Adenozynotrifosforan?: Co ma chemia do biologii?

Ano dużo...

Jeżeli ktoś ma jakieś wątpliwości na temat odrębności tych przedmiotów, od razu mówię: tego nie da się rozdzielić. I na egzaminie też tego nie zrobią. Nawet z nowym podziałem na biologię, chemię, fizykę i geografię mogą się trafić "mieszane" zadania.

Po pierwsze, zapamiętać raz na zawsze, że dwutlenek węgla, tlenek węgla(IV) czy CO2 (wszystko jedno i to samo) powoduje mętnienie wody wapiennej, jest niepalnym gazem, nie podtrzymuje spalania i jest produktem spalania całkowitego. Jeżeli w obserwacjach jest napisane, że "woda wapienna zmętniała", to jest to równoznaczne ze stwierdzeniem "wydzielił się dwutlenek węgla". I nie ma innej możliwości.

Jak już jesteśmy przy spalaniu, to wyjaśniam: łatwo skojarzyć, że spalają się związki zawierające węgiel. Pomijamy tu tylko związki nieorganiczne: tlenek węgla(II) CO, tlenek węgla(IV) CO2 i kwas węglowy H2CO3, zostają więc związki organiczne. Węglowodory - palne. Alkohole - palne. Kwasy karboksylowe - palne. Do spalania potrzebny jest tlen, ale o tym później:

produktami spalania całkowitego są dwutlenek węgla CO2 i woda w postaci pary wodnej H2O. Jak już jesteśmy przy parze wodnej: woda w stanie gazowym jest niewidoczna, "para" unosząca się z czajnika to już woda w stanie ciekłym, nie gazowym. Łatwo to zauważyć, ponieważ nad samą powierzchnią wody nie dostrzegamy nic - najpierw woda paruje, a następnie pod wpływem chłodnego powietrza skrapla się, krople są jednak zbyt małe, aby opaść na ziemię. Tak samo jest z mgłą.

Parowanie wody w chłodny dzień.

Wracając do tematu, za przykład weźmy występujący m. in. w kopalniach węgla kamiennego metan:

Spalanie całkowite metanu:
CH4 + O2 --> CO2 + H2O

spalanie niecałkowite możemy podzielić na półspalanie i spalanie niecałkowite. Produktem półspalania jest trujący tlenek węgla(II), który trwale wiąże się z hemoglobiną oraz para wodna; produktem spalania niecałkowitego jest węgiel, czyli sadza i znowu para wodna.

        Półspalanie metanu:
        CH4 + 1,5O2 --> CO + 2H2O | x2
        2CH4 + 3O2 --> 2CO + 4 H2O

Spalanie niecałkowite metanu:

CH4 + O2 --> C + H2O

Wiem, że to już w ogóle chemia, ale pod wpływem szału pracy napiszę jeszcze ogólnie o spalaniu. Powołując się na definicję z podręcznika, spalanie to gwałtowne utlenianie przebiegające z wydzieleniem światła i ciepła. Spalanie to gwałtowne utlenianie. Na prostym przykładzie: w zadaniu napisane jest "spalono tlenek siarki(IV)". Dwutlenek siarki ma wzór SO2, siarka jest czterowartościowa. W układzie okresowym leży w grupie 16., jej maksymalna wartościowość wynosi więc VI. To właśnie dzieje się podczas spalania - czterowartościowa siarka utlenia się do sześciowartościowej siarki przyłączając tlen:

2SO2 + O2 --> 2SO3

Zatrucie tlenkiem węgla

Bardzo często w źle wentylowanych pomieszczeniach, w których znajdują się piecyki gazowe, dochodzi do spalania niecałkowitego gazu, w którego wyniku powstaje tlenek węgla(II), czyli związek chemiczny potocznie nazywany czadem. Jest on trującym gazem. Znajdujący się w powietrzu tlenek węgla(II) dostaje się do płuc, a potem do krwi. Wówczas hemoglobina, zamiast łączyć się z tlenem i przenosić go, łączy się z CO. Tlenek węgla(II) jest transportowany do każdej komórki. W rezultacie następuje niedotlenienie całego organizmu. Jedynym ratunkiem od śmierci przez zaczadzenie jest natychmiastowa transfuzja krwi lub umieszczenie pacjenta w komorze hiperbarycznej z podwyższonym ciśnieniem tlenu.

Jak już tak skaczę po tematach, to wykresik w prezencie:

Transfuzja krwi. Wniosek z tego taki, że 0 jest najlepszym dawcą, a AB najlepszym biorcą.

