Atomit ja molekyylit

(1)

UEF// University of Eastern Finland

Jaksollinen järjestelmä:

Atomit

Solu- ja molekyylibiologian perusteet

(2)

Miksi kemiaa pitää oppia tällä kurssilla?

Biologiset organismit toimivat fysiikan lakien mukaan ja koostuvat kemiallisista yhdisteistä

• Proteiineilla on rakenteita, jotka selittävät niiden toimintaa

• Lääkeaineiden teho perustuu niiden vaikuttavuudesta biokemiallisiin prosesseihin

• Ympäristön aiheuttama kemiallinen kuormitus voivat vaikuttaa elinmahdollisuuksiin

• Lähes kaikki tekemämme mittaukset perustuvat kemiallisiin määrityksiin

Biologiset organismit eivät ole muuta kuin fysiikan lakien mukaan toimivia kokonaisuuksia

• Kun ymmärrämme solujen ja molekyylien toiminnan, ymmärrämme myös laajempia kokonaisuuksia

Looginen ja mekanistinen tarkastelu on hauskaa

• Solu- ja molekyylitason tarkastelut ovat hyvää aivojumppaa!

• Opimme erilaisia vuorovaikutusreittejä ilman mystisiä selityksiä

(3)

= 1 4e

Coulombin laki kuvaa voimaa, jolla esim. elektronit pysyvät ytimien lähellä

Vastakkaisesti varautuneet partikkelit vetävät toisiaan puoleensa ja saman merkkiset hylkivät toisiaan.

Siten elektronit kulkevat sähköjohdossa – navalta + navalle.

• Vastaavasti negatiivisesti varautuneet elektronit saavat vauhtia positiivisesti varautuneesta atomin ytimestä.

• Elektronien vauhti kiihtyy ydintä kohti mentäessä, mutta vauhti on niin kova, että elektroni sinkoutuu ytimen toiselle puolelle

Atomin ydin sisältää varauksettomia neutroneja ja positiivisesti varautuneita protoneja.

(4)

(b)

+ + +

+

(a)

Elektronit

- -

Ydin Heliumytimen ympärillä on kahden elektronin kulkema pilvi (orbitaali)

Atomin rakenne

MUISTA!

Elektronit eivät ole planeettoja

(5)

s

p

d

Kun elektronien lukumäärä kasvaa, osa elektroneista päätyy pallomaisten orbitaalien sijaan keilamaiset orbitaaleille.

Yhdelle orbitaalille mahtuu ainoastaan kaksi eri suuntiin pyörivää elektronia.

• Elektronien lukumäärän kasvaessa, on uloimmaisten elektronien oltava kauempana atomin ytimestä

• Elektronien siirto pois ytimen läheltä vaatii energiaa

• Kun osa elektroneista kulkee keilamaisilla

orbitaaleilla, ne mahtuvat lähemmäs ydintä (ovat alemmassa energiatilassa)

• Keilamaiset orbitaalit kulkevat erisuuntiin, jotta elektronit ovat kaukana toisistaan

• Orbitaaleja kutsutaan kirjaimilla s, p, d ja f

s

(6)

Orbitaalit, elektronikuoret ja elektronit

Kaikilla alkuaineilla uskotaan olevan samanlaiset elektroniorbitaalit

• Orbitaalien määrä riippuu siitä, kuinka kaukana ollaan atomin ytimestä.

• Lähellä ydintä voi olla vain rajallinen määrä elektroneja, jolloin vedyn/heliumin elektronit ovat ensimmäisen elektronikuoren s- orbitaaleilla

• Seuraavalle elektronikuorelle mahtuu enemmän orbitaaleja, jolloin esim. hiilellä orbitaaleja on uloimmalla kuorella neljä.

• Orbitaalit voivat olla joko miehitettyjä tai miehittämättömiä sen mukaan, onko niillä elektroneja

• Elektronit täytetään orbitaaleille ja elektronikuorille järjestyksessä keskeltä alkaen (alimmasta energiatasosta)

Vetyatomi.

