Informatie

S2018_Lecture04_Reading - Biologie


Karakteristieke chemische reacties

Chemische reacties treedt op wanneer twee of meer atomen aan elkaar binden om moleculen te vormen of wanneer gebonden atomen uit elkaar worden gehaald. De stoffen die "ingaan" bij een chemische reactie worden de reactanten (volgens afspraak worden deze meestal aan de linkerkant van een chemische vergelijking vermeld), en de gevonden stoffen die uit de reactie komen, staan ​​​​bekend als de producten (volgens afspraak zijn deze meestal te vinden aan de rechterkant van een chemische vergelijking). rechts naar links; van boven naar beneden, diagonaal van rechts naar links, rond een cirkelvormige pijl, enz.) door de pijl te gebruiken om u te oriënteren.

Bij chemische reacties moeten de atomen en elementen die aanwezig zijn in de reactant(en) ook allemaal aanwezig zijn in het product(en). Evenzo kan er niets in de producten aanwezig zijn dat niet in de reactanten aanwezig was. Dit komt omdat chemische reacties worden beheerst door de wet van behoud van massa, die stelt dat materie niet kan worden gecreëerd of vernietigd in een chemische reactie. Dit betekent dat wanneer je een chemische reactie onderzoekt, je moet proberen rekening te houden met alles wat erin gaat EN ervoor moet zorgen dat je het allemaal kunt vinden in de dingen die eruit komen!

Net zoals je wiskundige berekeningen kunt uitdrukken in vergelijkingen zoals 2 + 7 = 9, kun je chemische vergelijkingen gebruiken om te laten zien hoe reactanten producten worden. Volgens afspraak worden chemische vergelijkingen meestal van links naar rechts gelezen of geschreven. De reactanten aan de linkerkant worden van de producten aan de rechterkant gescheiden door een enkele of dubbele pijl die de richting aangeeft waarin de chemische reactie verloopt. De chemische reactie waarbij één stikstofatoom en drie waterstofatomen ammoniak produceren, zou bijvoorbeeld worden geschreven als:

[N + 3H→NH_3.]

Dienovereenkomstig zou de afbraak van ammoniak in zijn componenten worden geschreven als:

[NH3→N + 3H.]

Merk op dat je in beide richtingen 1 N en 3 Hs aan beide kanten van de vergelijking vindt.

Omkeerbaarheid

Hoewel alle chemische reacties technisch gezien in beide richtingen kunnen verlopen, hebben sommige reacties de neiging om de ene richting boven de andere te bevoordelen. Afhankelijk van de mate waarin een reactie spontaan in beide of in één richting verloopt, kan een andere naam worden gegeven om de reversibiliteit van de reacties te karakteriseren. Sommige chemische reacties, zoals de hierboven getoonde, verlopen meestal in één richting, waarbij de "omgekeerde" richting op zulke lange tijdschalen plaatsvindt of met zo'n lage waarschijnlijkheid dat we, voor praktische doeleinden, de "omgekeerde" reactie negeren. Deze unidirectionele reacties worden ook wel onomkeerbaar reacties en worden weergegeven met een eenkoppige (unidirectionele) pijl. Daarentegen, omkeerbaar reacties zijn degenen die gemakkelijk in beide richtingen kunnen gaan. Omkeerbare reacties worden meestal weergegeven door een chemische vergelijking met een tweekoppige pijl die zowel naar de reactanten als naar de producten wijst. In de praktijk vind je een continuüm van chemische reacties; sommige gaan meestal in één richting en keren bijna nooit om, terwijl andere gemakkelijk van richting veranderen, afhankelijk van verschillende factoren zoals de relatieve concentraties van reactanten en producten. Deze termen zijn slechts manieren om reacties met verschillende evenwichtspunten te beschrijven.