Kolejna jest glukoza - C6H12O6. Czy jest alkoholem? Wróćmy na chwilę do chemii. Alkohole to pochodne węglowodorów zawierające grupę hydroksylową -OH. Skąd ta grupa hydroksylowa? Ano stąd, że wodę - H2O - można rozpisać na H-OH. Mniejsza z tym, jak powstają te alkohole, w końcu to bioloblog, wystarczy wiedzieć, że mają zawierać wyżej wymienioną grupę funkcyjną. A jak mamy wzór strukturalny, to już niewiele do szczęścia potrzeba:

Glukoza - zaznaczone grupy funkcyjne - grupy hydroksylowe

Glukoza jest więc alkoholem.

Powietrze - zacytuję tu Vademecum przygotowujące do egzaminu gimnazjalnego:

Powietrze jest mieszaniną jednorodną, w której skład wchodzą pierwiastki i związki chemiczne w stanie gazowym.

Skład powietrza

Składnikami zmiennymi powietrza są argon, para wodna i tlenek węgla(IV), czyli dwutlenek węgla. W górnych warstwach atmosfery w minimalnych ilościach występuje wodór. Natomiast po burzy w powietrzu można stwierdzić obecność ozonu.

Rozdział składników powietrza

Powietrze jest mieszaniną jednorodną. Składniki powietrza różnią się temperaturą wrzenia, dlatego powietrze można rozdzielić za pomocą destylacji. W tym celu powietrze skrapla się przez zwiększenie ciśnienia i obniżenie temperatury. Podczas parowania skroplonego powietrza ulatnia się najpierw azot (jego temperatura wrzenia wynosi -196 stopni C), argon (temp. wrzenia -186 stopni C) a następnie tlen (temp. wrzenia -183 stopnie C).

Azot

Azot jest głównym składnikiem powietrza. W temperaturze pokojowej jest bezbarwnym i bezwonnym gazem. Azot zestalony jest biały. Bardzo trudno rozpuszcza się w wodzie. Jest gazem o małej aktywności chemicznej. Nie pali się, nie podtrzymuje spalania, trudno łączy się z innymi pierwiastkami. [...]

Wpływ azotu na organizm człowieka

Podczas oddychania wciągamy do płuc nie tylko tlen, ale również azot. Nie odczuwamy żadnych dolegliwości, ponieważ ten pierwiastek jest obojętny dla organizmu człowieka. Problem może jednak się pojawić, gdy gwałtownie zmienia się ciśnienie z wysokiego na niskie. Wtedy rozpuszczony we krwi azot tworzy drobne pęcherzyki, powodując zatory w naczyniach krwionośnych. Efektem tego są bóle i zawroty głowy, zaburzenia ruchu, podwójne widzenie, bóle uszu i zatok. Są to objawy choroby kesonowej, zwanej również chorobą nurków lub chorobą dekompresyjną. Mogą one być tym większe, im szybszy był powrót do ciśnienia atmosferycznego. Wtedy mogą pojawić się bóle brzucha, wymioty, porażenie mięśni kończyn, zapaść i utrata przytomności. Następstwem choroby może być głuchota, a nawet śmierć.

Aby uniknąć problemu związanego z chorobą kesonową, w butlach aparatów tlenowych nurków zamiast czystego powietrza umieszcza się tzw. powietrze helowe. Taka mieszanina zawiera również 21% tlenu, ale zamiast azotu jest hel. Powietrze helowe pozwala na uniknięcie choroby kesonowej, ponieważ hel bardzo słabo rozpuszcza się we krwi.

Rola azotu w przyrodzie

Azot jest pierwiastkiem, który odgrywa bardzo ważną rolę w rozwoju roślin. Różne rośliny potrzebują azotu w różnych dawkach. Aby sprawdzić, czy gleba jest bogata w azot, wystarczy zaobserwować, jakie rośliny na niej występują. Niektóre gatunki do prawidłowego rozwoju potrzebują bowiem dużo azotu, inne zaś - bardzo mało. Jeśli na badanym obszarze rośnie skrzyp, szczaw lub jaskier, to oznacza, że gleba jest uboga w azot. Jeżeli ten obszar użyźnimy nawozami azotowymi, te roślina zaczną obumierać, a w ich miejsce pojawią się podbiał, koniczyna, rumianek i krwawnik. Dalsze nawożenie spowoduje, że wyrośnie pokrzywa, mniszek lekarski, komosa i bylica. Rozwój tych ostatnich dowodzi, że gleba jest bogata w azot.

Tylko nieliczne organizmy potrafią asymilować azot z atmosfery. Należą do nich rośliny motylkowe. Przyswajają one azot z powietrza dzięki symbiozie z bakteriami, które znajdują się w brodawkach korzeniowych.

