De cel hoofdstuk 2
Chemische bindingen
Chemie van het leven, levende dingen bevatten heel veel koolstofverbindingen. Verder vinden de
chemische reacties allemaal plaats in waterige (aqueous) oplossing en in een bepaalde
temperatuurrange. Ten derde is de chemie heel complex. Zelfs de simpelste cel bevat een meer
gecompliceerde samenstelling dan andere chemische systemen die bekend zijn. Daarnaast wordt het
gedomineerd en gecoördineerd door polymeer moleculen wiens unieke eigenschappen het mogelijk
maken voor cellen en organismen om te groeien, reproduceren en alle andere levenseigenschappen
uit te voeren. Tot slot is de chemie strak gereguleerd. Cellen bevatten veel mechanismes die ervoor
zorgen dat al hun chemische reacties op de juiste tijd en plaats plaatsvinden.
Element, materie is opgebouwd uit elementen. Elementen zijn substanties zoals waterstof of
koolstof die niet kleiner afgebroken kunnen worden of omgezet kunnen worden wat betreft chemie.
Atoom, het kleinste deeltje van een element wat dezelfde eigenschappen bevat als het geheel is een
atoom. Een atoom bestaat uit een positieve kern van protonen en neutronen met daaromheen een
negatieve elektronenwolk. Deze wolk wordt op zijn plek gehouden door de elektrostatische
aantrekking tot de kern.
Molecuul, atomen kunnen samen gelinkt worden in moleculen.
Subatomic particles, er zijn 3 soorten:
- Neutron, heeft geen lading en een massa van 1 dalton.
- Proton, heeft een positieve lading en een massa van 1 dalton.
- Elektron, heeft een negatieve lading en een verwaarloosbare massa.
Atoomnummer, het aantal protonen in een cel wordt aangegeven met het atoomnummer. Alle
atomen van een bepaald element hebben hetzelfde atoomnummer en omdat een atoom altijd
neutraal is, heb je evenveel elektronen als protonen.
Radioactief verval, neutronen dragen bij een de stabiliteit van de kern en wanneer er teveel of te
weinig neutronen aanwezig zijn, kan er radioactief verval optreden.
Isotopen, een element heeft een vaststaand aantal protonen (en daardoor ook elektronen) die
aangegeven worden met het atoomnummer, maar het aantal neutronen kan soms verschillend zijn.
In dat geval spreek je van isotopen. Van nature komen er van bijna elk element meerdere isotopen
voor, waarvan sommige instabiel kunnen zijn. Denk bijvoorbeeld aan 14C. Normaal gesproken gaan
we ervanuit dat koolstof 6 protonen en 6 neutronen bevat en dan spreek je van 12C, maar koolstof
heeft dus een instabiel isotoop dat 8 neutronen bevat (14C). Dit atoom vervalt heel langzaam volgens
constante snelheid, waardoor archeologen er de leeftijd van organisch materiaal mee kunnen
bepalen.
Atoommassa, de atoommassa van een atoom of de molecuulmassa van een molecuul is relatief tot
een waterstofatoom. Zo heeft 12C een atoommassa van 12 (vandaar de 12). Op dezelfde manier heeft
14
C een atoommassa van 14. Deze massa wordt meestal uitgedrukt in dalton, waarbij 1 dalton een
atomaire massa-eenheid is die ongeveer gelijk is aan de massa van een waterstofatoom (aangezien
deze maar 1 proton bevat).
1
Getal van Avogadro, een proton of neutron weegt ongeveer 6∗1023 gram. Een waterstofatoom bevat
maar 1 proton (en heeft dus een atoommassa van 1 dalton), waardoor 1 gram waterstof 6 ∗ 1023
atomen bevat. Koolstof heeft een atoommassa van 12 en 12 gram koolstof bevat dus 6 ∗ 1023
koolstofatomen. Dit grote getal ‘6 ∗ 1023’ noemen we het getal van Avogadro en hiermee kunnen we
uitrekenen hoeveel moleculen we hebben. Als jouw substantie een molecuulmassa heeft van M, dan
bevat M gram van deze substantie 6 ∗ 1023 moleculen.
Mol, de hoeveelheid van 6 ∗ 1023 moleculen noemen we 1 mol.