Ulommat orbitaalit miehittämättömiä

(7)

48Cd

80Hg

112Cn

31Ga ³²Ge ³⁵Br ³⁶Kr

85At

117

Uus

43Tc

75Re

107Bh

44Ru

76Os

108Hs

45Rh

77Ir

109Mt

37Rb

1 H

3 Li

11Na

19K

55Cs

87Fr

4Be

12Mg

20Ca

38Sr

56Ba

88Ra

21Sc

39Y

22Ti

40Zr

72Hf

104Rf

23V

41Nb

73Ta

105Dd

24Cr

42Mo

74W

106Sg

25Mn ²⁶Fe ²⁷Co ²⁸Ni

46Pd

78Pt

110Ds

29Cu

47Ag

79Au

111Rg

30Zn

5B

13Al

49In

81Tl

113

Uut

6C

14Si

50Sn

82Pb

114

Uuq

7N

15P

33As

51Sb

83Bi

115

Uup

8O

16S

34Se

52Te

84Po

116

Uuh

9F

17Cl

53I

10Ne

18Ar

54Xe

86Rn

118 Uuo

2He

57-71

89-103

57La ⁵⁸Ce ⁵⁹Pr ⁶⁰Nb ⁶¹Pm ⁶²Sm ⁶³Eu ⁶⁴Gd ⁶⁵Tb ⁶⁶Dy ⁶⁷Ho ⁶⁸Er ⁶⁹Tm ⁷⁰Yb ⁷¹Lu

89Ac ⁹⁰Th ⁹¹Pa ⁹²U ⁹³Np ⁹⁴Pu ⁹⁵Am ⁹⁶Cm ⁹⁷Bk ⁹⁸Cf ⁹⁹Es ¹⁰⁰Fm ¹⁰¹Md ¹⁰²No ¹⁰³Lr

Alkuaineet ja jaksollinen järjestelmä

lantanidit aktiniidit

jalo- kaasut

alkaali- metallit

halo- geenit

siirtymämetallit maa-alkaali-

metallit

metallit puoli-

metallit epämetallit

(8)

Elektronien viritys

Orbitaalien miehittäminen elektroneilla on selkeää – erittäin kylmässä.

• Elektronit voivat kuitenkin imeä itseensä energiaa, jolloin ne voivat nousta hetkellisesti toiselle

orbitaalille.

• Tämä aiheuttaa aineiden värin (aine imee valoenergiaa)

• Palautuessaan alempienergiselle orbitaalille elektroni vapauttaa energiaa joko lämpönä tai valona.

• Tähän perustuvat nopeasti energian menettävät fluoresoivat ja pitkään valaisevat fosforoivat aineet.

(9)

Elektronien energiatiloja Voidaan verrata palloon, joka vierii alas portaita.

3. elektronikuori

2. elektronikuori

1. elektronikuori (alhaisin energiataso)

Atomin ydin

Energian vapautuminen Energian absorbointi

(imeytyminen)

(10)

GFP on esimerkki fluoresoivasta proteiinista

Vihreä fluoresoiva proteiini (GFP) on tynnyrinmallinen

• Imee (eksitoi) energiaa 395 nm aallonpituudella

• Vapauttaa energiaa (emittoi) 509 nm aallonpituudella

• Korkeampi aallonpituus tarkoittaa alhaisempaa energiaa eli osa elektronin saamasta energiasta on vapautunut lämpönä.

• GFP on yleisin työkalu solussa tapahtuvan aineiden liikkumisen selvittämisessä.

• Fluoresoivia proteiineja löytyy myös muitakin värejä.

(11)

Kiitos!

uef.fi

(12)

Jaksollinen järjestelmä:

Biologiset atomit

(13)

Mitä atomeja maapallolta löytyy?

O H

Cl CN

Mg Fe Na

K Ca

37Rb

1H

3 Li

11Na

19K

55Cs

87Fr

57La

89Ac

Huomaa logaritminen asteikko!

Harvinaisimpia aineita miljardisosa yleisimpiin verrattuna

(14)

Alkuaineiden yleisyys merivedessä

(15)

Alkuaineiden yleisyys ihmisen kehossa

Elimistöstä löytyy myös pieniä määriä:

booria, (B) mangaania (Mn)

kromia (Cr) molybdeenia (Mo)

kobolttia (Co) seleeniä (Se) kuparia (Cu) piitä (Si)

fluoria (F) tinaa (Sn)

jodia (I) sinkkiä (Zn)

rautaa (Fe)

(16)