1. Mniszek lekarski 2. Skrzyp polny 3. Szczaw i jego owocniki 4. Bakterie azotowe i brodawki korzeniowe

Tlen - najważniejszy składnik powietrza

Tlen jest niezbędny dla większości znanych form życia na Ziemi. Jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie. Występuje w stanie wolnym. Jest to możliwe dlatego, że ten pierwiastek łączy się z innymi substancjami dopiero w podwyższonej temperaturze (reakcja utleniania).

Ozon O3

Odmianą tlenu jest ozon. Ma charakterystyczny zapach i bladoniebieską barwę. W wodzie rozpuszcza się lepiej niż tlen. Jest cięższy od tlenu. Skroplony ozon ma barwę ciemnoniebieską, a zestalony jest prawie czarny. Stosuje się go do identyfikacji powietrza i wody. Niektóre substancje organiczne zapalają się samorzutnie w atmosferze ozonu. W większych stężeniach ten gaz jest szkodliwy dla organizmu człowieka. W atmosferze ziemskiej występuje w dwóch obszarach:

-przy powierzchni Ziemi (przyziemna warstwa ozonowa),

-w dolnych warstwach stratosfery (ozonosfera), gdzie stanowi powierzchnię ochronną dla życia na Ziemi.

Tlenek węgla(IV), czyli dwutlenek węgla

Tlenek węgla(IV) jest zmiennym składnikiem powietrza. Jest konieczny do życia roślin, ponieważ bierze udział w procesie fotosyntezy. Jednak z upływem czasu obserwuje się wzrost stężenia tego gazu w atmosferze.

Inne składniki powietrza

W powietrzu oprócz azotu, tlenu, tlenku węgla(IV) znajdują się para wodna, wodór i gazy szlachetne (hel, neon, argon, ksenon i radon).

Gazy szlachetne znajdują się w grupie 18. Na ostatniej powłoce mają 8 elektronów, czyli oktet elektronowy.

Para wodna

Para wodna w największej ilości występuje w strefie kontaktu powietrza z powierzchnią zbiorników wodnych oraz z górną granicą szaty roślinnej. Ze wzrostem wysokości zawartość pary wodnej w powietrzu maleje. Ilość pary wodnej w powietrzu zależy również od pogody.

Woda w przyrodzie ulega ciągłym przemianom. Paruje ze zbiorników wodnych, gleby i roślin, skrapla się i opada w postaci deszczu, śniegu lub gradu, a następnie spływa do zbiorników wodnych, przechodzi ze stany stałego w stan gazowy (sublimacja) lub ze stanu gazowego w stan stały (resublimacja).

Obieg wody w przyrodzie

Wodór

Wodór występuje w powietrzu w niewielkiej ilości. Jest gazem bezbarwnym i bezwonnym. Jest lżejszy od powietrza - to najlżejsza substancja występująca w przyrodzie. Wodór to gaz łatwopalny - czysty spala się spokojnie bladoniebieskim płomieniem. Zmieszany z powietrzem (również z tlenem) spala się wybuchowo, czemu towarzyszy charakterystyczny odgłos. [To również jest cecha pozwalająca rozpoznać ten gaz.] Wodór tworzy z większością pierwiastków związki chemiczne.

Zastosowanie wodoru: 1. Paliwo do rakiet 2. Palniki wodorotlenowe 3. Produkcja: a) margaryny b) amoniaku c) kwasu solnego.

Jeszcze jedna rzecz związana z powietrzem...

Rozpad ozonu powodują freony. Przebiega on następująco: ozon O3 rozpada się do cząsteczki tlenu O2 i tlenu atomowego [O], freony powodują więc niszczenie powierzchni ochronnej dla życia na Ziemi. Freon zawierają różnego rodzaju aerozole.

Kwaśne deszcze

Znowu chemia - jak powstają kwasy? W tym przypadku chodzi o połączanie wody z tlenkiem kwasowym, np. tlenkiem siarki lub węgla. Tlenek siarki(IV) SO2 i tlenek węgla(IV) CO2 tworzą odpowiednio kwas siarkowy(IV) H2SO3 i kwas węglowy H2CO3, czyli kwasy słabe. Kwas mocny tworzy tlenek siarki(VI) SO3 - powstaje kwas siarkowy(VI) H2SO4.

Kwas mrówkowy

Właściwie kwas metanowy o wzorze sumarycznym HCOOH. Jego nazwa zwyczajowa pochodzi od substancji, w której wykryto go po raz pierwszy - w jadzie mrówek. Występuje również w jadzie pszczół oraz w liściach pokrzywy. Kwas mrówkowy jest substancją parzącą (rany powstałe na skutek poparzenia tym kwasem trudno się goją) oraz silną trucizną. Jest bezbarwną cieczą o ostrym, duszącym zapachu. Dobrze rozpuszcza się w wodzie.

