form till en annan, men den kan inte skapas eller förstöras.

Det betyder bland annat att den totala mängden energi i universum, ett faktiskt slutet system, är konstant. Men det betyder också att om energi tas bort från ett system i form av värme eller rörelseenergi så måste den matas till ett annat system. Uttryckt matematiskt:

Varvid U är den inre, dvs den "totala" energin i ett system, E. den mekaniska och F den termiska energin. Om kastrullen svalnar minskar dess inre energi och köket värms upp, eftersom dess värmeenergi inte kan förstöras.

Entalpy edit

Låt oss sedan ta en närmare titt på vad termisk och mekanisk energi betyder i samband med kemiska reaktioner. Ett levande exempel är en förbränningsmotor: en kemisk reaktion äger rum inuti den, som producerar gaser, som i sin tur ökar trycket genom sin expansion sid ökning av förbränningskammaren. Eftersom kolven är utformad för att vara rörlig ändras volymen Vgenom att få kolven att snäppa uppåt, utföra mekaniskt arbete W. utförs där energi överförs från ett system till ett annat (dvs. försvinner, därför ett negativt tecken). Det utförda arbetet benämns i detta fall Volymarbeteresulterande från:

För en idealisk gas finns samma antal molekyler per volym vid samma temperatur och tryck:

varigenom R. är en vetenskaplig konstant (generell gaskonstant) och n mängden ämne.

I ett slutet, stabilt kärl skulle volymarbetet vara 0, eftersom vid en explosion som i en motor trycket skulle öka, men volymen skulle inte förändras. Som regel sker dock reaktioner vid konstant tryck (här har avtalats om 1013 mbar för rumsförhållanden) och vid varierande volymer. Om jag tänder min bensin-luftblandning i ett provrör ändras volymen och arbetet är klart. Samtidigt frigörs dock även kemisk bindningsenergi från bensinmolekylerna i form av värme, den inre energin U systemet förändras. För att uttrycka detta använder man entalpins storlek H. Det hänger ihop:

Det bör noteras att entalpin för en reaktion inte beror på den kemiska reaktionsväg genom vilken produkten skapas, utan enbart på utgångsmaterialet och produkten.

Sammanfattningsvis kan man säga att entalpin är en storhet som indikerar den termodynamiska tillståndsförändringen i en kemisk reaktion. Enkelt uttryckt: Varje kemisk bindning innehåller energi, och entalpin ger information om man måste använda energi eller får den när bindningen överförs till en annan, eller om den avbryts.

Termodynamikens andra lag redigera

Den första naturlagen kan ännu inte formuleras på ett mer allmänt sätt, och den kan inte heller härledas från andra naturlagar, den är en axiomatisk Observation. Ändå går det att greppa intuitivt ganska bra (om man inte har satt sig som mål att konstruera en evighetsmaskin). Der zweite Hauptsatz ist ebenfalls axiomatisch, und führt uns einen Schritt näher zu den Schlussfolgerungen, die für die Biochemie interessant sind. Er lässt sich wie folgt formulieren:

Ein System ist bestrebt, seine Unordnung zu vergrößern.

Wer seinen Schreibtisch regelmäßig benutzt, wird dies bestätigen können. Die Aussage lässt sich aber auch quantifizieren, indem man die Größe der Entropie S einführt. Sie ist ein Maß für die Ordnung, die einem System innewohnt. Veranschaulichen lässt sich dies gut an obiger Grafik. Hat man einen geschlossenen Behälter, der in der Mitte geteilt ist, und füllt in beide Hälften verschiedene Gase, wird sich bei Entfernung der Trennung ein Gemisch aus beiden Gasen bilden. In dem ersten, abgetrennten Zustand ist die Ordnung des Systems größer, im zweiten kleiner. Die Entropie nimmt zu, da sie ein Maß für die Unordnung des Systems ist. Ein anderes beliebtes Beispiel ist die Kaffeetasse, die vom Tisch fällt. Der Aufwand, die Tasse herzustellen ist größer, als sie zu zerstören, und sie wird sich nicht von selbst wieder zusammenfügen, ihre Entropie hat beim Auftreffen zugenommen. Die Entropie ist von dem ersten Hauptsatz und der Enthalpie unabhängig eine Änderung der Entropie sagt nichts über die Änderung von innerer Energie oder Enthalpie aus.

Dieses Konzept mag beim Einstieg schwer zu fassen sein, aber je mehr man sich mit Naturwissenschaft beschäftigt, umso einleuchtender und selbstverständlicher wird es. Wer sich näher für die Implikationen interessiert, dem seien die Wikipedia-Artikel zur Zeit und zur Entropie empfohlen.

