H O. Zrínyi Miklós. Víz, makromolekulák és biopolimerek. Egy különleges folyadék: a víz

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "H O. Zrínyi Miklós. Víz, makromolekulák és biopolimerek. Egy különleges folyadék: a víz"

Adrián Dudás
5 évvel ezelőtt
Látták:

SEMMELWEIS EGYETEM iofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai

tanár, az MTA levelező tagja mikloszrinyi@gmail.

Thales már Krisztus előtt 580-ban felismerte, hogy a víz minden dolgok

Kémiai összetételét először az angol Henry Cavendish határozta meg

A medúzának még 98%-a, a három hónapos magzatnak 94%-a, az újszülöttnek

Az életkor előrehaladtával a víz aránya csökken.

1 SEMMELWEIS EGYETEM iofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport Víz, makromolekulák és biopolimerek Zrínyi Miklós egyetemi tanár, az MTA levelező tagja Egy különleges folyadék: a víz A Föld felszínének 71%-át víz borítja, ez főleg sós víz. Az édesvíz 70%-a hó és jég formájában tárolódik. Thales már Krisztus előtt 580-ban felismerte, hogy a víz minden dolgok forrása. Kémiai összetételét először az angol Henry Cavendish határozta meg 1783-ban. Minden szervezet alapvető anyaga a víz. A medúzának még 98%-a, a három hónapos magzatnak 94%-a, az újszülöttnek még 72%-a, a felnőtt embernek 50-60%-a víz. Az életkor előrehaladtával a víz aránya csökken. H 2 A napi vízleadás és vízfelvétel mérlegének mindkét oldalán átlagosan 2,4 liter szerepel: ennyi víz távozik a szervezetünkből a verejtékezés, a légzés, a kiválasztás és az emésztés folyamán, amit pótolnunk kell. Napi folyadékszükségletünk mintegy felét a táplálékokkal, másik felét víz formájában vesszük magunkhoz.

Egyetlen olyan anyag, amelynek mindhárom halmazállapota megtalálható földi körülmények között (hőmérséklet és nyomás).

2,4 litert választ ki, amit táplálék- és folyadékfelvétel útján pótolnunk kell. H 2 Az elfogyasztott víz bejárja az egész szervezetet.

tárolódik, ahol leadja a benne oldott anyagokat.

2 Egyetlen olyan anyag, amelynek mindhárom halmazállapota megtalálható földi körülmények között (hőmérséklet és nyomás). Az emberi szervezet igen takarékosan bánik vízkészletével, hiszen naponta mindössze kb. 2,4 litert választ ki, amit táplálék- és folyadékfelvétel útján pótolnunk kell. H 2 Az elfogyasztott víz bejárja az egész szervezetet. Az emésztőrendszerből felszívódik a vérbe, majd az egész szervezetben szétáramlik és a különböző szervekben és szövetekben átmenetileg tárolódik, ahol leadja a benne oldott anyagokat. 0,958 A p [Pa] 22, C A p [Pa] 7, C A 101, víz P szilárd szárazjég folyadék jég víz vízgőz 610 jég gőz , gáz ,4 31,1 T [ 0 C] T [ 0 C] A víz moláris térfogata 4 C -on minimális, sűrűsége pedig maximális A víz és a szén-dioxid fázisdiagramja.

A legtöbb anyag moláris térfogata a kristályos fázisban kisebb, mint az olvadékban. Kivétel: a víz A víz egyik különlegessége, hogy moláris térfogata 8%-al csökken olvadáskor.

Mi történne, ha a víz a többi anyaghoz hasonlóan viselkedne?

folyadéké, de nagyobb a szilárdtestek és a gázok hőkapacitásánál is. Ez a víz molekulái között kialakuló számtalan H-híd kölcsönhatás következménye.

3 A legtöbb anyag moláris térfogata a kristályos fázisban kisebb, mint az olvadékban. Kivétel: a víz A víz egyik különlegessége, hogy moláris térfogata 8%-al csökken olvadáskor. Ez azt jelenti, hogy a nyomás növelése az olvadást segíti elő. jég víz jég víz Ha víz a többi folyadékhoz hasonló normális folyadékként viselkedne, nem lennének hegyi patakjaink! Mi történne, ha a víz a többi anyaghoz hasonlóan viselkedne? Víz hőkapacitása ( ) Q= C T mδt - nem lennének hegyi patakjaink, - a jég lesüllyedne a vízben, - folyók teljes egészében befagynának, A folyékony víz hőkapacitása jóval nagyobb, mint a többi folyadéké, de nagyobb a szilárdtestek és a gázok hőkapacitásánál is. Ez a víz molekulái között kialakuló számtalan H-híd kölcsönhatás következménye. A jég hőkapacitása enyhén növekszik a az olvadáspontig, majd ezen túl a folyékony víz megjelenésével a hőkapacitás nagymértékben megnő. A további hőmérsékletnövelés csak viszonylag kismérvű hőkapacitás növekedést idéz elő. A vízgőz hőkapacitása kisebb, mint a folyékony vízé. jég víz EH = 440 kj / mol Szerepe az életfolyamatokban: A metabolitikus hő hőmérséklet növelésének csökkentése. Egy 60 kg-os személy megközelítőleg 10 MJ nagyságú hőt ad le naponta, ha rendesen táplálkozik. Ez adiabatikus körülmények között 42 C -os hőmérséklet emelkedést jelent

