2. 1. 1. Szervetlen és szerves alkotóelemek – Biogén elemek

A témakörhöz tartozó feladatokat és számításokat itt találod.

Elemek, ionok

Bevezetőként nézz bele ebbe a biológiaórába /-előadásba:

• Biogén elemek: az élő szervezeteket felépítő kémiai elemek
  • A természetben található 90 elemből ez kb. 30
  • Elsődleges biogén elemek:
    • A szerves vegyületek tömegének több mint 95%-át alkotják
    • 4 elem: H, O, C, N
    • Jellemzőik:
      • Kicsi atomsúly, atomméret ànagy számban kapcsolhatók össze
      • Változatos molekulákat hoznak létre
      • Erős kovalens kötés, MERT kicsi méret és nagy EN -> stabil molekulák
      • Többszörös kötések kialakítására képesek
  • Másodlagos biogén elemek:
    • A szerves vegyületekben kb. 1-2%-ban jelen lévő elemek
      • P, S, Fe, Mg, Na, K, Ca, Cl
  • Mikroelemek:
    • Nyomelemek, a szerves vegyületekben néhány ezrelékben találhatóak meg
      • Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Cr
• Szerepe az élő szervezetben:
  • Relatív gyakoriságuk a földkéregben ill az élő szervezetben eltérő

	Földkéreg	Emberi szervezet
H	0%	61,3%
O	62,5%	25,2%
C	0,1%	10,5%
N	0,00001%	2.42%

• Élő szervezetekben és élettelen környezetben a biogén elemek megjelenési formája eltérő

	Élettelen környezet	Élő szervezet
C	CO, CO2, CaCO3, HCO3–, CO32-	Szerves vegyületek
O	O2, H2O, szilikátok, karbonátok	Szerves vegyületek
H	H2O	Víz, szerves vegyületek
N	N2, nitritek, nitrátok, ammónia	Fehérjék, nukleinsavak

• A biogén elemek előfordulása:
  • C: szerves vegyületek alkotója
  • H: víz és szerves vegyületek alkotója
  • O: víz és szerves vegyületek alkotója
  • N: fehérjékben és nukleinsavakban
  • S: fehérjékben (cisztein, metionin aminosavakban)
  • P: nukleinsavakban, foszfolipidekben, gerincesek csontjaiban
  • I: a pajzsmirigyben termelődő tiroxin hormon felépítésében vesz részt
  • F: csontokban, fogzománcban található, fluorapatidokban (Ca₅(PO₄)₃F)
  • Si: SiO₂ formájában kovaszivacsokban, zsurlók sejtfalában, kovamoszatokban fordul elő, szilárdíó vázanyag
• Ionok természetes előfordulása:
  • Általánosságban: a különféle ásványi anyagok ionjai többnyire oldott állapotban fordulnak elő
    • Természetes vizekben
    • Sejtplazmában
    • Különféle testnedvekben (vér, szöveti folyadék, nyirok)
  • H⁺: testnedvek (növényekben, állatokban)
    • Citoplazma pH-jának meghatározója
    • 0-7-ig savas, 7 semleges, 7-14-ig lúgos kémhatást határoz meg
  • Ca²⁺: csontokban
    • Idegsejtek működése
    • Izomműködés
    • Véralvadás
  • Mg²⁺: klorofill
    • Izmok
    • Csont
  • Fe^{2+, 3+}: hemoglobin
    • Citokróm
  • Na⁺: testnedvek szabad kationjai
  • K⁺: testnedvek szabad kationjai
  • Cl^–: testnedvek szabad anionjai
  • HCO^3-:széndioxid vízben való oldódásakot keletkezik: (CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^– = H⁺ + CO₃^2-)
    • Előfordulása:
      • Természetes vizekben
      • Testnedvekben
      • Vízi növények fotoszintéziséhez a széndioxidot ilyen formában veszik fel
  • CO₃^2-: a széndioxid vízben való oldódásakor keletkezik
  • NO₃^–: vizekben, talajoldatban fordulnak elő
    • A növények legfontosabb N-forrásai
  • NO₂^—: vizekben, talajoldatban fordulnak elő
    • A növények legfontosabb N-forrásai
  • PO₄^3–: vizekben, talajoldatban fordulnak elő
    • A növények legfontosabb P-forrásai
    • A csontok szilárd, szervetlen állományának fő alkotói, mint különféle apatitok (Ca₅(PO₄)₃^–)

Feladatok, feladatok, feladatok!!