Freie Enthalpie Bearbeiten

Was hat die Thermodynamik mit der Biologie zu tun? Die Antwort darauf ist die freie Enthalpie. Die Enthalpie und der erste Hauptsatz machen keine Aussage darüber, in welche Richtung eine Reaktion abläuft, und der zweite Hauptsatz besagt, dass die Unordnung bestrebt ist zuzunehmen. Wie können aber dann komplexe Organismen wie Säugetiere, wie können selbst einfachste geordnete Stoffe wie ein Blatt Papier Bestand haben? Die Antwort erhält man, wenn man die beiden Hauptsätze in Verbindung bringt, und das geschieht über die freie Enthalpie G. Sie ist definiert als:

Mit ihr lässt sich eine Aussage darüber Treffen, ob Prozesse, in unserem Fall biochemische Reaktionen, "freiwillig", also spontan ablaufen, oder nicht. Genau wie die Enthalpie H ist auch diese Größe unabhängig von dem Weg, auf dem die Zustände eingenommen werden, sie hängt nur von der Art der Edukte und Produkte ab. Allgemein lässt sich sagen:

Die Größe der freien Enthalpie wird uns beim Studium der Biochemie immer wieder begegnen, mit ihr lässt sich letztlich jede einzelne Reaktion begründen, die im menschlichen Körper und in der Biologie allgemein abläuft. Jedes Mal wenn man sich die Frage stellt: "Warum läuft diese Reaktion über diesen komplizierten Umweg ab?" sollte man sich an ΔG erinnern.

Weiter lässt sich hierzu noch sagen, dass Chemiker und Physiker von anderen Bedingungen ausgehen als man in der Biochemie vorfindet, deshalb hat man sich für biochemische Reaktionen darauf geeinigt, für die Ermittlung der freien Enthalpie als Umgebungsbedingungen "physiologische Bedingungen" einzuführen, also einen pH-Wert von 7 und eine Temperatur von 37°C, die sogenannte freie Standardenthalpie bei physiologischen Bedingungen ΔG°’.

Dem heutigen Menschen ist die Vorstellung, dass die Welt (und alles drumherum) aus kleinsten, unteilbaren Teilchen zusammengesetzt ist, eine Selbstverständlichkeit. Doch der Weg hin zum ersten Atommodell (von griechisch átomos‚ unteilbar), und seitdem zum aktuellen Teilchenmodell der Physik ist häufigen Revisionen unterworfen. Vor allem in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts mussten viele vorher schon etablierte Vorstellungen mit Aufkommen der Quantentheorie überdacht werden. Die Idee eines unteilbar kleinsten Teilchens geht zurück bis in die Antike, bei der die zugrunde liegende philosophische Frage ist: "Was passiert eigentlich, wenn ich ein Stück stoffliche Materie in immer kleinere Teile trenne?". Der Zugang zu einer exakten Antwort ergibt sich erst durch moderne Analysemethoden.

Grundsätzlich bedeutsam ist die schon vorher bekannte Tatsache, dass Atome aus betraglich äquivalenten positiven (Protonen, P) und negativen (Elektronen, e - ) Ladungen bestehen, und sich die negativen Ladungen vergleichsweise leicht trennen lassen. Hier soll ein kurzer Abriss der Geschichte seit dem 20. Jahrhundert und des aktuellen Modells gegeben werden. Für eine detailliertere zeitliche Übersicht siehe Liste der Atommodelle .

Rutherford'sches Atommodell Bearbeiten

Nachdem vorherige Postulate zur Unteilbarkeit der Materie durch chemische und physikalische Forschung im 18. und 19. Jhdt. als bestätigt angesehen werden mussten, wurde durch den Rutherford'schen Streuversuch 1909 deutlich, dass das Verhältnis von tatsächlicher Materie zu leerem Raum in einem einzelnen Atom unvermutet klein sein muss. Der Versuch besteht darin, dass eine extrem dünne Schicht von Goldatomen (Goldfolie) mit Helium-Atomkernen (He 2+ ) beschossen wird. Hinter der Folie befindet sich ein einfacher, kreisförmig angeordneter Detektor in Form eines Leuchtschirms, der das durch die Goldfolie hindurchtretende He 2+ sichtbar macht. Die bahnbrechende Erkenntnis bestand darin, dass der weitaus größte Teil des He 2+ ungehindert durch die geschlossene Goldfolie hindurchtreten konnte, während nur ein kleiner Teil abgelenkt oder zurückgeworfen wurde. Die naheliegende Erklärung für dieses Ergebnis ist, dass ein Großteil eines jeden Atoms nicht von Materie ausgefüllt ist. Jedes Atom nimmt also erheblich mehr Raum ein, als seine Bestandteile zusammengenommen ergeben würden. Anschaulich (nicht exakt!) ist das Größenverhältnis von Kern zu Elektronen etwa das von einem Fußball am Anstoßpunkt zu einem Stecknadelkopf auf dem Parkplatz vor dem Stadium. Fußball und Stecknadelkopf machen das Atom aus, der Zwischenraum ist leer.

