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Und mit dem Wissen können wir uns nun relativ leicht voraussagen, warum Wasser flüssig ist im Gegensatz zu Kohlendioxid, obwohl ja Wasser eine geringere Masse besitzt. Und das ergibt sich als Konsequenz aus den Elektronegativitäten der Atome. Und wenn wir das hier anwenden, was ich eben erzählt habe...

Und mit dem Wissen können wir uns nun relativ leicht voraussagen, warum Wasser flüssig ist im Gegensatz zu Kohlendioxid, obwohl ja Wasser eine geringere Masse besitzt. Und das ergibt sich als Konsequenz aus den Elektronegativitäten der Atome. Und wenn wir das hier anwenden, was ich eben erzählt habe, dann können wir die Elektronegativitäten aus dem Periodensystem übertragen auf das Wassermolekül. Da haben wir also 2,1 für Wasserstoff, 3,5 für Sauerstoff und daraus ergibt sich, dass Sauerstoff stärker an den Bindungen zieht. Und hier hat man dann also eine Verschiebung von Ladungen, wo dann dieses Ende des Wassermoleküls partiell negativ ist und diese beiden Enden partiell positiv. Man benutzt auch manchmal Symbole für die Ladungsverteilung. Sie haben also sogenannte Bindungsdiepole und dafür werden dann solche Pfeile verwendet. Die Ladungsdichte ist in Richtung der Pfeilspitzen verschoben. Dieses Ende ist partiell negativ und dieses Ende ist partiell positiv. Wenn man sich den Gesamtdiepol des Moleküls ableiten will, dann muss man einfach nur diese Diepolmomente miteinander aufrechnen. Daraus ergibt sich ein Gesamtdiepol, so ähnlich wie bei den Einzelpolen von Magneten, die sich aufsummieren. Daraus ergibt sich ein Gesamtdiepol für das gesamte Wassermolekül, was so wie hier dargestellt ausgerichtet ist. Jetzt hat man also solche kleinen Wassermolekülmagneten mit negativen und positiven Enden. Die Konsequenz, die sich daraus ergibt, ist einigermaßen nachvollziehbar. Wenn Sie hier ein zentrales Wassermolekül haben mit polaren Enden und Sie haben viele weitere Wassermoleküle, dann würden sich also Kräfte ausbilden, die zur Anziehung der partiell positiven und negativen Ladung führen. Die Moleküle würden sich also ausrichten und ein großes Netzwerk von Wassermolekülen ausbilden. Die Folge davon ist, dass Wasser flüssig ist und Kräfte aufgewendet werden müssten, um Wasser zu verdampfen, wie man das in der Realität so findet. Diese Brücken hier haben einen konkreten Namen. Hier handelt es sich nicht um voll ausgebildete chemische Bindungen, sondern diese Bindung nennt man Wasserstoffbrückenbindungen. Das sind also schwächere Bindungen als kovalente Bindungen. damit sich überhaupt Wasserstoffbrücken ausbilden können, da müssen eine Reihe von Voraussetzungen erfüllt sein und die sind hier auf der linken Seite erläutert. Hier hat man also zwei Beispielmoleküle. Das hier ist Wasser, da kennt sie die Ladungsverteilung inzwischen und das wäre vielleicht ein Biomolekül, das ist ein Kohlenstoffhaltiger Rest. Hier wäre vielleicht Sauerstoff gebunden und da nochmal Wasserstoff. Die Ladungsverteilung hier können sie sich auch ableiten aus den Elektronegativitäten und die Konsequenz wäre, dass Sauerstoff partiell negativ ist und hier Wasserstoff partiell positiv und diese beiden Molekülenden würden sich anziehen. Die Voraussetzungen für Wasserstoffbrücken sind nun folgende, also zum einen müssen die Unterschiede in den Elektronegativitäten groß genug sein, zum zweiten muss an der Bindung Wasserstoff beteiligt sein und dieser Wasserstoff, der muss an ein sogenanntes Heteroatom gebunden sein. Was