Chemische Elemente

Die Chemie ist fundamental wichtig für die Biowissenschaften. Organismen können als große chemische Maschinen angesehen werden, die jede Sekunde eine Vielzahl von Reaktionen ausführen, um am Leben zu bleiben. Um die Bausteine des Lebens zu studieren, müssen wir also zunächst etwas grundlegende Chemie verstehen.

Dieser Abschnitt gibt eine kurze Einführung in biologisch relevante Elemente, Atomstruktur, Isotope und Elektronenhüllen.

Wichtige Elemente

Es gibt mehr als hundert chemische Elemente im Periodensystem, aber nur eine relativ kleine Zahl ist in der Biologie besonders wichtig.

Etwa 98% der Masse der meisten Organismen besteht aus diesen sechs Elementen, die rot dargestellt sind: Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Phosphor (P) und Schwefel (S). Eine Reihe weiterer Elemente, die gelb dargestellt sind, kommen in geringeren Mengen vor, sind aber dennoch sehr wichtig. Dazu zählen u.a. Kalium (K), Calcium (Ca), Natrium (Na), Chlor (Cl) und Magnesium (Mg).

Allgemeine Atom-Struktur

Atome bestehen aus drei Arten von Teilchen: negativ geladenen Elektronen, positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Der Atomkern (Nukleus), besteht aus Protonen und Neutronen, während sich Elektronen um den Kern bewegen. Ein Kohlenstoffatom (C) z.B. hat 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen, was eine neutrale Gesamtladung ergibt. Die Ordnungszahl (6) bezieht sich auf die Anzahl der Protonen, die letztendlich das Element bestimmt. Die Atommasse von 12,011 basiert hauptsächlich auf den 12 Kernteilchen, während Elektronen nicht viel zur Gesamtmasse beitragen.

Diese typische Darstellung eines Atoms ist eine Vereinfachung und nicht proportional. Die Bahnen kann man sich eher als unterschiedliche Energieniveaus vorstellen. Außerdem sind Elektronen im Vergleich zu Protonen und Neutronen winzig, aber die Elektronenhülle eines Atoms, der Bereich, in dem sich Elektronen befinden, ist gigantisch. Hätte ein Kern die Größe eines Stecknadelkopfes, wäre die Hülle so groß wie eine Kathedrale. Trotzdem ist dieses vereinfachte Modell sehr nützlich und komplex genug für unseren Zweck.

Isotope

Wie wir bereits gelernt haben, bestimmt die Anzahl der Protonen die Natur eines Elements. Manchmal kann ein Element jedoch Versionen mit unterschiedlichen Neutronenzahlen haben. Diese Versionen werden Isotope genannt.

Wasserstoff (H oder ¹H) hat die einfachste Atomstruktur, die nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. Deuterium (²H) und Tritium (³H) sind Isotope von Wasserstoff mit zusätzlichen Neutronen im Kern. Isotope sind oft instabil, was dazu führt, dass ihre Kerne zerfallen und dabei radioaktive Strahlung abgeben.

Elektronenhüllen

Die Anzahl der Elektronen, die für jedes Element spezifisch ist, bestimmt, wie sich verschiedene Elemente in chemischen Reaktionen verhalten, bei denen sich Elektronenwechselwirkungen ändern.

Elektronen befinden sich in verschiedenen Schalen um den Kern. Die innerste Schale kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen, die nächste acht, und die dritte Schale kann bis zu 18 aufnehmen. Die äußerste Schale eines Atoms wird Valenzschale genannt und ist für chemische Wechselwirkungen am wichtigsten.

Innerhalb von Schalen sind Elektronen in sogenannten Orbitalen gepaart. Es besteht die Neigung, alle Orbitale einer Schale mit Elektronenpaaren aufzufüllen, wodurch Elemente reaktiv werden, um einen Zustand hoher Stabilität zu erreichen. Sauerstoff (O) z.B. benötigt zwei zusätzliche Elektronen, um alle Orbitale seiner Valenzschale zu füllen. Schwefel (S), obwohl es eine dritte Schale hat, benötigt auch zwei Elektronen, während Kohlenstoff (C) vier braucht, genau wie Silizium (Si). Im nächsten Abschnitt betrachten wir, wie chemische Bindungen gebildet werden.