Bohr'sches Atommodell Bearbeiten

Die Frage die als nächstes geklärt wurde, ist die nach den räumlichen Verhältnissen im Atom. Wenn sich der Kern am Mittelpunkt befindet, wie lässt sich dann bestimmen, wo sich das Elektron gerade aufhält. Die Neuerungen die das Bohr'sche Atommodell beinhaltet, stellen den ersten Schritt von der klassischen Physik zur Quantenphysik dar. Um die Beobachtungen des Streuversuchs in Einklang mit tatsächlichen Versuchsergebnissen zu bringen, stellte Nils Bohr 1913 folgende Theorie auf: Elektronen bewegen sich in fest definierten Bahnen um den Kern, und verlassen diese nur, um andere fest definierte Bahnen anzunehmen sie sind also quantisiert.

Dieses Modell erhält seinen besonderen Reiz dadurch, dass eine Abbildung dieses Modells der Physik im Großen, also den Bewegungen von Planeten, Sternen und Galaxien im Wesentlichen entspricht. Das Elektron umkreist seinen Kern so, wie die Planeten einen Stern. Durch das Postulat von vordefinierten Bahnen unterscheidet es sich jedoch von der klassischen Physik dadurch, dass die Elektronen nur gequantelte Zustände einnehmen können, also Bahn 1 oder Bahn 2, keinen Zustand dazwischen. Wird ein Elektron auf eine höhere oder tiefere Bahn befördert, wird Energie aufgenommen oder freigesetzt. Diese Betrachtung ist in der Lage, eine Vielzahl von Phänomenen zu erklären, zum Beispiel Spektrallinien : Wird ein Elektron eines bestimmten Elements von einer Bahn auf eine andere befördert, wird Energie in Form von Licht, also Photonen freigesetzt, oder aufgenommen. Diese Energie ist, ebenso wie die Elektronenbahnen, gequantelt, kann also nur definierte Beträge annehmen. Ein einfacher, im Grunde auch zu Hause (mit Gasflamme und ungefährlichen Na-, K-, oder Cu-Salzen aus der Apotheke) nachvollziehbarer Versuch hierzu ist die Flammenfärbung zum Nachweis einiger Elemente. In der Grafik rechts wird ein Elektron durch ein Lichtquant in eine energetisch höhere Bahn "gehoben" und gibt beim "fallen" dieses Lichtquant wieder ab.

Orbitalmodell Bearbeiten

Das Bohr'sche Atommodell liefert ein einfaches, zweidimensionales Modell von der Natur des Atoms. Das Orbitalmodell führt zwei neue Schritte ein: Erstens die dreidimensionale Betrachtung des Atoms, und zweitens eine genauere Bestimmung der Aufenthaltswarscheinlichkeit des Elektrons. Beide Schritte gehen Hand in Hand, und basieren auf Resultaten aus dem Doppelspaltexperiment , durch das ursprünglich die Welleneigenschaft des Lichts (oder, wie wir heute wissen, elektromagnetischer Strahlung allgemein) nachgewiesen werden konnte. Lässt man Licht einen Doppelspalt passieren, dessen Spalte im Bereich der Wellenlänge des Lichts dimensioniert sind, zeigt sich auf einem Detektorschirm, dass das Ergebnisse dieselben Interferenzmuster zeigt wie durch die klassische Mechanik beschriebene Wellen (u.a. Wasser-, Schallwellen). Geht man nun von einer Teilchen-, oder "materiellen" Natur von Materie aus, sollten sich Elektronen in ihrem Verhalten klar von Lichtwellen unterscheiden. Beschießt man jedoch einen Doppelspalt mit Elektronen, zeigt ein Detektorschirm ebenfalls ein Interferenzmuster!

Licht als elektromagnetische Strahlung Bearbeiten

Sowohl das sichtbare (VISible) Licht, als auch ultraviolettes (UV) und infrarotes (IR) Licht lassen sich als ein Ausschnitt aus dem Spektrum elektromagnetischer Strahlung begreifen. Das besondere an sichtbarem Licht gegenüber anderen Arten von Strahlung, wie Röntgenstrahlung oder Radiowellen, ist die Wahrnehmbarkeit durch das menschliche Auge. Die beiden für biochemische Anwendungen hauptsächlich interessanten Eigenschaften des Lichts sind seine Wellenlänge λ, sowie seine Intensität I. Als elektromagnetische Strahlung entsteht bei Auftreffen von Licht auf verschiedene Oberflächen eine physikalische oder auch chemische Wechselwirkung, zum Beispiel Beugung (Diffraktion) oder Fluoreszenz. Der bedeutende Punkt daran ist, dass die Möglichkeit besteht, chemische Zusammenhänge mit Hilfe von Licht zu analysieren, oder zu beeinflussen. Darauf wird im Kapitel Methoden näher eingegangen werden.