ist ein Heteroatom? Das ist ein Atom, das nicht Kohlenstoff oder Wasserstoff ist, sondern ein elektronegatives Atom, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Steckstoff, denn nur dann sind diese Bindungen ausreichend stark polarisiert und auf der anderen Seite muss vorhanden sein, ein Atom, das elektronegativ ist und das aber auch noch zusätzlich mindestens ein freies Elektronenpaar besitzt. Dann gibt es eine Interaktion mit diesem positivierten Wasserstoff und dem freien Elektronenpaar und die Wasserstoffbrückenbindung kann sich ausbilden. Jetzt fragen Sie sich vielleicht, warum ich nur erklärt habe, dass Wasser flüssig sein sollte, das ergibt sich relativ logisch aus diesen ganzen Überlegungen, aber was ich nicht erklärt habe ist, warum Kohlendioxid, das ja linear ist, gasförmig ist. Vielleicht können Sie sich das mal selber überlegen und wir können das vielleicht am Freitag diskutieren oder auch im Chat. Mithilfe von Partialladungen, Elektronikativitäten und Wasserstoffbrücken kann man sich viele Eigenschaften von Molekülen ableiten. Und hier schauen wir uns mal näher die Essigsäure an. Und hier ist nochmal die Struktur gezeigt. Essigsäure, das wissen Sie, ist perfekt mit Wasser mischbar. Sie finden Essige in allen möglichen Konzentrationen. Und warum das so ist, nicht alle organische Moleküle mischen sich ja mit Wasser. Warum das so ist, ist verständlich anhand der Ausbildung von Wasserstoffbrücken. Und hier ist so ein Szenario gezeigt, wo Essigsäure mit Wasser gemischt wird und die Konsequenz daraus ist, dass sich Wassermoleküle um das Essigsäure Molekül herum anordnen und zwar mithilfe von Wasserstoffbrücken. Sie haben also viele Möglichkeiten, wie dieser Bereich des Essigsäure Moleküls von vielen Wassermolekülen umgeben sein kann. Daraus ergibt sich eine sogenannte Hydrathülle, eine Wasserhülle, die dazu beitragen kann, dieses Molekül zu lösen. Und dieser Bereich ist relativ unpolar, der ist aber auch relativ klein. Und der Gesamteinfluss dieser unpolaren Region in dem Molekül ist so klein, dass das keine wesentlichen Konsequenzen auf die Lösigkeit von Essigsäure in Wasser hat. Aus der Fähigkeit von Wasser, sich über Wasserstoffbrücken mit einer Vielzahl von anderen Molekülen zu assoziieren, resultieren einige wichtige Eigenschaften, die von essenzieller Bedeutung für das Leben auf der Erde sind. Und auf der linken Seite ist eine dieser Eigenschaften dargestellt und das ist nämlich die Fähigkeit, eine Vielzahl von organischen Molekülen, aber auch an organischen Salzen zu solvatisieren, also in Lösung zu bringen. Und das klappt sogar für zum Beispiel Kristalle, wie ein Natriumchlorid-Kristall, in der extrem starke elektrostatische Interaktionen vorliegen. Und hier schaffen es die kooperativen Effekte von vielen verschiedenen Wasserstoffbrücken, die von den Wassermolekülen in der Hydrathülle, in der Wasserhülle beigetragen werden, schaffen, dass diese Interaktionen zwischen den Ionen zu eliminieren. Hier auf der rechten Seite ist ein weiterer wichtiger Aspekt für das Leben auf der Erde dargestellt und das ist nämlich die hohe Wärmekapazität. Was ist das? Unter Wärmekapazität versteht man den Betrag von Energie, der auf eine Substanz übertragen werden muss, um die Temperatur, um einen bestimmten Betrag zu ändern. Also zwei verschiedene Substanzen vergleicht Wasser mit einer anderen Substanz und die Wärmekapazitäten sind unterschiedlich. Das heißt, dass unterschiedlich starke hohe Energiemengen übertragen werden