Gebruik maken van van woordenschat

Je hebt je misschien gerealiseerd dat de termen "reactanten" en "producten" relatief zijn aan de richting van de reactie. Als u echter een reactie hebt die omkeerbaar is, worden de producten van het uitvoeren van de reactie in één richting de reactanten van het omgekeerde. U kunt dezelfde verbinding labelen met twee verschillende termen. Dat kan een beetje verwarrend zijn. Dus, wat moet men in dergelijke gevallen doen? Het antwoord is dat als je de termen "reactanten" en "producten" wilt gebruiken, je duidelijk moet zijn over de reactierichting waarnaar je verwijst - zelfs als het om omkeerbare reacties gaat. De keuze van termen, "reactanten" of "producten" die u gebruikt, zal aan anderen duidelijk maken dat de reactie die u overweegt, gericht is.

Laten we eens kijken naar een voorbeeld van een omkeerbare reactie in de biologie en een belangrijke uitbreiding van deze kernideeën bespreken die ontstaat in een biologisch systeem. In menselijk bloed worden overtollige waterstofionen (H+) binden aan bicarbonaationen (HCO3-), een evenwichtstoestand vormend met koolzuur (H2CO3). Deze reactie is gemakkelijk omkeerbaar. Als koolzuur aan dit systeem zou worden toegevoegd, zou een deel ervan worden omgezet in bicarbonaat- en waterstofionen terwijl het chemische systeem naar evenwicht zocht.

[HCO_3^−+ H^+ ightleftharpoons H_2CO_3]

Het bovenstaande voorbeeld onderzoekt en "geïdealiseerde" chemische systemen zoals die in een reageerbuis kunnen voorkomen. In biologische systemen wordt echter zelden een evenwicht bereikt voor een enkele reactie, zoals in de reageerbuis. In biologische systemen vinden reacties niet geïsoleerd plaats. In plaats daarvan veranderen de concentraties van de reactanten en/of producten voortdurend, waarbij vaak een product van de ene reactie een reactant is voor een andere reactie. Deze gekoppelde reacties vormen zogenaamde biochemische routes. Het directe voorbeeld hieronder illustreert dit punt. Hoewel de reactie tussen het bicarbonaat/proton en koolzuur in hoge mate omkeerbaar is, blijkt dat deze reactie fysiologisch gewoonlijk wordt "getrokken" in de richting van de vorming van koolzuur. Waarom? Zoals hieronder wordt getoond, wordt koolzuur een reactant voor een andere biochemische reactie - de omzetting van koolzuur in CO2 en H2O. Deze omzetting vermindert de concentratie van H2CO3, dus trekken de reactie tussen bicarbonaat en H+ naar rechts. Bovendien is een derde, unidirectionele reactie, de verwijdering van CO2 en H2O uit het systeem, trekt de reactie ook verder naar rechts. Dit soort reacties dragen in belangrijke mate bij aan het in stand houden van de H+ homeostase van ons bloed.

[ HCO_3^- + H^+ ightleftharpoons H_2CO_3 ightleftharpoons CO_2 + H_20 ightarrow afval]

De reactie met de synthese van koolzuur is eigenlijk gekoppeld aan de afbraak ervan in (CO_2) en (H_2O). Deze producten worden vervolgens uit het systeem/lichaam verwijderd wanneer ze worden uitgeademd. Samen trekken de afbraak van koolzuur en het uitademen van de producten de eerste reactie naar rechts.

Synthese reacties

Veel macromoleculen zijn gemaakt van kleinere subeenheden of bouwstenen, monomeren genaamd. Monomeren verbinden zich covalent om grotere moleculen te vormen die bekend staan ​​​​als polymeren. Vaak zal de synthese van polymeren uit monomeren ook watermoleculen produceren als reactieproducten. Dit type reactie staat bekend als: uitdroging synthese of condensatie reactie.

Figuur 1. In de hierboven weergegeven dehydratatiesynthesereactie worden twee glucosemoleculen aan elkaar gekoppeld om de disacharide maltose te vormen. Daarbij wordt een watermolecuul gevormd.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

In een dehydratatiesynthesereactie (Figuur 1) combineert de waterstof van het ene monomeer met de hydroxylgroep van een ander monomeer, waardoor een watermolecuul vrijkomt. Tegelijkertijd delen de monomeren elektronen en vormen ze covalente bindingen. Als extra monomeren samenkomen, vormt deze keten van herhalende monomeren een polymeer. Verschillende soorten monomeren kunnen in veel configuraties worden gecombineerd, waardoor een diverse groep macromoleculen ontstaat. Zelfs één soort monomeer kan op verschillende manieren worden gecombineerd om verschillende polymeren te vormen; glucosemonomeren zijn bijvoorbeeld de bestanddelen van zetmeel, glycogeen en cellulose.