Szervetlen molekulák

• Víz jelentősége az élővilágban
  • Élőlények hozzávetőleges víztartalma

Élőlények	%	Szövet	%
Felnőtt nő	55	Csontváz	32
Felnőtt férfi	65	Bőr	65
Csecsemő	74	Agy	73
Éti csiga	84	Izomzat	80
Medúza	98

• Dipólusos szerkezetű
  • Nagy az elektronegativitás-különbség a kapcsolódó atomok között
  • A molekula asszimetrikus, V-alakú, a kötésszög kb 105°
  • A molekulák közötti kötések H-kötések, ezért
    • Magas olvadás- és forráspont
    • Nagy hőkapacitás
    • Nagy párolgáshő
    • Fagyáskor a halmaz térfogata nő
  • Biológiai szerepe:
    • 1. Poláris oldószer
      • Poláris vegyületeket hidratációval oldja
      • Ionrácsos vegyületeket elektrolitos disszociációval oldja
      • Amfipatikus vegyületeket micellaképződéssel oldja
      • Mindazon vegyületek jól oldódnak vízben, melyek H-kötésra képesek
    • 2. Reakciópartner
      • Hidrolízis során egy nagyobb molekula víz belépésével kisebb molekulákra bomlik
      • Kondenzáció során kisebb molekulák víz kilápásável nagyobb molekulákká egyesülnek
    • 3. Reakcióközeg
    • 4. Szállítóközeg
      • A vízben oldott anyagokat szállítja, pl vér
    • 5. Szerkezet meghatározó
      • Sejtek alakjának meghatározója
      • Lágyszárú növények, puhatestűek testalakjának meghatározója
    • 6. Fontos fizikai-kémiai folyamatok
      • Diffúzió
        • Koncentrációkülönbség hatására a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb felé irányuló, spontán végbemenő anyagtranszport
        • Példák:
          • Az oxigén belépése a tüdőből a hajszálerekbe, a hajszálerekből a szöveti sejtekbe
          • A diffúz légzésű állatoknál a kültakarón át a testbe
          • A széndioxid diffúziójának iránya az oxigénnek ellentétes
      • Ozmózis
        • Az oldószer féligáteresztő (szemipermeábilis) hártyán keresztül végbemenő diffúziója
        • Példák:
          • A növények vízfelvétele a talajból
          • A vesében a víz mozgása
          • A bélcsőben a víz felszívódása

• Kísérlet ozmózishoz:
  • Egy üvegedénybe desztillált vizet öntünk, majd ebbe belehelyezünk egy üvegcső végére kötözött, cukoroldatot –szacharóz – tartalmazó celofánzsákot
  • A kísérlet kezdetén az üvegkádban levő víz szintje és az üvegcsőben található cukoroldat vízszintje megegyezik
  • Néhány óra múlva: az üvegcsőben levő oldat szintje megemelkedik
  • Magyarázat:
    • Koncentrációkülönbség a rendszerben
    • A cukor diffúzióját a féligáteresztő hártya megakadályozza
    • A diffúzió a vízmolekulákat a zsák belseje felé hajtja, a zsák folyadékszintje emelkedni fog
    • A szintemelkedés megáll -> az emelkedő folyadékoszlop nyomása és a bent lévő egyre több vízmolekula fokozza a kilépés sebességét addig, amíg a kilépés és belépés kiegyenlítődik -> dinamikus egyensúlyi állapot
• Szén-dioxid jelentősége az élővilágban
  • Üvegházhatású gáz
  • A légkörbe kerül:
    • Szén és széntartalmú anyagok égése
    • Állatok, növények és mikroorganizmusok légzése során keletkezik
    • Ipari folyamatok során keletkezik
  • Szilárd halmazállapot: szárazjég àhűtőipar, szublimál
  • A szén körforgása:
    • A növények megkötik a levegő széndioxidját (asszimiláció)
• Ammónia jelentősége az élővilágban
  • Levegő, meteoros csapadékok, talaj, ásványos vizek, növényi és állati szervezetek
  • A levegőbe a föld felületéről, párolgás útján jut àelektromos kisülések, égési folyamatok révén keletkezett szénsavval, salétromsavval vegyülve e savak ammóniumsói alakjában a csapadékokba kerül
  • Talajban:
    • Vulkánok (klorid és szulfát alakban)
    • Égő széntelepek közelében
    • Szerves anyagok rothadási termékében (guanó, bűzös gázok)
  • Növényekben, állati szervezet: vér, szövetek, vizelet, kilélegzett levegő
• A biogén elemek kimutatása
  • A szerves vegyületek minőségi analízise során a minta kis részletének elégetésekor keletkezett égéstermékeket – gázokat, hamut – vizsgáljuk
  • Bármely szerves vegyület elégetésekor az anyag széndioxiddá, hidrogéntartalma vízzé oxidálódik

