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2022 | Buch

Chemie im Biologiestudium

von Grund auf verständlich erklärt

verfasst von: Christian Schmidt, Lars Dietrich

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Du hast dein Studium der Biologie begonnen, aber hast leichten oder großen Respekt vor der damit verknüpften Chemie? Schätzt du dein Vorwissen in Chemie als unzureichend ein oder hast gar kein Vorwissen? Keine Sorge! In diesem Buch erklären wir dir die Grundlagen der Chemie – ausführlich und zugeschnitten auf die Bedürfnisse von Biolog*innen. Wir erinnern uns gut an so manche gedankliche Hürde beim Chemielernen. Diese Hürden möchten wir für dich einreißen und führen dich somit von den grundlegenden Anfängen bis hin zu einem soliden Verständnis durch die Welt der Chemie – egal für wie ahnungslos du dich jetzt noch halten magst. Mit zahlreichen Beispielen aus dem Fach Biologie zeigen wir dir, warum Chemie so wichtig ist. Wir möchten, dass du Chemie verstehen lernst und nach der Lektüre dieses Buches Spaß daran hast, tiefergehenden Fragestellungen aus der Chemie auf den Grund zu gehen. Denn mit einem guten Verständnis für Chemie wird jede Beschäftigung mit der Biologie erst besonders spannend – egal ob du ein Fach in den Life Sciences studierst oder ob du eine Ausbildung mit biowissenschaftlichen Inhalten absolvierst. Wirf einen Blick ins Buch und finde heraus, was es alles zu entdecken gibt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Chemie verstehen – Der Weg zum Ziel
Zusammenfassung
Unser Ziel ist es, dir ein Buch an die Hand zu geben, das leicht zu lesen ist. Wir schreiben daher so, als würden dir die Inhalte in diesem Buch von Person zu Person erklären. Bei unseren Erklärungen greifen wir auf die Erfahrung zurück, die wir beim Lernen mit unseren Kommilitoninnen und Kommilitonen gemacht haben, auf die Lehrerfahrung, die wir mit Studienanfänger*innen im Rahmen von Tutorien und Übungsgruppen gesammelt haben und auch auf die Erfahrung als Lehrende an der Universität und in der Schule.
Christian Schmidt, Lars Dietrich

I

Frontmatter
2. Grundbegriffe der Chemie
Zusammenfassung
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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
3. Materie und ihre Eigenschaften
Zusammenfassung
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. 11 darauf ein. Die Konzepte aus diesem Kapitel bilden die Grundlage für eine Betrachtung von Mehr-Komponenten-Systemen im nächsten Kapitel. Damit rücken wir unserem Verständnis von der Natur einen Schritt näher.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
4. Stoffgemische und Stofftrennung
Zusammenfassung
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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich

II

Frontmatter
5. Aufbau der Atome
Zusammenfassung
Die Atomtheorie ist die fundamentale Theorie der Chemie. In den vorangegangenen 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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
6. Chemische Bindungen
Zusammenfassung
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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
7. Struktur von Molekülen
Zusammenfassung
Durch die Theorien zum Atomaufbau und die Konzepte zu chemischen Bindungen haben wir 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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
8. Zusammenhang zwischen Aufbau und Eigenschaften chemischer Verbindungen – anorganische und organische Stoffgruppen
Zusammenfassung
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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
9. Die wichtigsten bioorganischen Moleküle
Zusammenfassung
In ► Kap. 67, und 8 haben wir uns intensiv damit auseinandergesetzt, wie sich Atome zu chemischen Bindungen zusammenfügen können und wie auf diese Weise zahlreiche charakteristische Stoffgruppen gebildet werden können. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen möchten wir in diesem Kapitel die vier für das Leben wohl bedeutsamsten Klassen an Biomolekülen vorstellen. Sie gehören zum zwingenden Kenntnisrepertoire von Biologinnen und Biologen. Viele, aber nicht alle der hier vorgestellten Moleküle hast du bereits an diversen Stellen im Buch kennengelernt. Da diese Moleküle für die Biologie so wichtig sind, ist es gut, sie in diesem Kapitel noch einmal wiederholend und vertiefend vorzustellen.
Christian Schmidt, Lars Dietrich