In het bovenstaande voorbeeld van koolhydraatmonomeer wordt het polymeer gevormd door een dehydratatiereactie; dit type reactie wordt ook gebruikt om aminozuren toe te voegen aan een groeiende peptideketen en nucleotiden aan het groeiende DNA- of RNA-polymeer. Bezoek de modules over aminozuren, lipiden en nucleïnezuren om te zien of je de watermoleculen kunt identificeren die worden verwijderd wanneer een monomeer wordt toegevoegd aan het groeiende polymeer.

Figuur 2. Dit beeldt, met gebruikmaking van woorden, (versierd met roodgekleurde functionele groepen) een algemene dehydratatiesynthese/condensatiereactie uit.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Hydrolyse reacties

Polymeren worden afgebroken tot monomeren in een reactie die hydrolyse wordt genoemd. Een hydrolysereactie omvat een watermolecuul als reactant (Figuur 3). Tijdens deze reacties kan een polymeer worden opgesplitst in twee componenten: het ene product draagt ​​een waterstofion (H+) uit het water, terwijl het tweede product het resterende hydroxide van het water (OH).

Figuur 3. In de hier getoonde hydrolysereactie wordt de disaccharide maltose afgebroken tot twee glucosemonomeren met toevoeging van een watermolecuul. Merk op dat deze reactie het omgekeerde is van de synthesereactie die wordt getoond in figuur 1 hierboven.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Figuur 4. Dit toont met behulp van woorden (versierd met functionele groepen in rood gekleurd) een generieke hydrolysereactie.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Uitdrogingssynthese en hydrolysereacties worden gekatalyseerd of "versneld" door specifieke enzymen. Merk op dat zowel dehydratatiesynthese als hydrolysereacties het maken en verbreken van bindingen tussen de reactanten inhouden - een reorganisatie van de bindingen tussen de atomen in de reactanten. In biologische systemen (inclusief ons lichaam) wordt voedsel in de vorm van moleculaire polymeren door water gehydrolyseerd tot kleinere moleculen via enzymgekatalyseerde reacties in het spijsverteringsstelsel. Hierdoor kunnen de kleinere voedingsstoffen worden opgenomen en voor verschillende doeleinden worden hergebruikt. In de cel kunnen monomeren die zijn afgeleid van voedsel vervolgens opnieuw worden samengevoegd tot grotere polymeren die nieuwe functies vervullen.

Nuttige links:

Bezoek deze site om visuele representaties van dehydratiesynthese en hydrolyse te zien.
Voorbeeld van hydrolyse met enzymwerking wordt getoond in deze 3 minuten durende video getiteld: Hydrolyse van sucrose door sucrase.

Uitwisseling/overdracht reacties

We zullen ook reacties tegenkomen die uitwisselingsreacties worden genoemd. Bij dit soort reacties worden "delen" van moleculen tussen elkaar overgedragen - bindingen worden verbroken om een ​​deel van een molecuul vrij te geven en er worden bindingen gevormd tussen het vrijgekomen deel en een ander molecuul. Deze enzym-gekatalyseerde reacties zijn meestal redelijk complexe meerstaps chemische processen.

Figuur 5. Een uitwisselingsreactie waarbij zowel synthese als hydrolyse kan plaatsvinden, chemische bindingen worden gevormd en verbroken, wordt weergegeven met een woordanalogie.