4 A víz nagy párolgáshője miatt egységnyi térfogatban több energiát tárol, mint a többi normális folyadék. Kedveli a poláros felületeket (pl. cellulóz) (kapilláris emelkedés) Szerepe az életfolyamatokban: Hatékony hűtőfolyadék a hőmérséklet szabályzásban (izzadás). Nem kedveli az apoláros felületeket (pl. teflon) Nagy felületi feszültség γ = 72,7 mn / m 25 C -on.

Jó oldószer Figure 3.7 Jó oldószer A hézagos vízszerkezet miatt jó oldószere a gázoknak, C,.

alapján Cl Na Na Cl Miért különülnek el a kationok és az anionok?

Jó oldószer A vízmolekulák az ionok körül rendezett szerkezetű hidrát réteget hoznak létre.

Autoprotolízis Dielektromos állandó 25 C -on: 78,54 Dipólus momentum: 1,82 D A különbözű

permittivitásának) növelésével csökkennek.

5 Jó oldószer Figure 3.7 Jó oldószer A hézagos vízszerkezet miatt jó oldószere a gázoknak, C,.... ( ) 2 2 jég A jól elegyedik poláros molekulákkal CH CH H ( ) 3 2 Mengyelejev szabadalma alapján Cl Na Na Cl Miért különülnek el a kationok és az anionok? A Coulomb törvény talán nem érvényes? Jó oldószer A vízmolekulák az ionok körül rendezett szerkezetű hidrát réteget hoznak létre. Ezt a folyamatot hidratációnak nevezzük. Autoprotolízis Dielektromos állandó 25 C -on: 78,54 Dipólus momentum: 1,82 D A különbözű előjelű töltések közt ható erők a közeg dielektromos állandójának (relatív permittivitásának) növelésével csökkennek. A nagy dielektromos állandójú víz az ionok kölcsönhatásának energiáját több mint 80-ad részére csökkenti. Ez a nagymérvű energia csökkentés felelős a víz kiváló oldó hatásáért. 2 H 2 Hydronium Hydroxide ion H(H 3 ion (H 3 ) ) 14 K v = 10 ph hidroxonium ion mol / dm hidroxid ion mol / dm

Gastric juice, lemon juice 3 Vinegar, wine, cola 4 Tomato juice eer lack coffee 5 Rainwater 6 Urine Saliva 7 Pure water Human blood, tears 8 Seawater Inside of small intestine 9 10 Milk of

Hermann Staudinger (1881-1962) The Nobel Prize in Chemistry 1953 Makromolekulák szerkezetét kialakító kémiai kötések minden tekintetben egyenértékűek a kismolekulájú anyagok hasonló kémiai

6 Figure 3.10 H H H H H H H H H H Acidic solution H H H H H H H H H H Neutral solution H H H Neutral [H ] = [H ] Increasingly asic Increasingly Acidic [H ] < [H ] [H ] > [H ] ph Scale 0 1 attery acid 2 Gastric juice, lemon juice 3 Vinegar, wine, cola 4 Tomato juice eer lack coffee 5 Rainwater 6 Urine Saliva 7 Pure water Human blood, tears 8 Seawater Inside of small intestine 9 10 Milk of magnesia 11 H H Household ammonia H H H H 12 asic solution Household 13 bleach ven cleaner 14 Makromolekulák Kolloid asszociátumok, vagy kovalens kötésű molekulák? Hermann Staudinger ( ) The Nobel Prize in Chemistry 1953 Makromolekulák szerkezetét kialakító kémiai kötések minden tekintetben egyenértékűek a kismolekulájú anyagok hasonló kémiai környezetben lévő kötéseivel. Valamennyi elem közül a szén az egyetlen, amelynek atomjai korlátlan számban kapcsolódhatnak közvetlenül egymással, a létrejövő molekulák stabilitásának csökkenése nélkül. Kötési energiák és a molekulák stabilitása Kötési energiák; kj/mol Szerves és szervetlen polimerek bond Energy kj/mol C-C 345 C- 350 C-N 290 C-P 265 Si-Si 226 Nagyobb kötési energia erősebb kötés! poliszilán Nem stabil!