48Cd

80Hg

112Cn

31Ga ³²Ge ³⁵Br ³⁶Kr

85At

117

Uus

43Tc

75Re

107Bh

44Ru

76Os

108Hs

45Rh

77Ir

109Mt

37Rb

1 H

3 Li

11Na

19K

55Cs

87Fr

4Be

12Mg

20Ca

38Sr

56Ba

88Ra

21Sc

39Y

22Ti

40Zr

72Hf

104Rf

23V

41Nb

73Ta

105Dd

24Cr

42Mo

74W

106Sg

25Mn ²⁶Fe ²⁷Co ²⁸Ni

46Pd

78Pt

110Ds

29Cu

47Ag

79Au

111Rg

30Zn

5 B

13Al

49In

81Tl

113

Uut

6C

14Si

50Sn

82Pb

114

Uuq

7N

15P

33As

51Sb

83Bi

115

Uup

8O

16S

34Se

52Te

84Po

116

Uuh

9F

17Cl

53I

10Ne

18Ar

54Xe

86Rn

118

Uuo

2 He

57-71

89-103

57La ⁵⁸Ce ⁵⁹Pr ⁶⁰Nb ⁶¹Pm ⁶²Sm ⁶³Eu ⁶⁴Gd ⁶⁵Tb ⁶⁶Dy ⁶⁷Ho ⁶⁸Er ⁶⁹Tm ⁷⁰Yb ⁷¹Lu

89Ac ⁹⁰Th ⁹¹Pa ⁹²U ⁹³Np ⁹⁴Pu ⁹⁵Am ⁹⁶Cm ⁹⁷Bk ⁹⁸Cf ⁹⁹Es ¹⁰⁰

Fm

101

Md

102No ¹⁰³Lr

Elämän alkuaineet

Yleisimmät biologiset alkuaineet

Välttämättömiä useimmille eliöille

Välttämättömiä joillekin eliöille

Ionitasapaino ja sähkönjohtavuus

Rakenteet Solusignaalit pH-puskuri

Happo-emäs katalyytti Elektroninsiirto Molekyylien muokkaus

Hapetus ja pelkistys Energian varastointi

(17)

Biologisesti merkittävät alkuaineet

Kaikkia jaksollisen järjestelmän alkuaineita ei tarvitse hallita biotieteissä.

• Suurin osa biologisesti vaikuttavista molekyyleistä on rakennettu muutamasta alkuaineesta (vety, happi, hiili, typpi).

• Perusperiaatteena hiiliketjusta valmistettu runko, johon saadaan reaktiivisuutta toiminnallisilla ryhmillä (functional groups)

• Metallit ovat biologiassa harvinaisia, mutta välttämättömiä kemialliseen muokkaukseen

• Metallien merkitystä tutkimus on oma tieteenalansa (biologinen epäorgaaninen kemia)

(18)

Kiitos!

uef.fi

(19)

Jaksollinen järjestelmä:

Massa ja isotoopit

(20)

Atomeilla on massa eli ne painavat

• Atomin ydin koostuu neutroneista ja protoneista ja atomiytimen ympärillä elektronipilvi.

• Varautumattomilla atomeilla elektronien ja protonien määrä on sama.

• Atomin massa voidaan laskea, mikäli sen komponentit tunnetaan

= + + = + _, +

= ∗1.675 ∗ 10 + _, ( 1.673 ∗ 10 + 9.1 ∗ 10 )

Neutronin ja protonin massa ovat lähes saman suuruisia ja 1000-kertaa enemmän kuin elektronin massa!

Atomimassa

(21)

Atomimassa ja isotoopit

Atomien massa aiheutuu ytimessä olevien protoneiden ja neutroneiden lukumäärästä.

• Alkuaineella neutronien määrä vaihtelee, jolloin alkuainetta esiintyy eri isotooppeina.

• Protonien ja neutronien yhteismäärä (A) ilmaistaan yläindeksillä, jolloin järjestysluku (Z) on alaindeksinä.

• Taulukoiden atomimassa on laskettu summaamalla eri isotooppien massa (m_A) kerrottuna ko. isotoopin yleisyydellä (P_A)

99.985 * 1.007825 0.015 * 2.0141018 1.0079

Z x

A A A Z

H H

m P m m

m u

+

=

= +

=

å

(22)

Atomimassa ja atomipaino

Hapen massa voidaan ilmoittaa joko atomimassayksikköinä (u tai Da), joka on 1/12 hiilen (¹²C) massasta. Sen arvo on hyvin lähellä massalukua (protonien ja neutronien

yhteismassaa).

Mikäli atomista esiintyy erilaisia isotooppeja, ilmoitetaan massa usein niiden painotettuna keskiarvona

(suhteutettuna atomipainona)

=

O

8 protonia 8 neutronia 8 elektronia

(23)