Chemisch evenwicht - Deel 1: voorwaartse en achterwaartse reacties

Het begrijpen van het concept van chemisch evenwicht is van cruciaal belang voor het volgen van verschillende van de discussies die we hebben in BIS2A en inderdaad in de biologie en de wetenschappen. Het is moeilijk om het concept van chemisch evenwicht volledig te beschrijven zonder verwijzing naar de energie van een systeem, maar laten we omwille van de eenvoud toch proberen en de bespreking van energie reserveren voor een ander hoofdstuk. Laten we liever beginnen met het ontwikkelen van ons begrip van evenwicht door de onderstaande omkeerbare reactie te beschouwen:

Hypothetische reactie #1: Een hypothetische reactie met verbindingen A, B en D. Als we dit van links naar rechts lezen, zouden we zeggen dat A en B samenkomen om een ​​grotere verbinding te vormen: D. Als we de reactie van rechts naar links lezen, we zouden zeggen dat verbinding D uiteenvalt in kleinere verbindingen: A en B.

We moeten eerst definiëren wat wordt bedoeld met een 'omkeerbare reactie'. De term "omkeerbaar" betekent eenvoudigweg dat een reactie in beide richtingen kan verlopen. Dat wil zeggen, de dingen aan de linkerkant van de reactievergelijking kunnen samen reageren om de dingen aan de rechterkant van de vergelijking te worden, EN de dingen aan de rechterkant van de vergelijking kunnen ook samen reageren om de dingen aan de linkerkant van de vergelijking te worden. vergelijking. Reacties die maar in één richting verlopen, worden onomkeerbare reacties genoemd.

Om onze bespreking van evenwicht te beginnen, beginnen we met een reactie te beschouwen die volgens ons gemakkelijk omkeerbaar is. In dit geval is het de hierboven afgebeelde reactie: de denkbeeldige vorming van verbinding D uit verbindingen A en B. Omdat het een omkeerbare reactie is, zouden we het ook de ontleding van D in A en B kunnen noemen. een experiment waarin we de reactie zien verlopen vanaf een startpunt waar alleen A en B aanwezig zijn.

Voorbeeld #1: Links-gebalanceerde reactie

Hypothetische reactie #1: tijdsverloop
Concentratiet=0t=1t=5t=10t=15t=20t=25t=30t=35t=40
[EEN]100908070656260606060
[B]100908070656260606060
[C]0102030453840404040

Op tijdstip t = 0 (voordat de reactie begint), heeft de reactie 100 concentratie-eenheden van verbindingen A en B en nul eenheden van verbinding D. We laten nu de reactie verlopen en observeren de individuele concentraties van de drie verbindingen in de tijd (t =1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 en 40 tijdseenheden). Terwijl A en B reageren, vormt D zich. In feite kan men D zien vormen van t=0 helemaal tot t=25. Na die tijd veranderen de concentraties van A, B en D echter niet meer. Zodra de reactie het punt bereikt waarop de concentraties van de componenten niet meer veranderen, zeggen we dat de reactie een evenwicht heeft bereikt. Merk op dat de concentraties van A, B en D niet gelijk zijn bij evenwicht. In feite lijkt de reactie gebalanceerd, zodat er meer A en B is dan D.

Opmerking

****Waarschuwing voor veelvoorkomende misvattingen bij studenten****

Veel studenten worden het slachtoffer van de misvatting dat de concentraties van de reactanten en producten van een reactie bij evenwicht gelijk moeten zijn. Aangezien de term evenwicht veel lijkt op het woord 'gelijk', is dit niet verwonderlijk. Maar zoals het experiment hierboven probeert te illustreren, is dit NIET correct!

Voorbeeld #2: rechts gebalanceerde reactie

We kunnen een tweede hypothetische reactie onderzoeken, de synthese van verbinding J uit de verbindingen E en F.

Hypothetische reactie #2: Een hypothetische reactie met verbindingen E, F en J. Als we dit van links naar rechts lezen, zouden we zeggen dat E en F samenkomen om een ​​grotere verbinding te vormen: J. Als we de reactie van rechts naar links lezen, zouden we zeggen dat de verbinding J valt uiteen in kleinere verbindingen: E en F.