kötés Energia kj/mol C-C 345 Si-H 395 Si-Si 226 SiH4 Si5H12 stabil molekula igen bomlékony Polimerek

szintetikus biopolimer kötés Energia kj/mol C-C 345 Si- 370 PDMS kötés Energia kj/mol C- 350 C-N 290

7 kötés Energia kj/mol C-C 345 Si-H 395 Si-Si 226 SiH4 Si5H12 stabil molekula igen bomlékony Polimerek és makromolekulák óriás molekulák! szintetikus biopolimer kötés Energia kj/mol C-C 345 Si- 370 PDMS kötés Energia kj/mol C- 350 C-N 290 monomer egység Monomer egységek száma: N P- 350 A leghosszabb makromolekula a DNS : Néhány méter is lehet! RNA DNA 10 < N < Monomerek Monomer egységek Monomerek Monomer egységek H 2 C CH 3 Propylene H 2 C C H 3 CH 3 H 2 C H 2 C C H 2 CH 3 CH 3 H CH 3 CH 2 CH 3 H 2 C CH 2 CH 3 H 2 C CH 2 Isobutylene Acrylic acid Methacrylate Vinylacetate Vinylmethylether utadiene Isoprene

Homopolimer A A A A A A A A A A A A Monomer egységek

polimerek iopolimerek Anionos Kationos DNS: négy

8 Homopolimer A A A A A A A A A A A A Monomer egységek Kopolimer nomenklatura A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A C A A A A C A A A blokkos alternáló statisztikus graftolt Kopolimer példák Polielektrolitok Szintetikus polimerek iopolimerek Anionos Kationos DNS: négy különböző monomer egység fehérjék: húsz különböző aminosav aminosavak

9 Polielektrolitok Elágazó polimerek Anionos Kationos Térhálós polimerek Molekuláris kölcsönhatások Vulcanised rubber IPN Interpenetrated network

10 Polimerek szerkezete Harmadlagos szerkezet (globuláris fehérjék): Konstitució Elsődleges szerkezet: konfiguráció konformáció Human s genom project: complete primary structure of a human s DNA molecule 2 if N ~10 and 20 different monomer units, then different molecules! Másodlagos szerkezet: Azonos konformációjú egységek rendezett strukturája! Pl. keratin, fibroin Negyedleges szerkezet (több fehérjéből álló komplex egység): α helix β structure Polimer láncok hajlékonysága Hajlékony láncú polimerek kaucsuk, polyisoprene szilikon gumi, polidimetilsziloxán A rotáló egységek közötti távolság növelése kedvez a hajlékonyságnak!

11 Merev polimer láncok Hajlékonyláncú polimerek A láncokon belüli és a láncok közötti H-hídak merevítik a szerkezetet. Tipikus konformációja a statisztikus gombolyagnak. Hajlékony polimerek modeljei Ideális makromolekula Analógia a bolyongás és a konformáció között. r N s r = r i= 1 i 2 < r > 0 < r >= 0 d blob Ns Ns Ns N s Ns 2 2 i j i i j s s i= 1 j= 1 i= 1 i< j i< j cosα ij 2 2 r = r r = r 2 rr = Na 2 a Ro < r > 2 1/2 R = an 1/2 0 s s

12 Rövidtávú kölcsönhatások (kémiai szerkezet) Vegyérték szög R ϑ 1 cosϑ = l 1 cosϑ 12 /. N 12 / Vegyérték szög Rotációs energia R ϑϕ, Idaális makromolekula cosϑ < cosϕ > = cosϑ 1< cosϕ > 12 / N 12 / π U ( ϕ ) RT < cosϕ >= cos ϕ. e dϕ π bolyongás random walk (RW) önelkerülő bolyongás self avoiding walk (SAW) 1/2 RΘ = l C N = C R 0 R = l C N = a N Θ 1/2 1/2 s s R = a N 12 / 0 s s 0 s s R = an ν ν = / 5 Karakterisztikus arány Kizárt térfogat hatás!

Hasonló dokumentumok

Milyen szerepet játszik a szövetek akusztikus impedanciája az ultrahang-diagnosztikában?

Milyen szerepet játszik a szövetek akusztikus impedanciája az ultrahang-diagnosztikában? 1 SEMMELWEIS EGYETEM Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport Biológiai rendszerek különleges