• A szén-dioxid kimutatása meszes vízzel
  • A fejlődő szén-dioxid gázt meszes vízbe vezetjük, mely a keletkező, rosszul oldódó kalcium-karbonáttól megzavarosodik
  • CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃ + H₂O
• Hidrogén kimutatása:
  • A kémcső hidegebb részein páracseppek csapódnak le
  • A szerves vegyületek hidrogénjének oxidációja

• Nitrogén kimutatása:
  • A szerves vegyületek nitrogéntartalma nátrium-hidroxiddal ammóniává alakítható
  • Lakmusz indikátorral (kékre változik) az ammónia lúgos kémhatása kimutatható

• Kén kimutatása:
  • A szerves vegyületek kéntartalmát nátrium-hidroxiddal melegítve szulfid-ionokká alakítjuk
  • Ólom-nitráttal fekete ólom-szulfid csapadékká alakul
  • S^2- + Pb(NO₃)₂ = PbS + 2 NO₃^–

• Vas kimutatása:
  • A szerves hamuból a vasat salétromsav mellett kálium-rodaniddal lehet kimutatni
  • Vörös színű vas-rodanid keletkezik
  • Fe(NO₃)₃ + 3 KSCN = Fe(SCN)₃ + 3KNO₃
• Biogén elemek kimutatása:

	Kísérlet	Tapasztalat	Magyarázat
C	Szerves anyagot izzítunk, a keletkező gázt meszes vízbe vezetjük	A meszes víz megzavarosodik	CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3 + H2O
H	Szerves anyagot izzítunk és a keletkező gáz útjába kobaltpapírt helyezünk	A kék színű kobaltpapír rózsaszínűvé válik	Co2+(sz) + H2O -> Co2+(aq)
	Szerves anyagot izzítunk és a fejlődő ház útjába hideg üveglapot helyezünk	A hideg üveglapon vízcseppek jelennek meg	A keletkezett víz kondenzálódik a hideg üveglapon
N	Fehérjét lúggal melegítünk (lúgos hidrolízis), és a képződő gázt Nessler-reagensbe vezetjük	A reagens megsárgul	NH3 + Nessler-reagens (K2(HGI4)) -> sárgásbarna szín
	Szerves anyagot lúggal (NaOH) melegítünk és a felszabaduló gáz útjába nedves piros lakmuszpapírt teszünk	A piros lakmuszpapír megkékül	NH3 + H2O -> NH4OH a felszabaduló ammóniától lúgos kémhatás
S	Ólom-acetátot adunk fehérjeoldathoz, majd lúggel melegítjük a fehérjét (lúgos hidrolízis)	Az oldat színe feketedik (PbS)	S2- + Ab(Ac)2 -> PbS + 2CH3COOH
	Az élő anyagból kivont és leszűrt oldathoz bárium-kloridot adunk	Fehér, porszerű csapadék keletkezik	SO42+ + BaCl2 -> BaSO4
P	Fahamuhoz savat (HNO3) adunk (feltárás), melegítjük, majd leszűrve ammónium-molibdátot cseppentünk hozzá (~[(NH4)2MoO4])	Az oldat színe megsárgul (sárga bipiramis kristályok jelennek meg)	~[(NH4)2MoO] -> (NH4)3[P(Mo3O10)4] sárga kristály (ammónium-foszfo-molibdenát)
Fe	Fahamuhoz savat (HNO3) adunk (feltárás), melegítjük, majd leszűrve kálium-rodanidot adunk a szűrlethez	Az oldat színe megvörösödik [Fe(SCN)3]	Fe3+ + 3KSCN -> FE(SCN)3 + 3K+
	Fahamut HNO3-val melegítünk (feltárás) majd kálium-ferrocianidot adunk hozzá	K4[Fe(CN)6] -> kék szín (berlini kék)	4Fe3+ + 3K4[Fe(CN)6] -> Fe4[Fe(CN)6]3 + 12K + kék szín
Ca	Az élő anyag kivonatához kálium-oxalátot adunk	Fehér csapadék keletkezik [Ca(COO)2]	Ca2+ + K2(Coo)2 -> Ca(COO)2 + 2K+
	Fahamut HCl-val melegítünk (feltárás), majd kénsavoldatot adunk hozzá	Kénsavoldat -> fehér csapadék	Ca2+ + H2SO4 -> CaSO4 + 2H+ fehér csapadék (gipsz)
Cl-	Az élő anyag kivonatához ezüst nitrátot adunk	Fehér, porszerű csapadék jelenik meg (fényre sötétedő) (AgCl)	Cl- + AgNO3 -> AgCl + NO3–