De structuur van hypothetische reactie #2 lijkt identiek aan die van hypothetische reactie #1, die we hierboven hebben overwogen: twee dingen komen samen om één groter ding te maken. We hoeven in dit geval alleen maar aan te nemen dat E, F en J andere eigenschappen hebben dan A, B en D. Laten we ons een soortgelijk experiment voorstellen als hierboven beschreven en deze gegevens onderzoeken:

Hypothetische reactie #2: tijdsverloop


In dit geval bereikt de reactie ook een evenwicht. Deze keer treedt echter een evenwicht op rond t=30. Na dat punt veranderen de concentraties van E, F en J niet. Merk nogmaals op dat de concentraties van E, F en J niet gelijk zijn bij evenwicht. In tegenstelling tot hypothetische reactie #1 (de ABD-reactie), is de concentratie van J, het ding aan de rechterkant van de pijlen, dit keer hoger dan E en F. We zeggen dat voor deze reactie het evenwicht ligt naar rechts.

Op dit punt moeten nog vier punten worden gemaakt.

Punt 1: Of het evenwicht voor een reactie links of rechts ligt, hangt af van de eigenschappen van de componenten van de reactie en de omgevingsomstandigheden waarin de reactie plaatsvindt (bijv. temperatuur, druk, enz.).

Punt 2: We kunnen ook praten over evenwicht met behulp van energieconcepten, en dat zullen we binnenkort doen, alleen nog niet.

Punt 3: Hoewel hypothetische reacties #1 en #2 een punt lijken te bereiken waarop de reactie is “opgehouden”, moet je je voorstellen dat er nog steeds reacties plaatsvinden, zelfs nadat het evenwicht is bereikt. Bij evenwicht vinden de "voorwaartse" en "omgekeerde" reacties gewoon in hetzelfde tempo plaats. Dat wil zeggen, in voorbeeld #2, bij evenwicht J wordt gevormd uit E en F met dezelfde snelheid als het uiteenvalt in E en F. Dit verklaart hoe de concentraties van de verbindingen niet veranderen ondanks het feit dat de reacties nog steeds gebeurt.

Punt 4: Uit deze beschrijving van evenwicht kunnen we iets definiëren dat we de evenwichtsconstante noemen. Typisch wordt de constante weergegeven door een hoofdletter K en kan worden geschreven als Kgelijk aan. In termen van concentraties, Kgelijk aan wordt geschreven als het wiskundige product van de reactieproductconcentraties (dingen aan de rechterkant) gedeeld door het wiskundige product van de reactantconcentraties (dingen aan de linkerkant). Bijvoorbeeld Keq,1 = [D]/[A][B], en Kgelijk aan,2 = [J]/[E][F]. De vierkante haken "[]" geven de "concentratie van" aan wat zich tussen de haakjes bevindt.

Wat is de rol van zuur/base-chemie in Bis2A?

We hebben geleerd dat het gedrag van chemische functionele groepen sterk afhangt van de samenstelling, volgorde en eigenschappen van hun samenstellende atomen. Zoals we zullen zien, kunnen sommige eigenschappen van belangrijke biologische functionele groepen worden gewijzigd, afhankelijk van de pH (waterstofionenconcentratie) van de oplossing waarin ze zich bevinden.

Sommige functionele groepen op de aminozuurmoleculen waaruit eiwitten bestaan, kunnen bijvoorbeeld in verschillende chemische toestanden voorkomen, afhankelijk van de pH. We zullen leren dat de chemische toestand van deze functionele groepen in de context van een eiwit een diepgaand effect kan hebben op de vorm van een eiwit of zijn vermogen om chemische reacties uit te voeren. Terwijl we door de cursus gaan, zullen we talloze voorbeelden van dit soort chemie in verschillende contexten zien.

pH wordt formeel gedefinieerd als:

[ pH = -log_{10} [H^+]]

In de bovenstaande vergelijking geven de vierkante haken rond (H^+) de concentratie aan. Probeer indien nodig een wiskundige beoordeling op wiki-logaritme of kahn-logaritme. Zie ook: concentratiewoordenboek of wikiconcentratie.