Organisme, er zijn zo’n 90 elementen die van nature voorkomen op aarde. Levende organismen zijn
opgebouwd uit een kleine selectie van deze elementen: koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N) en
zuurstof (O). Deze elementen dragen bij aan 96% van het gewicht van een organisme. Deze
samenstelling verschilt van de niet-levende anorganische omgeving op aarde.
, Elektronenwolk, om moleculen op te bouwen uit atomen ondergaan de elektronen
herrangschikking. De protonen en neutronen blijven hierbij samen onveranderd in de kern (zij
ondergaan alleen verandering bij radioactief verval). Elektronen zijn continue aan het bewegen om
de kern heen en deze bewegingen vinden alleen maar in bepaalde regio’s plaats (orbits). Een orbit
kan een specifiek aantal elektronen bevatten, waardoor we ook wel van elektronschillen spreken:
- 1e schil, deze zit het dichtst bij de kern en de elektronen in deze schil worden dus het hardst
aangetrokken door de celkern. Deze schil kan maximaal 2 elektronen bevatten.
- 2e schil, deze zit al verder van de celkern af en kan 8 elektronen bevatten.
- 3e schil, kan ook 8 elektronen bevatten en deze worden alweer minder sterk aangetrokken
door de kern als de elektronen uit de 2e schil.
- 4 schil, kan 18 elektronen bevatten.
- 5e schil, kan 18 elektronen bevatten.
Atomen met meer dan 4 schillen zijn vrij zeldzaam in biologische moleculen.
Niet-reactief, een elektron wil het liefst zo dicht mogelijk bij de kern zitten, waardoor de schillen in
volgorde opgevuld worden. Als de buitenste schil van een atoom compleet gevuld is met elektronen
is het atoom erg stabiel en zat het geen reactie aangaan met andere atomen. Denk hierbij aan helium
(atoomnummer=2), neon (atoomnummer=10) en argon (atoomnummer=18). Deze 3 elementen zijn
inerte gassen.
Reactief, de atomen die je terugvindt in levende organismen hebben allemaal geen volle buitenste
schil en zijn dus reactief, waardoor ze moleculen kunnen vormen. Atomen die geen volle buitenste
schil hebben, hebben de neiging om met andere atomen te reageren waardoor ze elektronen
verliezen of ontvangen en een volle buitenste schil bereiken. Deze chemische binding kan op 2
manier tot stand komen:
- Ionbinding, hierbij staat het ene atoom elektronen af aan het andere atoom.
- Covalente binding, hierbij delen twee atomen een elektronenpaar.
Aantal binding, het aantal bindingen dat een atoom aan kan gaan, is afhankelijk
van het aantal elektronen wat die moet verkrijgen of verliezen. Dit kan dus
gebeuren door een paar te delen of door een elektron op te nemen of af te staan.
H heeft 1 atoom nodig voor een volle schil en gaat daardoor vaak een covalente
binding aan. C, N en O hebben een incomplete tweede schil en gaan ook vaak een
covalente binding aan. Tot slot zie je ook nog P en S in de tabel en zij hebben een
incomplete 3e schil die ze meestal aanvullen d.m.v. covalente bindingen. Je merkt
hier dus dat de buitenste schil van een atoom zijn chemische eigenschappen
bepaalt.
Periodiek systeem, omdat de toestand van de buitenste schil het
gedrag van een atoom bepaald, vertonen natrium (Na) en kalium (K)
hetzelfde gedrag. Zij hebben namelijk allebei een buitenste schil met
maar 1 elektronen. Verder vertonen inerte gassen ook dezelfde
chemische eigenschappen en op deze manier is het periodieke systeem
opgesteld. In de afbeelding zijn de elementen die in organismen
voorkomen gekleurd aangegeven.
Molecuul, de karakteristieken van een cel zijn afhankelijk van de
moleculen die die bevat. Een molecuul is een verzameling van atomen die bij elkaar gehouden
worden door covalente bindingen. Het simpelste molecuul wat er is, is H2 waarbij de atomen
samen één elektronpaar delen. De elektronen dichtheid is het hoogst tussen de positief
geladen kernen, waardoor de afstoting van de kernen tegengewerkt wordt en de atomen bij
elkaar blijven.
Bond length, de aantrekkings- en afstotingskrachten van twee kernen zijn in balans, wanneer
ze door de karakteristieke afstand gescheiden worden die we de bond length noemen.
Covalente binding, waar H maar 1 binding covalente nodig heeft voor een volle buitenste
schil, heeft N er 3 nodig, C 4 nodig en O 2 nodig.