48Cd 112,4

80Hg 200,1

112Cn 277

31Ga 69,73

32Ge 72,64

35Br 79,90

36Kr 89,80

85At 210,0

117

Uus

43Tc 98,9

75Re 186,2

107Bh 264

44Ru 101,1

76Os 190,2

108Hs 269

45Rh 102,9

77Ir 192,2

109Mt 268

37Rb 85,47

1 H 1,01

3 Li 6,94

11Na 22,99

19K 39,10

55Cs 132,9

87Fr 223,0

4Be 9,01

12Mg 24,31

20Ca 40,08

38Sr 87,62

56Ba 137,3

88Ra 226,0

21Sc 44,96

39Y 88,91

22Ti 47,88

40Zr 91,22

72Hf 178,5

104Rf 261

23V 50,94

41Nb 92,91

73Ta 180,5

105Dd 262

24Cr 52,00

42Mo 95,94

74W 183,9

106Sg 266

25Mn 54,94

26Fe 55,85

27Co 58,93

28Ni 48,69

46Pd 106,4

78Pt 195,1

110Ds 269

29Cu 64,55

47Ag 107,9

79Au 197,0

111Rg 272

30Zn 65,39

5 B 10,81

13Al 26,98

49In 114,8

81Tl 204,4

113

Uut

6 C 12,01

14Si 28,09

50Sn 118,7

82Pb 207,2

114

Uuq 289

7 N 14,01

15P 30,97

33As 74,92

51Sb 121,8

83Bi 209,0

115

Uup

8O 16,00

16S 32,07

34Se 78,96

52Te 127,6

84Po 209,0

116

Uuh

9F 19,00

17Cl 35,45

53I 126,9

10Ne 20,18

18Ar 39,95

54Xe 131,3

86Rn 222,0

118

Uuo

2He 4,00

57-71

89-103

57La 139,0

58Ce 140,1

59Pr 140,9

60Nb 144,2

61Pm 144,9

62Sm 150,4

63Eu 152,0

64Gd 157,2

65Tb 158,9

66Dy 162,5

67Ho 164,9

68Er 176,3

69Tm 168,9

70Yb 173,0

71Lu 175,0

89Ac 227,0

90Th 232,0

91Pa 231,0

92U 238,0

93Np 237,0

94Pu 244,0

95Am 243,1

96Cm 247,1

97Bk 247,1

98Cf 251,1

99Es 254

100

Fm 257,1

101

Md 258,1

102No 259,1

103Lr 262

Alkuaineet ja jaksollinen järjestelmä

lantanidit aktiniidit

jalo- kaasut alkaali-

metallit

halo- geenit siirtymämetallit

maa-alkaali- metallit

metallit puoli-

metallit

epämetallit

(24)

1H 1,01

3 Li 6,94

11Na 22,99

19K 39,10

37Rb 85,47

55Cs 132,9

87Fr 223,0

4Be 9,01

12Mg 24,31

20Ca 40,08

38Sr 87,62

56Ba 137,3

88Ra 226,0

5 B 10,81

13Al 26,98

31Ga 69,73

49In 114,8

81Tl 204,4

113

Uut

6 C 12,01

14Si 28,09

32Ge 72,64

50Sn 118,7

82Pb 207,2

114

Uuq 289

7N 14,01

15P 30,97

33As 74,92

51Sb 121,8

83Bi 209,0

115

Uup

8O 16,00

16S 32,07

34Se 78,96

52Te 127,6

84Po 209,0

116

Uuh

9F 19,00

17Cl 35,45

35Br 79,90

53I 126,9

85At 210,0

117

Uus

10Ne 20,18

18Ar 39,95

36Kr 89,80

54Xe 131,3

86Rn 222,0

118

Uuo

2 He 4,00

Järjestysluku (Z)

Atomimassa (u)

Atomimassa ja molekyylimassa

Esim. vesimolekyyli (H₂O) sisältää 2 vetyatomia ja yhden happiatomin.

Vesimolekyylin massa on siten 2*1,01+16,00=18,02 u

grammoina massa olisi 18.02 = 1.66 ∗ 10

= 3 ∗10

(25)

Alkuaineiden massa

Alkuaineiden massa vaihtelee järjestysnumeron mukaan.

• Atomimassa kasvaa tasaisesti järjestys- numeron kasvaessa (uraani on raskaampaa kuin vety).

• Summittaisen arvion atomin massasta saa kertomalla järjestysnumero N kahdella.

• Raskaammilla alku-aineilla massa on jopa 20% arvioitua enemmän.

(26)

UEF// University of Eastern Finland Protonien ja neutronien määrä (A)

massa puoliintumisaika t1/2

8C (6+2)

9C (6+3) 127 ms

10C (6+4) 19 s

11C (6+5) 11.01 20 min

12C (6+6) 12.00 stabiili

13C (6+7) 13.00 stabiili

14C (6+8) 14.00 5730 vuotta

15C (6+9) 15.01 2.5 s

16C (6+10) 0.7 s

17C (6+11) 190 ms

18C (6+12) 95 ms

19C (6+13) 46 ms

20C (6+14) 14 ms

Isotoopit ja radioaktiivisuus

Vain tietyt protonimäärät atomissa ovat stabiileita.