müssen auf diese Substanzen. Für Wasser ist es so, dass die Wärmekapazität außerordentlich hoch ist im Vergleich zu anderen Substanzen. Sie müssen also viel Energie aufbringen, um die Temperatur von Wasser zu ändern und für die Umwelt hat das den Effekt, dass zum Beispiel starke Temperaturänderungen über einem großen Wasserkörper, zum Beispiel über dem Ozean, keine großen Konsequenzen für die Wassertemperatur hat. Und so können sie zum Beispiel im Zürichsee immer noch baden gehen, wenn die Außentemperaturen schon lange abgefallen sind. Da sind die Wassertemperaturen immer noch recht angenehm und diese Stabilität bezüglich der Temperatur von Wasser ist natürlich sehr wichtig für das Überleben von Organismen. Wie kann man sich das erklären? Hier sehen Sie eine Computersimulation vieler verschiedener Wassermoleküle im Netzwerk, und zwar aus Wasserstoffbrücken, die hier gelb dargestellt sind. Das kann man sich mit der Wärmekapazität so vorstellen, dass viel Energie oder ein Teil der Energie aufgewendet werden muss, um unzählige Wasserstoffbrückenbindungen aufzubrechen, sodass sie dann einzelne Wassermoleküle haben, die in die Atmosphäre verdunsten können. Gibt es auch Moleküle ohne Wasserstoffbrücken? Die gibt es natürlich und ein Beispiel ist hier gezeigt, nämlich das Paraffinwachs, Kerzenwachs. Wenn man sich das Molekular anschaut, dann handelt es sich hier um solche enorm langen Kohlenstoffketten und daran ist nichts anderes gebunden, zumindest beim künstlichen Kerzenwachs als Wasserstoff. Es gibt also kaum Polaritätsunterschiede und so ist es also nicht möglich, dass sich Wasserstoffbrücken mit Wassermolekülen ausbilden können. Stattdessen assoziieren viele verschiedene von diesen wenig polaren Ketten miteinander und das führt dann dazu, dass sich solche Substanzen überhaupt nicht oder sehr schlecht mit Wasser mischen, wie das für dieses Kerzenwachs der Fall ist. Und solche Moleküle, die sich nicht mit Wasser mischen oder sich nicht in Wasser lösen, die nennt man Hydrophob, das ist abgeleitet von Wasser fürchtend oder Lipofil. Die haben also eine Affinität zu Fetten, also unpolaren Substanzen und Lipofil bedeutet nichts anderes als fettliebend. Paraffin wächst ist ein Produkt aus der Erdölverarbeitung, aber das gleiche Prinzip der Lipophilie oder Hydrophobie gilt für viele Biomoleküle und ganz besonders wichtig ist es im Zusammenhang Biomembranen und das werden Sie noch genauer kennenlernen im Verlauf der Vorlesung. Jetzt habe ich noch eine Art von Bindungen nicht besprochen und das sind die sogenannten Van der Waals Bindungen. Hier handelt es sich nicht um direkte Bindungen zwischen Atomen, zum Beispiel wie bei den Kovalentenbindungen oder zwischen permanenten Ladungen wie bei den ionischen Interaktionen, sondern diese Molekülinteraktionen beruhen auf leichten Ladungsverschiebungen, die in den Elektronenwolken temporal, also zeitweise, entstehen und durch diese Ladungsverschiebungen ergeben sich wiederum partiell positive und negative Enden in den Molekülen und so können dann Moleküle mit Nachbarmolekülen assoziieren. Diese Einzelkräfte zwischen verschiedenen Molekülen sind recht schwach. Sie können hier an dieser Tabelle sehen die Bindungsstärken im Vergleich in Kilojoule pro mol. Das sind also die stärksten Bindungen, die Kovalentenbindungen, also Einfachbindungen sind hier gezeigt und es folgt dann als nächstes folgen die ionischen Bindungen, die Wasserstoffdrücken und dann relativ gering in der Stärke im Vergleich die Van