Lichtspektren Bearbeiten

Das Spektrum des sichtbaren Lichts umfasst den Wellenlängenbereich von etwa 380 - 780 Nanometer (nm). Verschiedene Wellenlängen in diesem Bereich werden vom Auge als verschiedene Farben wahrgenommen, z.B. erscheint Licht bei 560 - 580 nm gelb und bei 420 - 480 nm blau. Licht einer einzigen Wellenlänge nennt man monochromatisch, Licht setzt sich jedoch meist aus mehreren Wellenlängen zusammen, dies nennt man polychromatisch.

Absorption, Extinktion Bearbeiten

In Flüssigkeit suspendierte oder gelöste Teilchen haben in vielen Fällen die Eigenschaft, Licht zu absorbieren, welches durch die Flüssigkeit geleitet wird. Diesen Effekt macht man sich in der Analytik zunutze, da in einem gewissen Rahmen die Absorption proportional zur gelösten Stoffmenge pro Volumen ist. An einem einfachen Photometer wird Licht einer einstellbaren Wellenlänge durch ein definiertes Probevolumen geleitet. Gemessen wird die Transmission T als Quotient aus der eingestrahlten Intensität I und der austretenden Intensität I0:

Die Intensität hängt ab von der Distanz d, die das Licht durch das Medium zurücklegen muss, der Konzentration des Stoffes in Lösung c, und der stoffspezifischen Größe des Extinktionskoeffizienten ελ bei der verwendeten Wellenlänge.

Um die Transmission linear auswerten zu können, wird normalerweise die Extinktion E verwendet, die der negative dekadische Logaritmus der Transmission ist:

Um in der Analytik eine größtmögliche Auflösung zu erreichen ist es wünschenswert, die Wellenlänge zu verwenden, bei der der zu untersuchende Stoff den größten Extinktionskoeffizienten hat. Für die meisten Stoffe findet man Literaturwerte, ansonsten kann man die Wellenlänge bei der das Absorptionsmaximum auftritt selbst wie in nebenstehender Grafik ermitteln. Zusätzlich muss eine Verdünnung angesetzt werden, wenn die Extinktion größer als 1 wird, da sonst keine genügende Proportionalität mehr gegeben ist. Mithilfe einer Kalibrierkurve, bei der eine Lösung mit bekannter Konzentration verwendet wird, ist dann die quantitative Bestimmung des gesuchten Stoffs durch grafische oder rechnerische Auswertung möglich.


Zeitplan

1. Block
8:30 - 11:40
Mathe-Kurs - Vorbereitung auf die Kursstufe
11:40 - 12:00Pause
2. Block
12:00 - 15:40
Mathe-Kurs - Crashkurs JS I / K1

Die Kurse werden einmal in der ersten und einmal in der letzten Woche der Sommerferien stattfinden.

Die Kurse in der ersten und in der letzten Ferienwoche sind identisch, weshalb eine Doppel-Anmeldung nicht von uns empfohlen wird.

Der Mathe-Kurs wird 3 Zeitsunden pro Tag und der Chemie-/Physik-Kurs wird 2,5 Zeitstunden pro Tag in Anspruch nehmen.

Der Mathe-Kurs findet in beiden Wochen vormittags zwischen 8:30 Uhr und 11:40 Uhr statt. Der Chemie-Kurs findet jeweils nach einer kurzen Mittagspause von 12:00 Uhr bis 14:40 Uhr statt. Physik läuft jeweils parallel zu Chemie.

Teilnehmer, die beide Kurse (Mathe & Chemie oder Mathe & Physik) in einer Woche besuchen möchten, haben also jeweils in der Mitte eines Kurses eine kurze Pause von 10 Minuten und ebenso eine Mittagspause von 20 Minuten.

Im Anmeldeformular können Sie auswählen in welcher Woche Sie an welchem Kurs teilnehmen möchten.

Im letzten Jahr waren in der ersten Ferienwoche deutlich weniger Teilnehmer angemeldet, während der Kurs in der letzten Ferienwoche komplett gefüllt war. Die Wahrscheinlichkeit eine kleine Gruppe zu bekommen ist also höher, wenn Sie sich für den Kurs in der ersten Ferienwoche anmelden.


Video: Citi Zēni. Lieka Štuka. Dzīvajā no Citādāks Koncerts (November 2021).