• esim. hiilellä (Z=8) voi olla

ytimessään 2-14 neutronia, mutta vain kaksi isotoopia: ¹²C ja ¹³C säilyvät hajoamattomina.

• Muut isotoopit hajoavat ja ovat radioaktiivisia.

(27)

9C:n puoliintumisaika on 127 ms.

Siten puolet isotoopista on hajonnut reilussa 0.1 sekunnissa eikä sekunnin kuluttua siitä ole jäljellä juuri mitään.

Isotoopit ja radioaktiivisuus

(28)

10C:n puoliintumisaika on 9 s.

Siten se hajoaa huomattavasti hitaammin (puoliksi 9 sekunnissa).

Kuitenkaan minuutin kuluttua sitäkään ei enää ole.

Isotoopit ja radioaktiivisuus

(29)

11C:n puoliintumisaika on 20 min.

Siten sen hajoaminen on kevyitä hiilen isotooppeja hitaampaa.

Kuitenkaan seuraavana päivänä tätäkään isotooppia ei havaita.

Isotoopit ja radioaktiivisuus

(30)

Kaikki raskaat hiilen isotoopit hajoavat erittäin nopeasti.

Isotoopit ja radioaktiivisuus

(31)

14C hajoamisnopeus on 5740 vuotta.

Siten sen hajoamista voidaan käyttää radiohiilimäärityksissä

Isotoopit ja radioaktiivisuus

(32)

Atomimassa ja isotoopit

Myös stabiilien isotooppien yleisyys vaihtelee.

• Pieniatomisilla alkuaineilla (H...Ca) neutroneita on yleensä suunnilleen yhtä monta kuin protoneita ja erilaisia pysyviä isotooppeja on vähän.

• Raskailla alkuaineilla neutroneita on enemmän kuin protoneita

(33)

Ainemäärä

^• Aineita mitataan yleensä tilavuuksina (esim. litra, rkl, tl) tai painoina (esim. g)

• Aineet reagoivat kuitenkin sen mukaan, montako molekyyliä kyseistä ainetta on (lukumäärä)

• Lukumäärä voidaan periaatteessa laskea, mutta yleensä se määritetään

atomipainon perusteella.

• Lukumäärää ilmoitetaan mooleina, joka on sovittu koostuvan yhtä monesta

partikkelista kuin 12 g:ssa hiiltä (¹²C)

(34)

Ainemäärä ja Avokadron vakio

Kun yhden hiiliatomin massa tunnetaan, saadaan tulokseksi Avokadron vakio (N_A).

= 12

= 12 12.01

= 12

12.0 ∗ 1.66 ∗ 10 1

= 6.022 ∗10

• Avokadron vakio on siis sovittu suure, jolla molekyylien lukumäärää voidaan ilmaista. Siis vastaava suure kuin tusina (12), tiu (20), mutta vähän enemmän.

• Ainemäärä saadaan jakamalla partikkelien määrä (N) Avokadron vakiolla (N_A)

(35)

Moolimassa

Atomien massa ilmoitetaan yleensä moolimassana.

• Alkuaineiden massoja määritettiin edellä atomimassayksikköinä (daltoneina).

Atomimassayksikkö on määritetty Avogadron vakiosta:

= 1

• Yleensä yksittäisten molekyylien massaa ei lasketa vaan ainemäärä (n) lasketaan moolimassalla (M: g/mol], jolloin ainemäärä on massa (m: g) jaettuna moolimassalla.

= ⟺ =

• Edellä kuvatun hiili¹²:n tapauksessa moolimassaksi voidaan laskea 12g/mol.

(36)

Mooli- ja atomimassan yhteys

• Määritetään hapen moolimassa atomimassan avulla

= 16 ∗ 1.66 ∗10 ∗ 6.022∗ 10

= 159.9∗ 10 = 159 ∗10 = 16

• Siten moolimassa on lukuarvoltaan sama kuin atomimassa (voimme lukea sen suoraan jaksollisen järjestelmän taulukoista).

(37)

Kiitos!

uef.fi

(38)

Jaksollinen järjestelmä:

Molekyylien muodostus

(39)

Vetävätkö kaikki atomit elektroneja samalla tavalla?

Protonien määrän kasvaminen voimistaa elektronien puoleensa vetämistä

• Kuitenkin vetovoima on heikompi ulommilla elektronikuorilla.

• Siten elektronegatiivisuus kasvaa oikealle ja ylös mentäessä.