III

Frontmatter
10. Chemische Reaktionen im Überblick
Zusammenfassung
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. Viel davon kennst du bereits aus ► Kap. 2, weshalb wir nicht noch einmal im Detail darauf eingehen werden. Dass chemische Reaktionen nicht immer vollständig und nur in eine Richtung, 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 man es rechnerisch betrachtet. 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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
11. Energieumsatz chemischer Reaktionen
Zusammenfassung
Im folgenden Kapitel wirst du chemische Reaktionen aus einer anderen Sichtweise betrachten lernen. Für den Ablauf einer chemischen Reaktion wird entweder Energie benötigt, oder es wird Energie bei ihr freigesetzt. Allgemein spricht man vom Energieumsatz chemischer Reaktionen. Dieser Energieumsatz kann durch wenige relativ einfache Größen beschrieben werden. Du wirst den Begriff der Enthalpie für die Reaktionswärme kennenlernen und verstehen, wann Energie in chemischen Reaktionen frei wird und wann sie benötigt 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 vermutlich ein verhältnismäßig neuer Denkansatz sein, der dich aber im Endeffekt zu einer tiefergehenden Betrachtung der Energetik chemischer Reaktionen führen wird. Am Ende dieses Kapitels sollst du fähig sein, mit einer kleinen mathematischen Berechnung vorauszusagen, ob eine Reaktion in der Summe Energie freisetzt oder benötigt. Außerdem wirst du erkennen, welche Bedeutung die energetische Betrachtung von chemischen Reaktionen für die Untersuchung biologischer Prozesse hat.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
12. Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
Zusammenfassung
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. 10 und 11 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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
13. Säuren und Basen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel lernst du, was einem Chemiker durch den Kopf geht, wenn im Alltag von einer sauren Zitrone oder etwa Magensäure gesprochen wird. Du wirst verschiedenen Konzepten begegnen und lernen, wie sie die Begriffe Säure und Base beschreiben. Dir wird klar werden, was der pH-Wert ist und wie du ihn berechnest. Weiterhin wirst du lernen, zwischen starken und schwachen Säuren bzw. Basen zu unterscheiden und beide Kategorien voneinander abzugrenzen. Dieses Kapitel wird dir dabei helfen, das Prinzip einer Titration und eines Puffers zu verstehen und einen Einblick geben, warum Puffersysteme in der Biologie so wichtig sind. Außerdem wirst du lernen, wie man den pH-Wert einer Pufferlösung berechnen kann. Du wirst nachher anhand von strukturellen Eigenschaften der Moleküle in etwa abschätzen können, 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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
14. Redox-Reaktionen und Elektrochemie
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wirst du eine wichtige und auch biochemisch allgegenwärtige Kategorie chemischer Reaktionen kennenlernen – die Redox-Reaktionen. Du wirst lernen, was es bedeutet, wenn ein Stoff oxidiert oder reduziert wird und wie eine Redox-Reaktion abläuft. Anschließend wirst du in der Lage sein, mithilfe der Oxidationszahlen herzuleiten, ob und wo eine Oxidation bzw. eine Reduktion stattfindet. Wir werden besprechen, wie Redox-Gleichungen für Reaktionen unter sauren bzw. alkalischen Bedingungen aufgestellt und stöchiometrisch ausgeglichen werden können. Von dort aus werden wir in die Elektrochemie eintauchen, und du wirst sehen, dass Redox-Gleichungen sich 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 „Redox-Reaktionen in der Natur“. Zuletzt werden wir die wichtigste technische Anwendung in der Redox-Chemie kennenlernen, die in Zeiten von Elektromobilität und Wasserstoffstrategien immer mehr an Bedeutung gewinnt – die Elektrolyse.
Christian Schmidt, Lars Dietrich

IV

Frontmatter
15. Das biologische Abschlusskapitel
Zusammenfassung
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 vier Beispielen aus der Biologie erklären wir genau, welche Kenntnisse und Konzepte der Chemie, die wir in den Kapiteln 2–14 vorgestellt haben, notwendig sind, um diese biologischen Phänomene verstehen zu können. Falls du dieses Kapitel aber nach der Beschäftigung mit diesem Buch – möglicherweise also schon zum zweiten Mal – liest, 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.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
16. Lösungen der Übungsaufgaben
Zusammenfassung
Die Aufgaben 1 und 2 beinhalten keine konkreten Lösungen, sondern sind mithilfe des Kapitelinhalts zu bearbeiten.
Christian Schmidt, Lars Dietrich
Backmatter
Metadaten
Titel
Chemie im Biologiestudium
verfasst von
Christian Schmidt
Lars Dietrich
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-63416-5
Print ISBN
978-3-662-63415-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-63416-5

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