Waterstofionen worden spontaan gegenereerd in zuiver water door de dissociatie (ionisatie) van een klein percentage watermoleculen in gelijke aantallen waterstof (H+) ionen en hydroxide (OH-) ionen. Terwijl de hydroxide-ionen in oplossing worden gehouden door hun waterstofbinding met andere watermoleculen, worden de waterstofionen, bestaande uit naakte protonen, onmiddellijk aangetrokken door niet-geïoniseerde watermoleculen, waardoor hydroniumionen (H30+).

Toch verwijzen wetenschappers volgens afspraak naar waterstofionen en hun concentratie alsof ze in deze toestand vrij zijn in vloeibaar water. Dit is een ander voorbeeld van een sneltoets die we vaak nemen - het is gemakkelijker om H . te schrijven+ in plaats van H3O+. We moeten ons alleen realiseren dat deze kortere weg wordt genomen; anders ontstaat er verwarring.

Figuur 1: Water valt spontaan uiteen in een proton- en hydroxylgroep. Het proton zal combineren met een watermolecuul en een hydroniumion vormen.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti

De pH van een oplossing is een maat voor de concentratie van waterstofionen in een oplossing (of het aantal hydroniumionen). Het aantal waterstofionen is een directe maat voor hoe zuur of hoe basisch een oplossing is.

De pH schaal is logaritmisch en varieert van 0 tot 14 (Figuur 2). We definiëren pH=7.0 als neutraal. Alles met een pH lager dan 7,0 wordt genoemd zuur en elke gerapporteerde pH boven 7,0 wordt genoemd alkalisch of basis. Extreme pH-waarden in beide richtingen vanaf 7,0 worden meestal als onherbergzaam voor het leven beschouwd, hoewel er voorbeelden zijn die het tegendeel bewijzen. De pH-waarden in het menselijk lichaam liggen gewoonlijk tussen 6,8 en 7,4, behalve in de maag waar de pH zuurder is, meestal tussen 1 en 2.

Figuur 2: De pH-schaal varieert van zuur tot basisch met verschillende biologische verbindingen of stoffen die bij die bepaalde pH voorkomen. Naamsvermelding: Marc T. Facciotti

Voor aanvullende informatie:

Bekijk deze video voor een alternatieve uitleg van pH en zijn logaritmische schaal.

De concentratie van waterstofionen die dissociëren van zuiver water is 1 × 10-7 mol H+ ionen per liter water.

1 mol (mol) van een stof (die atomen, moleculen, ionen, enz. kan zijn), wordt gedefinieerd als gelijk aan 6,02 x 1023 deeltjes van de stof. Daarom is 1 mol water gelijk aan 6,02 x 1023 water moleculen. De pH wordt berekend als het negatief van de logaritme met grondtal 10 van deze concentratie-eenheid. het logboek10 van 1 × 10-7 is -7,0, en het negatief van dit getal levert een pH van 7,0 op, ook wel neutrale pH genoemd.

Niet-neutrale pH-waarden zijn het resultaat van het oplossen van zuren of basen in water. Hoge concentraties waterstofionen geven een laag pH-getal, terwijl lage niveaus waterstofionen resulteren in een hoge pH.

Deze omgekeerde relatie tussen pH en de concentratie van protonen brengt veel studenten in verwarring - neem de tijd om jezelf ervan te overtuigen dat je 'het snapt'.

Een zuur is een stof die de concentratie van waterstofionen verhoogt (H+) in een oplossing, meestal door een van zijn waterstofatomen te laten dissociëren. We hebben bijvoorbeeld geleerd dat de functionele carboxylgroep een zuur is. Het waterstofatoom kan dissociëren van het zuurstofatoom, wat resulteert in een vrij proton en een negatief geladen functionele groep. EEN baseren levert ofwel hydroxide-ionen (OH) of andere negatief geladen ionen die combineren met waterstofionen, waardoor de H . effectief wordt verminderd+ concentratie in de oplossing en daardoor de pH verhogen. In gevallen waarin de base hydroxide-ionen afgeeft, binden deze ionen aan vrije waterstofionen, waardoor nieuwe watermoleculen worden gegenereerd. We hebben bijvoorbeeld geleerd dat de functionele aminegroep een base is. Het stikstofatoom zal waterstofionen in oplossing accepteren, waardoor het aantal waterstofionen dat de pH van de oplossing verhoogt, wordt verminderd.