37Rb

1 H

3 Li

11Na

19K

55Cs

87Fr

H

O F

C N Cl

Na K

(40)

Uloimman kuoren miehitys vaikuttaa atomien kokoon

Atomin koko riippuu

elektronikuorten määrästä ja miehityksestä.

Mitä useampi kuori, sen suurempi

halkaisija (Na vs. K)

Elektronegatiiviset alkuaineet vetävät elektroneja tehokkaammin puoleensa, kuitenkin halkaisija ei johdu suoraan

elektronegatiivisuudesta vaan jalokaasuilla halkaisija on pienin (Ar vs Na)

(41)

Atomien törmätessä voi muodostua molekyylejä

Atomien törmäämistä tapahtuu jatkuvasti.

• Mikäli törmäävät atomit vetävät elektroneja puoleensa suunnilleen samalla tavalla, ne voivat jakaa elektroneja (muodostuu kovalenttinen sidos)

• Atomit pyrkivät täyteen uloimpaan elektronikuoreen (valenssikuori) – Oktettisääntö

– Esim. kloori ottaa mielellään elektronin ja natrium luovuttaa

• Mikäli atomien elektronegatiivisuus eroaa, muodostuu poolinen sidos, jossa elektronit jakautuvat epätasaisesti (esim. H₂O)

• Mikäli elektronegatiivisuus eroaa paljon, muodostuu ionisidos, jossa elektroni kokonaan luovutettu toiselle atomille (esim. NaCl).

(42)

Atomien törmääminen: pallomaiset s-orbitaalit

(43)

…näin muodostuu esim. vetykaasu

(44)

Kaksoissidoksen muodostus

(45)

Molekyylejä muodostuu, kun yksi tai useampi elektroni-pari jaetaan.

Yhdisteestä riippuen, siinä esiintyy erilaisia kovalenttisia sidoksia

• Yksinkertaiset (s-)sidokset muodostuvat, kun yksi elektronipari on jaettu.

– Liitos on joustava

• Kaksoissidos muodostuu, kun sigma-sidoksen lisäksi muodostuu p-orbitaalien välille ns. p-sidos.

– Atomien pyöriminen estyy

• Mikäli atomien väliin muodostuu kaksi p-sidosta, on kyseessä kolmoissidos.

– Rakenne on jäykkä ”sauvamainen”

(46)

(47)

Kemialliset reaktiot

Molekyylin muodostumista voidaan tarkastella reaktioyhtälöllä

+ 2

↔

∆

• Yksinkertaistettuna reaktioyhtälö kuvaa, että ainetta ei häviä. Lisäksi kaksisuuntainen nuoli kuvaa, että reaktio voi tapahtua molempiin suuntiin

– Veden tapauksessa hajoaminen (dissosiaatio) on epätodennäköistä ja vaatii paljon energiaa (kuvattu D:lla).

• Yhdisteen molekyylikaava (H₂O) kuvaa sen raaka-aineet, muttei välttämättä kerro mitään sen rakenteesta.

– Veden tapauksessa vaihtoehtoisia tapoja muodostaa 2 vedyn ja yhden hapen molekyyliä ei ole.

(48)

Nimi ja molekyyli-

kaava

Elektronien jakautuminen

Lewisin pistekaava ja rakennekaava

Pallomalli

(a) Vety (H

₂

)

H H

Molekyyli voidaan merkitä molekyylikaavan lisäksi rakennekaavalla, josta ilmenee s-sidos atomien välillä

Lewisin

pistekaavassa liitoksen muodostavat elektronit on merkitty pisteinä

Todellinen rakenne muistuttaa pallomallin mukaista pötkylää, jossa elektronit sijaitsevat jossain muodostuneella molekyyliorbitaalilla Vetymolekyyli

koostuu kahdesta vetyatomista, jotka jakavat yhden elektroniparin.

(49)

Nimi ja molekyyli-

kaava

Elektronien jakautuminen

Lewisin pistekaava ja rakennekaava

Pallomalli

(b) Happi (O

₂

)

O O

Kaksoissidos merkitään rakennekaavassa kahdella viivalla

Lewisin pistekaava

osoittaa sidokseen kuulumattomat valenssielektronit, jotka vaikuttavat mm. hapen

reaktiivisuuteen.

Pallomalli näyttää samalta kuin vedyllä Happimolekyyli

koostuu kahdesta happiatomista, jotka jakavat kaksi elektroniparia.

(50)

Nimi ja molekyyli-

kaava

Elektronien jakautuminen

Lewisin pistekaava ja rakennekaava

Pallomalli

(c) Vesi (H

₂

O)

O H

H

Rakennekaava osoittaa, että sidoksiin on käytetty yksi elektronipari

Lewisin

pistekaava esittää hapen vapaat elektroniparit, jotka tarvitsevat tilaa, jolloin vedyt eivät ole toisiaan vastapäätä

Pallomalli eroaa edellisistä, koska

molekyyli taipuu hapen kohdalta.

Molekyyli on poolinen, koska happi vetää

elektroneja enemmän puoleensa

Vesimolekyyli koostuu kahdesta vety- ja yhdestä happiatomista, jotka jakavat yhden elektroniparin.

(51)

Nimi ja molekyyli-

kaava

Elektronien jakautuminen

Lewisin pistekaava ja rakennekaava

Pallomalli

(d) Metaani (CH

₄

)

C H

H H

H

Rakennekaava osoittaa, että sidoksiin on käytetty yksi elektronipari

Lewisin pistekaava esittää kaikkien hiilen

elektronien liittymisen sidoksiin

Pallomallissa vedyt sijaitsevat eri puolilla, jotta elektronit ovat mahdollisimman kaukana toisistaan Metaani koostuu

neljästä vety- ja yhdestä

hiiliatomista, jotka jakavat yhden elektroniparin

(52)

(53)

A

B C

D

Sidos

katsojaan päin

Sidos katsojasta poispäin

A

C B

A D B C

A D B C D A

C B

D

Molekyyli pääsee kääntymään yksinkertaisten sidosten

ympäri, mutta sidokset eivät vaihda paikkaa

(54)

Kiitos!

uef.fi

(55)

Jaksollinen järjestelmä:

Vuorovaikustustyypit ja elektronien jakautuminen sidoksissa

(56)

H H

O

H₂O

d+ d+

d-

Elektronien jakautuminen sidoksissa

Kovalenttiset sidokset eivät jaa aina elektroneja tasan

• Poolittomissa sidoksissa atomien

elektronegatiivisuus on samanlainen, jolloin elektronit tasaisesti molempien atomien ympärillä

– Esim. hiilivedyt

• Poolisissa sidoksissa elektronegatiivisempi atomi vetää enemmän elektroneja puoleensa.

– Esim. vesimolekyylissä yhteiset(kin) elektronit lähinnä happiatomilla.

(57)

Ionisidokset

Mikäli atomien elektronegatiivisuus eroaa suuresti, ne eivät muodosta kovalenttisia sidoksia lainkaan.

• Elektronegatiivinen atomi voi ryöstää elektronin kokonaan itselleen, jolloin syntyy negatiivisesti varautunut anioni.

– Vähän elektronia puoleensa vetävä atomi voi luovuttaa elektronin, jolloin syntyy positiivisesti varautunut kationi

– Esim. Na + Cl ® Na⁺ Cl^-

• Erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa, jolloin muodostuu ionisidos.

– Ionisidokset katkeavat vesiliuoksessa, jolloin ionit vapautuvat liuokseen: suolat liukenevat.

(58)

+ -

Na Cl

Na⁺ natriumioni

(kationi)

Cl^- kloridi-ioni

(anioni) natriumkloridi (NaCl)

Na Cl

natriumatomiNa Cl

klooriatomi

(59)

(60)

Heikot kemialliset vuorovaikutukset

Kovalenttisen ja ionisidoksen lisäksi molekyylit vetävät toisiaan puoleensa erilaisilla ”heikoilla”

vuorovaikutuksilla

• Ionien ja poolisten molekyylien välillä ioni-dipoli-vuorovaikutuksia – Ioni voi joskus myös indusoida dipolin poolittomaan molekyyliin

• Poolisten molekyylien välillä dipoli-dipoli-vuorovaikutuksia – Elektronegatiivisten atomien välille voi syntyä vetysidoksia

• Vety molempien elektronegatiivisten atomien käytössä

• Varauksettomien atomien välillä voi olla hyvin heikkoja Van der Waals-voimia – Esim. vierekkäisten hiiliketjujen välillä voi esiintyä vetovoimaa

(61)

Ioni-dipoli-vuorovaikutus

Monissa metalliproteiineissa metalli on erittäin tiukasti kiinni proteiinin rakenteessa.

• Esim. DNA:han kiinnittyvä GATA sisältää sinkkiä, joka on kiinnittynyt neljään rikkiatomiin.

• Molekyylissä Zn-S sidoksen pituus on 230 pm (2.3 Å), mikä on sama kuin kyseisten atomien säteiden summa.

• Kuvan katkoviivat esittävät

rakennetta tukevia vetysidoksia.