der Waals Interaktionen. Nichtsdestotrotz, wenn viele, viele Moleküle gemeinsam solche kooperativen Effekte ausbilden über Van der Waals Kräfte, dann können daraus sehr effiziente makroskopische Adhesionsstrategien in der Natur zum Beispiel bei diesen Geckos entstehen. Die schaffen es also über solche Van der Waals Kräfte sich perfekt an Wände anzukleben und Spider-Man benutzt sehr wahrscheinlich eine ähnliche Strategie. So, wir sind nun fast am Schluss der Vorlesungsdoppelstunde angelangt, aber ich möchte noch kurz auf zwei Aspekte eingehen. Der eine Aspekt ist die Frage, wie man überhaupt Moleküle zeichnet. Sie haben ja verschiedene Darstellungsmöglichkeiten schon gesehen. Hier ist dieses Carlottenmodell, hier ist das, was ich zusammengestellt habe. Es gibt aber noch weitere Darstellungsmöglichkeiten, die auch schneller zu zeichnen sind. Und eine Vereinfachung einer solchen Struktur ist hier gezeigt. Hier sieht man also nur die Atome und Kohlenstoffatome. Sehen Sie hier in der Kette, das ist alles Natriumglutamat, also alles die gleiche Substanz. Und die Ähnlichkeiten hier lassen sich wahrscheinlich recht gut von Ihnen nach vollziehen. Die einfachste Darstellungsmethode ist die Kurznotation. Und da lässt man, weil Kohlenstoff zentraler Bestandteil von organischen Molekülen ist, lässt man den Kohlenstoff einfach weg. Und dieser Kohlenstoff, die Anwesenheit von Kohlenstoff wird durch sogenannte, durch solche Ecken in der Molekülkette dargestellt. Also überall wo man in der Molekülkette einen Knick vorfindet, da muss man sich einen Kohlenstoffatom dazu denken. Also Sie können das Ganze nachvollziehen, indem Sie diese beiden Strukturen hier vergleichen. Und dann fehlen auch noch die Wasserstoffatome am Kohlenstoff. Aber wie viele Wasserstoffatome Sie sich da dazu denken müssen, das ergibt sich genau aus der Anzahl der Bindungen, die schon vorhanden sind. Also hier dieses Kohlenstoffatom hat zwei Bindungspartner, nämlich das Kohlenstoffatom und dieses Kohlenstoffatom. Das heißt, wenn Sie wissen, dass Kohlenstoff vierbindig ist, dann fehlen noch zwei Bindungspartner. Und diese zwei sind genau Wasserstoff. Und an dieser Stelle fehlt noch ein Bindungspartner. Hier haben Sie schon drei und das wäre dann also ein Wasserstoff. Und den haben Sie in der Tat hier vorliegen. Um das noch ein bisschen besser zu verdeutlichen, zeige ich Ihnen noch mal zwei weitere Beispiele von Molekülen, die unterschiedlich dargestellt werden, nämlich in dieser Kurzhandnotation. Hier, das ist Ethanol, also der reguläre Alkohol, und das ist die Struktur mit allen Atomen. Und hier ist die Kurznotation. Und hier sehen Sie diese Ecke, da ist Kohlenstoff mit zwei versteckten Wasserstoffen, die man sich dazu denken muss. Und es gibt das Ende der Kette, das hatten Sie vorher noch nicht gesehen. Und auch da, wo eine Kette zu Ende ist und da wird kein Atom gezeigt, handelt es sich um ein verstecktes Kohlenstoffatom mit den fehlenden Wasserstoffen. Also eine Bindung hier, es fehlen noch drei Wasserstoffatome und so sieht das in der ausführlicheren Schreibweise aus. Hier ist eine etwas komplexere Moleküle, da handelt es sich um Glucose, um eine bestimmte Form der Glucose, das werden Sie später sehen. Glucose kann offene Ketten ausbilden, aber auch ringförmige Strukturen und ein solcher Ring ist hier gezeigt. Und da können Sie immer versuchen, selber die Atome in Glucose komplett einzutragen. Zum Schluss der Vorlesung für heute möchte ich ganz kurz auf einen weiteren, sehr