Figuur 3: De carbonzuurgroep werkt als een zuur door een proton in oplossing af te geven. Dit verhoogt het aantal protonen in oplossing en verlaagt dus de pH. De aminogroep werkt als een base door waterstofionen uit de oplossing te accepteren, waardoor het aantal waterstofionen in oplossingen wordt verminderd, waardoor de pH wordt verhoogd.
Naamsvermelding: Erin Easlon

Extra pH-bronnen

Hier zijn enkele aanvullende links over pH en pKa om het materiaal te leren. Merk op dat er een extra module is gewijd aan pKa.

PKa

pKeen wordt gedefinieerd als de negatieve log10 van de dissociatieconstante van een zuur, zijn Keen. Daarom is de pKeen is een kwantitatieve maat voor hoe gemakkelijk of hoe gemakkelijk het zuur zijn proton afgeeft [H+] in oplossing en dus een maat voor de "sterkte" van het zuur. Sterke zuren hebben een kleine pKa, zwakke zuren hebben een grotere pKa.

Het meest voorkomende zuur waar we het in BIS2A over zullen hebben, is de functionele carbonzuurgroep. Deze zuren zijn typisch zwak zuren, wat betekent dat ze slechts gedeeltelijk dissociëren (in H+ kationen en RCOO- anionen) in neutrale oplossing. HCL (waterstofchloride) is een veelvoorkomende sterk zuur, wat betekent dat het volledig zal dissociëren in H+ en Cl-.

Merk op dat het belangrijkste verschil in de onderstaande figuur tussen een sterk zuur of base en een zwak zuur of base de enkele pijl (sterk) versus een dubbele pijl (zwak) is. In het geval van de enkele pijl kun je dat interpreteren door je voor te stellen dat bijna alle reactanten zijn omgezet in producten. Bovendien is het moeilijk voor de reactie om achteruit terug te keren naar een toestand waarin de protonen opnieuw worden geassocieerd met het molecuul waarmee ze eerder waren geassocieerd. In het geval van een zwak zuur of een zwakke base kan de dubbelzijdige pijl worden geïnterpreteerd door een reactie voor te stellen waarin:

  1. beide vormen van de geconjugeerd zuur of base (dat is wat we het molecuul noemen dat het proton "vasthoudt" - d.w.z. CH3OOH en CH3OO-, respectievelijk in de figuur) tegelijkertijd aanwezig zijn en
  2. de verhouding van die twee hoeveelheden kan gemakkelijk veranderen door de reactie in beide richtingen te verplaatsen.

Figuur 1. Een voorbeeld van sterke zuren en sterke basen in hun protonerings- en deprotoneringstoestanden. De waarde van hun pKa wordt links weergegeven. Facciotti

Elektronegativiteit speelt een rol bij de sterkte van een zuur. Als we de hydroxylgroep als voorbeeld beschouwen, resulteert de grotere elektronegativiteit van het atoom of de atomen (aangeduid met R) gehecht aan de hydroxylgroep in het zuur R-O-H in een zwakkere H-O-binding, die dus gemakkelijker wordt geïoniseerd. Dit betekent dat de aantrekkingskracht op de elektronen weg van het waterstofatoom groter wordt wanneer het zuurstofatoom dat aan het waterstofatoom is gehecht ook aan een ander elektronegatief atoom is bevestigd. Een voorbeeld hiervan is HOCL. De elektronegatieve Cl polariseert de H-O-binding, verzwakt deze en vergemakkelijkt de ionisatie van de waterstof. Als we dit vergelijken met een zwak zuur waarbij de zuurstof is gebonden aan een koolstofatoom (zoals in carbonzuren), is de zuurstof gebonden aan het waterstof- en koolstofatoom. In dit geval is de zuurstof niet gebonden aan een ander elektronegatief atoom. Dus de H-O-binding wordt niet verder gedestabiliseerd en het zuur wordt als een zwak zuur beschouwd (het geeft het proton niet zo gemakkelijk op als een sterk zuur).