Zastosowania kwasu mrówkowego:

Garbarstwo - kwas metanowy stosuje się jako środek zmiękczający podczas wyprawiania skór;
Pszczelarstwo - kwas metanowy jest pomocny w zwalczaniu pasożytów pszczół;
Konserwacja żywności - właściwości bakteriobójcze kwasu metanowego wykorzystuje się do przedłużania trwałości karmy (a) oraz do dezynfekcji beczek, w których przechowuje się wino i piwo (b); stosowany w przemyśle spożywczym środek konserwujący oznaczony symbolem E-236 (c) to kwas metanowy, zabezpiecza on przed bakteriami i grzybami różne produkty spożywcze, np. wędzone ryby;
Przemysł kosmetyczny - kwas metanowy stosuje się do produkcji preparatów przeciwłupieżowych.

Wykrywanie skrobi - doświadczenie z płynem Lugola

Substancje zawierające skrobię pod wpływem płynu Lugola zabarwiają się na granatowo. Płyn Lugola to roztwór jodu w jodku potasu I2/KI.

Naturalne zabarwienie płynu Lugola jest żółtopomarańczowe.

CIEKAWOSTKI

Naturalny polimer

Polimerem naturalnym, stosowanym dawniej m.in. w medycynie ludowej, jest pajęczyna. Nić pajęcza zawdzięcza swoją niezwykłą wytrzymałość szczególnym warunkom, w których zachodzi polimeryzacja białek, z których jest zbudowana.

Preparaty biologiczne

Z metanolu CH3OH produkuje się formalinę, substancję konserwującą preparaty biologiczne.

Wpływ etanolu C2H5OH na białko jaja - DOŚWIADCZENIE

Pod wpływem etanolu białko jaja ścina się. Etanol niszczy strukturę białka, które jest podstawowym budulcem każdego organizmu.

Każda ilość etanolu działa toksycznie na rozwijający się organizm. Dlatego spożywanie alkoholu jest niedozwolone dla dzieci i młodzieży.

Karoteny - barwniki występujące m.in. w korzeniach marchwi i pomidorach - należą do grupy węglowodorów nienasyconych o 40 atomach węgla i kilku wiązaniach podwójnych w cząsteczce. Są one związkami nietrwałymi, rozkładają się pod wpływem światła, dlatego nigdy nie suszy się na słońcu np. ziół leczniczych, które zawierają karoteny.

Najpopularniejszy z karotenów: ß-karoten - czyli prowitamina A, ulega w wątrobie przekształceniu w witaminę A. Nazywa się ją często witaminą wzrostu, ponieważ pobudza rozwój młodych organizmów. Brak tej witaminy w organizmie powoduje uszkodzenie wzroku i utrudnia gojenie się ran, dlatego obecność karotenu w pożywieniu jest nieodzowna.

Karoteny i inne barwniki naturalne są często rozpowszechnione w przyrodzie. Występują w mleku, maśle i wątrobie zwierząt, wpływają też na ubarwienie organizmów.

1. Źródłem karotenu są: marchew, pomidory, dynie, sałata, szpinak, brokuły, czerwona papryka, melony. 2. Na różowe zabarwienie piór flamingów wpływają barwniki, które trafiają do ich organizmu wraz z pożywieniem. U młodych ptaków pojawia się ono dopiero około 3-4 roku życia. Kolor piór blednie, gdy zmniejsza się zawartość barwników w organizmie ptaków.

Tioalkohole (inaczej tiole lub merkaptany), związki chemiczne o grupie funkcyjnej - tiolowej (-SH), powstają, gdy atomy tlenu w cząsteczce alkoholu zostaną zastąpione atomami siarki. Występują m.in. w wydzielinie skunksa. Ich zapach jest bardzo nieprzyjemny i wyczuwalny nawet z odległości 800 m. Tioli używa się do nawadniania metanu (gaz bezwonny), aby wykryć ewentualne nieszczelności w instalacji gazowej i zapobiec w ten sposób wybuchowi. Tiole są również składnikami produktów rozkładu szczątków zwierzęcych. Żywiące się padliną kondory amerykańskie mogą więc być pomocne w lokalizacji nieszczelności gazociągu, ponieważ traktują te miejsca jako obszar występowania pożywienia.

I na koniec coś dla miłośników zwierząt, czyli sesja fotograficzna pięknych i uroczych... skunksów!