wichtigen Aspekt für Biomoleküle und weitere Moleküle zu sprechen kommen und das ist das Konzept der Chiralität. Um das zu verstehen schauen wir uns das Natriumglutamat Molekül noch einmal genauer an. Da gibt es nämlich einen Kohlenstoffatom, was ich hier markiert habe und das ist besonders, das ist das einzige Kohlenstoffatom, was vier unterschiedliche Bindungspartner trägt, nämlich einmal Wasserstoff, dann diese Stickstoffgruppierung und zwei unterschiedliche kohlenstoffhaltige Gruppierungen links und rechts. Und wenn wir das übertragen auf das Tetraeder-Modell, dann würde dieses Kohlenstoffatom im Zentrum sitzen und das wären die unterschiedlichen Substituenten visualisiert als farbige Punkte. Was wir nun machen können, ist diesen Tetraeder erstmal zu spiegeln, das wäre die resultierende spiegelbildliche Form. Wenn Sie nun versuchen, diesen Tetraeder, den gespiegelten, in diesen Durchdrehungen zu überführen, dann wird Ihnen das nicht gelingen und das ist eine direkte Konsequenz aus den vier unterschiedlichen Ecken des Tetraeders, also den vier verschiedenen Bindungspartnern. Und das wäre also ein sogenanntes chirales Objekt oder zwei chirale Objekte und im Gesamtmolekül von Glutamat würde das dann so aussehen, dass sie zum Beispiel eine Form haben, wo diese Stickstoffgruppierung auf sie zu ragt und Wasserstoff wäre hinten und dann würde es noch eine separate Form von Glutamat geben, wo die Position dieser beiden Substituenten, also dieser beiden Gruppierungen, vertauscht ist. Und wenn Sie nun versuchen, durch Drehung dieses Molekül zum Beispiel um diese Achse in das zu überführen, dann könnten Sie vielleicht diese beiden Gruppierungen vertauschen, sodass das dann übereinander liegt. Damit hätten Sie aber auch diese Enden des Moleküls mitgedreht und das wird Ihnen also nicht gelingen, das ineinander zu überführen. Und genau das bezeichnet man als Chiralität. Das ist ein chirales C-Atom und das sind zwei Formen eines Moleküls, zwei chirale Formen eines Moleküls mit unterschiedlichen Eigenschaften unter manchen Voraussetzungen. Und das Konzept der Chiralität trifft auf viele andere Objekte auch zu, bei denen diese geometrischen Umwandlungen nicht gelingen und das sind zum Beispiel ihre Hände. Davon ist auch das Wort Chiralität abgeleitet von Altgriechisch für Hand. Und für Helices gilt das auch. Also DNA ist ein chirales Molekül. Damit sind wir am Ende der heutigen Doppelstunde angelangt. Ich möchte noch mal kurz zusammenfassen, womit wir uns beschäftigt haben. Zum einen haben sie gesehen, was die wichtigen chemischen Elemente in der Zelle sind und welche Funktionen sie einnehmen können, um Biomoleküle und andere funktionale Einheiten zu bilden. Sie wissen jetzt, wie man Atome zu Molekülen zusammen verknüpft, egal ob das jetzt Moleküle der Chemiker sind oder Biomoleküle. Sie haben Einzeldoppel- und Dreifachbindungen kennengelernt, wissen, was man unter freien Elektronenpaaren versteht, kennen die Regeln, wie viele Atome miteinander über welche Bindung verknüpft werden können. Sie wissen, wie man die dreidimensionale Gestalt von Molekülen voraussagen kann und die Dipolmomente und Gesamtdipole von Molekülen. Sie können chirale Kohlenstoffatome erkennen anhand der Anzahl unterschiedlicher Bindungspartner, nämlich vier, und kennen verschiedene Kräfte zwischen Atomen und Molekülen. Damit möchte ich mich ganz herzlich bedanken fürs Zuhören und wir sehen uns wieder am Donnerstag und da wird es um die eigentlichen Biomoleküle gehen.