Figuur 2. De sterkte van het zuur kan worden bepaald door de elektronegativiteit van het atoom waaraan de zuurstof is gebonden. Bijvoorbeeld, het zwakke zuur Azijnzuur, de zuurstof is gebonden aan koolstof, een atoom met een lage elektronegativiteit. In het sterke zuur, Hypochloorzuur, is het zuurstofatoom gebonden aan een nog meer elektronegatief chlorideatoom.
Naamsvermelding: Erin Easlon

In Bis2A wordt je gevraagd om pH en pKa aan elkaar te relateren wanneer je de protoneringstoestand van een zuur of base bespreekt, bijvoorbeeld in aminozuren. Hoe kunnen we de informatie in deze module gebruiken om de vraag te beantwoorden: Zullen de functionele groepen op het aminozuur glutamaat worden geprotoneerd of gedeprotoneerd bij een pH van 2, bij een pH van 8, bij een pH van 11?

Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we een relatie leggen tussen pH en pKa. De relatie tussen pKa en pH wordt wiskundig weergegeven door de hieronder getoonde Henderson-Hasselbach-vergelijking, waarbij [A-] de gedeprotoneerde vorm van het zuur voorstelt en [HA] de geprotoneerde vorm van het zuur voorstelt.

Figuur 3. De Henderson-Hasselbach-vergelijking

Een oplossing voor deze vergelijking wordt verkregen door pH = pKa in te stellen. In dit geval log([A-] / [HA]) = 0, en [A-] / [HA] = 1. Dit betekent dat wanneer de pH gelijk is aan de pKa, er gelijke hoeveelheden geprotoneerde en gedeprotoneerde vormen zijn van het zuur. Als de pKa van het zuur bijvoorbeeld 4,75 is, zal dat zuur bij een pH van 4,75 als 50% geprotoneerd en 50% gedeprotoneerd bestaan. Dit betekent ook dat naarmate de pH stijgt, meer van het zuur zal worden omgezet in de gedeprotoneerde toestand en op een gegeven moment zal de pH zo hoog zijn dat het grootste deel van het zuur in de gedeprotoneerde toestand zal bestaan.

Figuur 4. Deze grafiek geeft de protoneringstoestand van azijnzuur weer als de pH verandert. Bij een pH onder de pKa wordt het zuur geprotoneerd. Bij een pH boven de pKa wordt het zuur gedeprotoneerd. Als de pH gelijk is aan de pKa, is het zuur 50% geprotoneerd en 50% gedeprotoneerd. Naamsvermelding: Ivy Jose

In BIS2A zullen we kijken naar de protoneringstoestand en deprotoneringstoestand van aminozuren. Aminozuren bevatten meerdere functionele groepen die zuren of basen kunnen zijn. Daarom kan hun protonerings-/deprotoneringsstatus gecompliceerder zijn. Hieronder staat de relatie tussen de pH en pKa van het aminozuur glutaminezuur. In deze grafiek kunnen we de vraag stellen die we eerder stelden: Zullen de functionele groepen op het aminozuur glutamaat worden geprotoneerd of gedeprotoneerd bij een pH van 2, bij een pH van 8, bij een pH van 11?

Figuur 5. Deze grafiek geeft de protoneringstoestand van glutamaat weer als de pH verandert. Bij een pH onder de pKa voor elke functionele groep op het aminozuur is de functionele groep geprotoneerd. Bij een pH boven de pKa voor de functionele groep wordt het gedeprotoneerd. Als de pH gelijk is aan de pKa, is de functionele groep 50% geprotoneerd en 50% gedeprotoneerd.
Naamsvermelding: Ivy Jose

Opmerking: mogelijke discussie

  1. Wat is de totale lading van vrij glutamaat bij een pH van 5?
  2. Wat is de totale lading van gratis glutamaat bij een pH van 10?