(62)

OH ½

C = O ^d ^-

^----

^d+ N – C

Dipoli-dipoli-vuorovaikutus

Molekyylit, joilla elektronit ovat epätasaisesti jakautuneet, vuorovaikuttavat toistensa kanssa

• Erona edellisiin on kovalenttinen sidos – (esim. –COO^-)

• (osittais-)varaukset tai vuorovaikuttavat

keskenään, mikä on tärkeää esim. proteiinien oikealle laskostumiselle.

– Esim. Kir2 proteiinin eri domeenit ovat kiinni toisissaan dipoli-dipoli-vuorovaikutuksella, jossa varaukset ovat erittäin lähekkäin

(etäisyys 2.7Å, mikä on 2-kertaa enemmän kuin atomien säteiden summa.

(63)

Vesi (H

₂

O)

Ammoniakki (NH

₃

)

vetysidos d+

d-

d+

d-

Vetysidos

(64)

Van der Waals -vuorovaikutukset

Myös molekyylit, joilla varaus ei ole epätasaisesti jakautunut, voivat

vuorovaikuttaa keskenään.

• Mikäli varaus syystä tai toisesta jakautuu epätasaisesti, syntyvä dipoli voi synnyttää dipolin viereisessä molekyylissä.

• Voimat ovat erittäin heikkoja, mutta ne riittävät pitämään esim. gekko-liskon sileässä seinässä.

• vdW-voimia käytetään mm. molekyylien kiinnittymiseen proteiineihin ja DNA:han.

• Määritys vaikeaa (vaatii kvanttimekaniikkaa).

(65)

Molekyyliorbitaalit

Molekyylin muodostuessa atomien orbitaalit yhdistyvät, jolloin muodostuu molekyyliorbitaaleja.

• Elektronit voidaan jakaa usean atomin kesken.

• Erityisesti joka toisessa sidoksessa sijaitsevat kaksoissidokset ovat ”delokalisoituja”

• Näissä konjugoiduissa kaksoissidoksissa jokainen sidos on samanlainen

• esim. bentseeni-rengas

(66)

s orbitaali z

y x

(a) Orbitaalien hybridisaatio

4 molekyyliorbitaalia

Tetraedri 3 p orbitaalia

Metaani (CH₄) Vesi (H2O)

Pallo- malli

Pallo-ja-tikku -malli

Hybridiorbitaalit

Vapaa elektroni- pari

H

H H H

C

H

H H H

C H

H O

H H

O

104.5°

(67)

H – H

Vedyllä elektronitiheys on tasaisesti ympäri molekyyliä

(68)

H – O – H

Vesimolekyylissä elektronitiheys on suurempi hapella, jolla on korkeampi

elektronegatiivisuus.

(69)

N º N

Typpimolekyylissä on kolmoissidos, jolloin elektronitiheyttä on renkaana atomien

välissä ja lisäksi molekyylin päissä.

(70)

CH ₃ COOH

Etikkahapossa havaitaan elektronitiheyden jakautumista sidosten kesken ja

kaksoissidoksen aiheuttamaa elektronitiheyttä sidoksen vieressä.

(71)

Molekyyliorbitaalit ja näkeminen

Retinaalissa on 6 kaksoissidosta, jotka sijaitsevat joka toisessa sidoksessa.

• Tällaiset yhdisteet ovat yleensä värillisiä eli niissä on elektroneja, jotka virittyvät näkyvän valon energialla.

• Retinaalin tapauksessa valon imeytyminen virittää yhden elektronin, jolloin kaksoissidos katkeaa hetkeksi.

• Katkeamisen seurauksena molekyyli voi kääntyä. Kääntyminen havaitaan retinaaliin kiinnittyneessä proteiinissa, mikä laukaisee valoaistimuksen silmässä.

(72)

Yhdisteet pyrkivät mahdollisimman matalaenergiseen rakenteeseen

• Atomit eivät törmäile toisiinsa yhdisteessä vaan sidokset pyrkivät mahdollisimman kauas toisistaan

• Energiaperiaate mahdollistaa rakenteen ennustamisen (molekyylimallituksen).

• Molekyylin rakenne on tärkeä sen toiminnalle ja spesifisyydelle

– Rakenne auttaa molekyyliä tekemään halutun toimenpiteen, mutta samalla estää sivuvaikutuksia.

• Samankaltaiset rakenteet voivat matkia toisiaan

Kemiallisen rakenteen määräytyminen ja merkitys

(73)

(74)

Endrofiini

(a) Endorfiinin ja morfiinin rakenne

Morfiini Key

Hiili Vety

Happi Rikki Typpi

Morfiini Endorfiini

Endorfiini- reseptori Hermosolu

(b) Sitoutuminen endorfiinireseptoriin

(75)