Chapter 2 The Chemical Context of Life PDF
Document Details
2008
Neil Campbell and Jane Reece
Tags
Related
- Chemical Properties Biology 101 Fall 2024 PDF
- Chemical Bonds for Biology Workbook PDF
- AP Biology Reading Guide Chapter 2: The Chemical Context of Life PDF
- Campbell Essential Biology - Chapter 2 Chemistry for Life PDF
- AP Biology Chemistry of Life (2007-2008) PDF
- Chemistry in Biology Study Guide 2024 Answer Key PDF
Summary
This document is Chapter 2 from a biology textbook, discussing the chemical context of life using figures and graphs.
Full Transcript
Chapter 2 The Chemical Context of Life PowerPoint® Lecture Presentations for Biology Eighth Edition Neil Campbell and Jane Reece Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Be...
Chapter 2 The Chemical Context of Life PowerPoint® Lecture Presentations for Biology Eighth Edition Neil Campbell and Jane Reece Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings Overview: A Chemical Connection to Biology Biology multidisipliner bir bilimdir Canlı organizmalar, fizik ve kimyanın temel yasalarına uyarlar One example is the use of formic acid by ants to maintain “devil’s gardens,” stands of Duroia trees Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-1 Fig. 2-2 EXPERIMENT Cedrela Insect sapling barrier Duroia Outside, tree Inside, protected unprotected Inside, protected Devil’s Outside, garden unprotected RESULTS Dead leaf tissue (cm2) 16 after one day 12 8 4 0 Inside, Inside, Outside, Outside, unprotected protected unprotected protected Cedrela saplings, inside and outside devil’s gardens Fig. 2-2a EXPERIMENT Cedrela Insect sapling barrier Duroia Outside, tree Inside, protected unprotected Inside, protected Devil’s Outside, garden unprotected Fig. 2-2b RESULTS Dead leaf tissue (cm2) 16 after one day 12 8 4 0 Inside, Inside, Outside, Outside, unprotected protecte unprotected protected d Cedrela saplings, inside and outside devil’s gardens Concept 2.1: Madde kimyasal elementlerin saf hallerinden oluşur. Farklı elementlerin bir araya gelmesiyle bileşikler oluşur. Organizmalar maddelerden oluşur Madde, boşlukta yer kaplayan ve kütlesi olan her şeydir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Elementler ve Bileşikler Madde, elementlerden oluşmuştur. Element, kimyasal reaksiyonlarla başka bileşenlere ayrılmayan bileşene denir. Bir bileşik, 2 veya daha fazla sayıda elementi belirli sabit bir oranda içeren bileşendir. Bir bileşiğin özellikleri, onu meydana getiren elementlerden farklıdır. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-3 Sodium Chlorine Sodium chloride Fig. 2-3a Sodium Fig. 2-3b Chlorine Fig. 2-3c Sodium chloride Hayatın temel elementleri 92 elementten 25 tanesi yaşam için gereklidir Karbon, hidrojen, oksijen, ve nitrojen (azot) canlı maddenin %96sını oluşturur. Kalan %4’lük kısmın çoğunluğu, Kalsiyum, Fosfor, potasyum, ve sulfur (kükürt) dür. Trace elements (İz elementler), organizmanın çok küçük miktarlarda ihtiyaç duyduğu elementlerdir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Table 2-1 Fig. 2-4 (a) Nitrogen deficiency (b) Iodine deficiency Fig. 2-4a (a) Nitrogen deficiency Fig. 2-4b (b) Iodine deficiency Concept 2.2: Bir elementin özellikleri, onu oluşturan atomlarının yapısına bağlıdır Her element, kendine özgü bir tek çeşit atomlardan meydana gelir. Bir atom, oluşturduğu elementin özelliklerini taşımaya devam eden, onun özelliklerini taşıyan en küçük parçasıdır. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Subatomic Parçacıklar Atomlar atomaltı parçacıklardan oluşurlar Bunlar: – Neutrons (no electrical charge) – Protons (positive charge) – Electrons (negative charge) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Neutronlar ve protonlar atomic nucleus’u (çekirdeği) meydana getirirler. Electronlar, nükleus etrafında bir bulut meydana getirirler Nötron kütlesi ve proton kütlesi hemen hemen aynıdır ve dalton birimiyle ifade edilirler. Dalton: 1 Hidrojen atomunun kütlesine eşit kütleyi ifade eder. Hidrojen atomu ise 1 proton ve 1 elektrondan oluşur. Elektronların kütlesi, atom kütlesine dahil edilmez. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-5 Cloud of negative charge (2 electrons) Electrons Nucleus (a) (b) Atom numarası ve Atomik kütle (Kütle numarası) Çeşitli elementlerin atomları, sub atomik partiküllerin sayısında farklılık gösterirler. Bir elementin atom numarası nükleustaki proton sayısına eşittir. Bir elementin kütle numarası ise nükleustaki proton ve nötronların sayısının toplamına eşittir. Atomik kütle, atomun toplam kütlesi, kütle numarasına neredeyse eşittir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Izotoplar Bir elementin tüm atomları, aynı sayıda protona sahiptir.Ancak nötron sayıları farklılık gösterebilir. Izotoplar, nötron sayıları farklılık gösteren iki atomdur. Radioaktif izotoplar zamanla eksilirler ve partiküllerle beraber enerji salarlar. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Radyoaktif izotopların biyolojideki bazı uygulamaları: – Fosilleri tarihlendirmek – Metabolik süreçlerdeki atomları izlemek – Hastalıkları teşhis etmek Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-6 TECHNIQUE Compounds including Incubators radioactive tracer 1 2 3 (bright blue) 10°C 15°C 20°C Human cells 4 5 6 25°C 30°C 35°C 1 Human cells are 7 8 9 incubated 40°C 45°C 50°C with compounds used to make DNA. One compound is labeled with 3H. 2 The cells are DNA (old and new) placed in test tubes; their DNA is isolated; and unused labeled compounds are removed. 3 The test tubes are placed in a scintillation counter. RESULTS Counts per minute Optimum 30 temperature for DNA (× 1,000) 20 synthesis 10 0 10 20 30 40 50 Temperature (ºC) Fig. 2-6a TECHNIQUE Compounds including Incubators radioactive tracer 1 2 3 (bright blue) 10ºC 15ºC 20ºC Human cells 4 5 6 25ºC 30ºC 35ºC 1 Human cells are 7 8 9 incubated 40ºC 45ºC 50ºC with compounds used to make DNA. One compound is labeled with 3H. 2 The cells are DNA (old and new) placed in test tubes; their DNA is isolated; and unused labeled compounds are removed. Fig. 2-6b TECHNIQUE 3 The test tubes are placed in a scintillation counter. Fig. 2-6c RESULTS Counts per minute Optimum 30 temperature (× 1,000) for DNA 20 synthesis 10 0 10 20 30 40 50 Temperature (ºC) Fig. 2-7 Cancerous throat tissue Electronların Enerji Seviyeleri Enerji, değişime sebep olma kapasitesi olarak tanımlanabilir Potansiyel enerji, maddenin yapısı ve konumundan kaynaklanan enerjidir Atomun sahip olduğu elektronlar, taşıdıkları potansiyel enerji miktarları açısından farklılık gösterir. Bir elektronun potansiyel enerji açısından konumu, onun enerji seviyesi olarak adlandırılır veya elektron kabuğu olarak. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-8 (a) A ball bouncing down a flight of stairs provides an analogy for energy levels of electrons Third shell (highest energy level) Second shell (higher Energy energy level) absorbed First shell (lowest energy level) Energy lost Atomic nucleus (b) Electron Dağılımı ve Kimyasal Özellikleri The chemical behavior of an atom is determined by the distribution of electrons in electron shells The periodic table of the elements shows the electron distribution for each element Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-9 Hydrogen 2 Atomic number Helium H He 2 He 1 Atomic mass 4.00 Element symbol First shell Electron- distribution diagram Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne Second shell Sodium Magnesium Aluminum Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P S 17 Cl 18 Ar 16 Third shell Valence electronları (Değerlik elektronları) en dış katmandaki veya diğer bir deyişle valens tabakasında bulunan elektronlardır. Bir atomun kimyasal davranışı (özellikleri), büyük oranda valens elektronları tarafından belirlenir. Valens tabakaları tamamen dolu olan elementler, kimyasal olarak inerttirler. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Electron Orbitalleri Orbital, bir elektronun zamanın %90’ında işgal ettiği 3 boyutlu boşluktur, alandır. Her elektron kabuğu, belirli sayıda orbital içerir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-10-1 Neon, with two filled shells (10 electrons) (a) Electron-distribution diagram First shell Second shell Fig. 2-10-2 Neon, with two filled shells (10 electrons) (a) Electron-distribution diagram First shell Second shell (b) Separate electron orbitals 1s orbital Fig. 2-10-3 Neon, with two filled shells (10 electrons) (a) Electron-distribution diagram First shell Second shell (b) Separate electron orbitals x y z 1s orbital 2s orbital Three 2p orbitals Fig. 2-10-4 Neon, with two filled shells (10 electrons) (a) Electron-distribution diagram First shell Second shell (b) Separate electron orbitals x y z 1s orbital 2s orbital Three 2p orbitals (c) Superimposed electron orbitals 1s, 2s, and 2p orbitals Concept 2.3: Moleküllerin oluşumu ve fonksiyonları onları oluşturan atomlar arasındaki bağlanma çeşitlerine bağlıdır Valens kabuklerı eksik olan atomlar, belli tip diğer atomlardan valens elektron transfer edebilir veya ortaklaşabilir. Elektron transferi veya ortaklaşması, birbirine yakın atomlar arasında gerçekleşir ve sonuçta kimyasal bağlar denilen çekim kuvvetleri ile bir arada tutulurlar. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Kovalent Bağlar Bir kovalent bağ, bir çift valens elektronun 2 atom arasında ortaklaşılmasıdır. Kovalent bağda paylaşılan elektronlar, her iki atomun valens tabakasının bir parçası olarak değerlendirilir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-11 Hydrogen atoms (2 H) Hydrogen molecule (H2) Molekül, 2 veya daha fazla atomun kovalent bağlarla birbirine bağlanmasıyla oluşur. Tek bir kovalent bağ veya tekli kovalent bağ, bir çift valens elektronunun paylaşılmasıdır. İkili kovalent bağ veya çift kovalent bağ, 2 çift valens elektronunun paylaşılmasını gerektirir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Atomları ve birbirlerine bağlanmalarının gösterimi ‘yapısal formül’ denilen şekilde olur. – Örneğin H–H Bu gösterim ‘moleküler formül’ şeklinde kısaltılıp sadeleştirilebilir. – Örneğin H2 Animation: Covalent Bonds Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-12 Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (a) Hydrogen (H2) (b) Oxygen (O2) (c) Water (H2O) (d) Methane (CH4) Fig. 2-12a Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (a) Hydrogen (H2) Fig. 2-12b Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (b) Oxygen (O2) Fig. 2-12c Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (c) Water (H2O) Fig. 2-12d Name and Electron- Lewis Dot Space- Molecular distribution Structure and filling Formula Diagram Structural Model Formula (d) Methane (CH4) Kovalent bağlar, aynı elementin atomları arasında oluşabileceği gibi farklı elementlere ait atomlar arasında da oluşabilir. Bileşik, 2 veya daha çok farklı element atomlarının bir araya gelmesinden oluşur. Bağlanma kapasitesi (veya bağ oluşturma kapasitesi), atomun değerliği (‘Valens’i) olarak adlandırılır. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Electronegatiflik bir atomun, kovalent bağın elektronlarına uyguladığı elektron çekim gücünü ya da diğer bir deyişle elektron ilgisini ifade eder. Bir atom ne denli elektronegatif ise, ortaklaştığı (kovalent bağ yapımında kullandığı) elektronları kendine doğru o denli güçlü bir şekilde çeker. Bu durumda ‘polar kovalent bağlar’ oluşur. Yük dağılımının eşit olmadığını ifade eder Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Nonpolar kovalent bağ, atomların ortaklaştıkları elektronları eşit şekilde paylaştıkları; elektronları eşit şekilde çektikleri durumda ortaya çıkan durumdur. Bu durum daha çok, aynı element atomlarının oluşturduğu kovalan bağlarda karşımıza çıkmaktadır. Polar kovalent bağ’da, bağı oluşturan bir atom diğerinden daha elektronegatiftir ve atomlar elektronları eşit şekilde paylaşmazlar. Elektronların bağı oluşturan atomlar arasında eşit paylaşılmaması, bağı oluşturan atom veya moleküllerin kısmi pozitif veya kısmi negatif yüklü olmalarına yol açar. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-13 δ– O H H δ+ δ+ H 2O Iyonik Bağlar Atomlar bazen, birlikte bağ oluşturdukları partnerlerinden elektron alırlar (veya partnerlerine elektron verirler) Bu durumun bir örneği, sodyum ve klor arasında oluşan iyonik bağda, sodyumdan klor atomuna bir elektronun transferidir. Bu elektronun transferinden sonra, bağı oluşturan her iki atom da yüklü hale gelmiştir. Yüklü atoma veya moleküle ise iyon denir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-14-1 Na Cl Na Cl Sodium atom Chlorine atom Fig. 2-14-2 Na Cl Na Cl Na Cl Na+ Cl– Sodium atom Chlorine atom Sodium ion Chloride ion (a cation) (an anion) Sodium chloride (NaCl) Katyon pozitif yüklü iyon Anyon negatif yüklü iyondur. İyonik bağ, bir anyon ile bir katyon arasında meydana gelen çekim kuvvetidir. Animation: Ionic Bonds Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings İyonik bağlanma sonucu oluşan bileşikler, iyonik bileşikler veya tuzlar olarak adlandırılırlar. Tuzlar, örneğin sodyum Klorid (sofra tuzu), doğada genellikle kristal halde bulunurlar. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-15 Na+ Cl– Zayıf Kimyasal Bağlar Organizmalarda bir hücrenin moleküllerini oluşturan güçlü bağların büyük çoğunluğu, kovalent bağlardır İyonik bağlar ve hidrojen bağları gibi zayıf etkileşimler de önemlidir. Zayıf kimyasal etkileşimler, büyük moleküllerin şekillerini destekler (oluşumuna, sağlamlığına, 3 boyutlu yapılarını kazanma ve sürdürmeye yardımcı olurlar. Birbirlerine yapışmalarını sağlarlar. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Hidrojen Bağları Bir hidrojen bağı, hidrojen atomu elektronegatif bir atoma kovalent bağlı durumda olduğu halde bir başka elektronegatif atom tarafından daha çekildiğinde oluşur. Canlı hücrede elektronegatif partnerler genellikle oksijen ve azot atomlarıdır. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-16 δ− δ+ Water (H2O) δ + Hydrogen bond δ− Ammonia (NH3) δ δ + + δ + Van der Waals Etkileşimleri Elektronlar atom veya molekül üzerinde asimetrik dağılmadığı durumda, ‘pozitif veya negatif yük odakları’na dönüşürler Van der Waals etkileşimleri, birbirlerine yeterince yakın moleküller arasında bu yük odakları nedeniyle oluşan etkileşimlerdir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Tek başına van der waals etkileşimleri en zayıf etkileşim türü olsa da; çok sayıda aynı yerde oluşmalarıyla kollektif olarak oldukça güçlü hale gelebilirler. Bunun en iyi örneklerinden birisi, bir gekonun ayağındaki tüylerle duvar yüzeyi arasındaki etkileşim verilebilir. Geko böylelikle duvarda düşmeden hareket edebilmektedir. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-UN1 Moleküler Şekil ve fonksiyon Bir molekülün şekli, o molekülün işlevi için genellikle kilit önemdedir. Bir molekülün şekli ise, onu oluşturan atomların valens orbitallerinin konumunca belirlenir. Bir kovalent bağ içerisinde s ve p orbitalleri hibridize olarak spesifik moleküler şekiller meydana getirebilirler. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-17 z Four hybrid orbitals s orbital Three p orbitals x y Tetrahedron (a) Hybridization of orbitals Space-filling Ball-and-stick Hybrid-orbital Model Model Model (with ball-and-stick model superimposed) Unbonded electron pair 104.5º Water (H2O) Methane (CH4) (b) Molecular-shape models Fig. 2-17a z Four hybrid orbitals s orbital Three p orbitals x y Tetrahedron (a) Hybridization of orbitals Fig. 2-17b Space-filling Ball-and-stick Hybrid-orbital Model Model Model (with ball-and-stick model superimposed) Unbonded electron pair 104.5º Water (H2O) Methane (CH4) (b) Molecular-shape models Biyolojik moleküller birbirlerini, moleküler şekle dayanan bir özgüllükle tanır ve etkileşirler. Benzer şekillere sahip moleküller, benzer biyolojik etkilere sahip olabilirler. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-18 Key Carbon Nitrogen Hydrogen Sulfur Natural endorphin Oxygen Morphine (a) Structures of endorphin and morphine Natural endorphin Morphine Endorphin Brain cell receptors (b) Binding to endorphin receptors Fig. 2-18a Key Carbon Nitrogen Hydrogen Sulfur Natural endorphin Oxygen Morphine (a) Structures of endorphin and morphine Fig. 2-18b Natural endorphin Morphine Endorphin Brain cell receptors (b) Binding to endorphin receptors Concept 2.4: Kimyasal reaksiyonlar, kimyasal bağları bir yandan yıkar diğer taraftan yenilerini yapar Kimyasal reaksiyonlar, kimyasal bağların yıkımı ve yerlerine farklı atom/moleküllerin katılımı veya var olanın eksilmesiyle aralarında yeni bağların yapımı olayıdır. Kimyasal reaksiyonun başlangıç molekülleri, ‘reaktant’lar (tepkimeye girenler) olarak adlandırılır. Tepkime sonucunda oluşan moleküller ise ‘ürünler’ olarak adlandırılır. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-UN2 2 H2 O2 2 H 2O Reactants Reaction Products Fotosentez, önemli bir kimyasal reaksiyondur. Gün ışığı, karbon dioksit ve suyun oksijen ve glikoz’a dönüşümü için gereken enerjiyi sağlar. 6 CO2 + 6 H20 → C6H12O6 + 6 O2 Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-19 Bazı kimyasal reaksiyonlar tamamlanır. Yani tüm reaktanlar ürüne dönüştürülür. Bazı kimyasal reaksiyonlar geri dönüşlü olabilirler. Bu durumda ileri yönlü reaksiyonda oluşan ürünler; geri yöndeki reaksiyonda reaktanlar olarak kullanılırlar. Kimyasal denge, ileri ve geri yönde tepkime hızları eşit olduğunda kurulmş olur. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings Fig. 2-UN3 Nucleus Protons (+ charge) determine element Electrons (– charge) form negative cloud Neutrons (no charge) and determine determine isotope chemical behavior Atom Fig. 2-UN4 Fig. 2-UN5 Single Double covalent bond covalent bond Fig. 2-UN6 Ionic bond Electron transfer forms ions Na Cl Na+ Cl– Sodium atom Chlorine atom Sodium ion Chloride ion (a cation) (an anion) Fig. 2-UN7 Fig. 2-UN8 Fig. 2-UN9 Fig. 2-UN10 Fig. 2-UN11 Şimdi yapabilmeniz gerekenler: 1. 4 majör elementi sayabilmelisiniz 2. Çiftler halinde Sayılan terimleri ve aralarındaki farkları bilebilmelisiniz: nötron ve proton, atom numarası ve kütle numarası, atomik ağırlık ve Kütle numarası 3. Verili terimler arasındaki farkları ve bunların biyolojik önemlerini bilebilmelisiniz: nonpolar Kovalent bağlar, polar Kovalent bağlar, iyonik bağlar, hidrojen bağları, ve van der Waals etkileşimleri Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings