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Chemie für Mediziner für Dummies

Chemie für Mediziner für Dummies

Bernd Goldfuß

ISBN: 978-3-527-66821-2

Oct 2016

299 pages

Select type: E-Book

$17.99

Über den Autor 17

Einführung 19

Über dieses Buch 19

Törichte Annahmen über den Leser 20

Wie dieses Buch aufgebaut ist 20

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 20

Wie es weitergeht 20

Teil I Grundlagen – das Wesentliche zum Einstieg 21

Kapitel 1 Materie – woraus wir bestehen und was uns umgibt 23

Materie – Atome und Moleküle füllen den Raum 23

Fest, flüssig, gasförmig – die Aggregatzustände 26

Phasendiagramme – Druck und Temperatur auf einen Blick 28

Gase – unsere unsichtbaren Begleiter 29

Flüssigkeiten – anziehend flexibel 31

Feststoffe – wir halten zusammen 32

Kapitel 2 Atome – unteilbar, aber dennoch spaltbar 33

Das Atom – viel leerer Raum um konzentrierte Masse 33

Isotope – gleicher Ort, aber unterschiedliche Masse 35

Radioaktivität – Gefahren und Nutzen der Strahlung 38

Radioaktivität als Krankmacher 39

Radioaktivität als Helfer 39

Vier fundamentale Kräfte – doch nur eine ist für die Chemie relevant 39

Kapitel 3 Chemische Bindungen – wie Atome zusammenhalten 41

Wie finden sich bindungswillige Partner? 41

Kovalent: Wir teilen fair! 42

Ionisch: Wenn sich Elektronen auf eine Seite schlagen 42

Metallisch: Von einer Elektronenwolke umhüllt 43

Was Atome zusammenhält 44

Die Quantenchemie und die Gesetze im Mikrokosmos 45

Leuchtende Atome – das Atommodell von Bohr 46

Die rettende Gleichung – Orbitale für Elektronen 48

Die Regeln von Hund und Pauli 50

Atomaufbau mit dem Kästchenmodell – einfach, aber effektiv 51

Wir halten Ordnung – das Periodensystem der Elemente 52

Elektronenkonfiguration und chemische Eigenschaften 53

Endlich verständlich – die Größe von Atomen 55

Elektronegativität – was Atome anziehend finden 57

Wasserstoff H2 – das einfachste kovalent gebundene und neutrale Molekül 58

Methan CH4 – Hybridisierung zum perfekten Tetraeder 59

Ammoniak NH3 – die Pyramide mit dem freien Elektronenpaar 61

Wasser H2O – das gewinkelte Lebenselixier mit Dipolmoment 62

Sigma σ und Pi π – Symbole für Bindungstypen 64

Lewis-Strukturen (I) – kovalente Moleküle richtig zeichnen 65

Oktettregel und Oktettaufweitung 66

Die Lewis-Strukturen für polare kovalente Moleküle 67

Die Geometrie kovalenter Moleküle 69

Sekundäre Bindungen – auch das ist wichtig für Biomoleküle! 70

Teil II Allgemeine und Anorganische Chemie 71

Kapitel 4 Stöchiometrie – chemisches Rechnen 73

Praktisch konstant – Masse chemischer Reaktionen 73

Große Zahl für kleine Teilchen 74

Mischen möglich – korrekte Konzentrationsangaben 74

Dreisatz – drei Größen, eine Lösung 75

Kapitel 5 Thermodynamik – heiße und kalte Chemie 77

Hin und Her – Gleichgewichte in Reaktionen 77

Verschiebung von Gleichgewichten 80

Formen von Gleichgewichten 82

Die Hauptsätze der Thermodynamik 83

Kapitel 6 Kinetik – Geschwindigkeit chemischer Reaktionen 87

So schnell kann’s gehen – das Geschwindigkeitsgesetz 87

Aktivierungsenergie – mit Schwung über den Berg … 88

Die Arrhenius-Gleichung – Geschwindigkeit, Temperatur

und Aktivierungsenergie 89

Von der Kinetik zum Reaktionsmechanismus 89

Katalysatoren – die Reaktionsbeschleuniger 90

Katalysatoren – Ihre alltäglichen Helfer 90

Enzyme – kein Leben ohne Biokatalysatoren 91

Kapitel 7 Lösungen 93

Was macht ein Lösungsmittel aus? 93

Ohne Wasser geht nichts im Leben 93

Wer löst was? 95

Was geschieht beim Lösungsvorgang? 96

Schwerlöslich – und das ist gut so! 97

Gesättigte Lösung, Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt 97

Alle zusammen – Kolligative Phänomene 98

Kapitel 8 Heterogene Gleichgewichte 101

Gleichgewichte zwischen heterogenen Phasen 101

Fest- und Flüssigphasen zum Entgiften und Trennen 102

Fast wie Zauberei – Osmose 103

Schrumpfende Zellen, platzende Kirschen – Osmose im Alltag 105

Sauberes Blut dank Dialyse 105

Das Membranpotenzial – die lebenswichtige Ladungsdifferenz 106

Kapitel 9 Säuren und Basen 109

Wenn Schwefel verbrennt 109

Warum wird Regen sauer? 110

Schwefelsäure – die große Schwester der Schwefligen Säure 111

Basen – die Gegenspieler der Säuren 111

Brønsted – auf die Protonen kommt es an 112

Lewis-Säuren und Lewis-Basen – Elektronen machen den Unterschied 112

Wasser als Säure und als Base 113

Der pH-Wert – negativ und logarithmisch 113

Sauer oder basisch? Alles außer pH 7! 114

Sauer oder basisch – wie stark ist die Verbindung? 115

Wasser nivelliert die maximale Säurestärke 116

Die Berechnung des pH-Werts von Lösungen mit starken Säuren 116

Die pH-Wert Berechnung von Lösungen mit schwachen Säuren 117

Was macht eine Säure so sauer? 117

Von Rotkohl und Blaukraut – pH-Wert-Messungen 118

Kein Leben ohne Puffer – pH-Konstanz ist wichtig! 120

Kapitel 10 Oxidation und Reduktion – wie Elektronen springen können 121

Knallige Redoxreaktion – wie Oxidationsstufen helfen können 121

Einmal pusten, bitte – was Alkohol und Redoxreaktionen verbindet 122

Elektronen hüpfen bergab – das Prinzip von Redoxreaktionen 124

Redox-Disproportionierung von Wasserstoffperoxid – Oxidationsstufen laufen auseinander 124

Redox-Synproportionierung von Ammoniumnitrat – Dünger und Sprengstoff 125

Strom aus der Batterie mittels Redoxchemie 125

Die elektrochemische Reihe – kombinieren Sie Ihre eigene Batterie 126

Spaltung mit Strom – die Elektrolyse 126

Wenn keine Standardbedingungen vorliegen – die Nernst-Gleichung 129

Kapitel 11 Komplexe 131

Komplex, aber nicht kompliziert 131

Koordinative Bindungen – von ionisch bis kovalent 132

Wie stabil ist der Komplex? 134

Metalle in der Zange – der Chelat-Effekt 134

Komplexe, die heilen 135

Teil III Organische Chemie – einfache Bausteine für großartige Moleküle 137

Kapitel 12 Bindung und Geometrie – die vier Arme des C-Atoms 139

Organisch oder nicht – wo ist denn da der Unterschied? 139

Kohlenstoff – ein ganz besonderes Atom 140

Ordnungsprinzipien im »Organischen Universum« 140

Der wichtigste Baustein – die tetraedrische sp3-Hybridisierung 141

Die sp2-Hybridisierung – die trigonal-planare Geometrie 143

Die sp-Hybridisierung – geradewegs zur linearen Geometrie 144

Kapitel 13 Kohlenwasserstoffe 147

Kohlenwasserstoffe in aller Vielfalt 147

Isomere und Doppelbindungsäquivalente 149

Alkane – Homologe des Methans 150

Die Nomenklatur der Alkane 151

Methanproduktion und Erderwärmung 151

Wie viel Energie steckt im Alkan? 153

Spannende Ringe – Cycloalkane 154

Cyclohexan – praktisch spannungsfrei 158

Alkene addieren gern … 159

Diene – durch Konjugation stabilisiert 160

Aromaten – besonders stabil und delokalisiert 161

Aromaten substituieren lieber 163

Das Gift entsteht im Körper – toxische Kohlenwasserstoffe 163

Kapitel 14 Stereochemie 167

Die Chemie in 3D 167

Isomere – unterschiedlich trotz gleicher Summenformel 167

Stereoisomere – der Raum macht den Unterschied 168

Konformere – ganz fix von einem Isomer zum anderen 169

Konfigurationsisomere – planar, ohne Stereozentren 171

Konfigurationsisomere – mit Stereozentren 172

Enantiomere der Milchsäure 174

Fischer-Projektion – die D- und L-Formen der Milchsäure 174

Die R- und S-Formen der Milchsäure – CIP-Nomenklatur 175

Optische Aktivität – rechts- oder linksdrehend 176

Wie unterschiedlich sind Enantiomere? 177

Kapitel 15 Reaktionsmechanismen 181

Die vier Reaktionstypen der (organischen) Chemie 181

Polar oder radikalisch? 182

Die radikalische Substitution – SR zur Synthese der Halogenalkane 183

Die aliphatische Substitution – SN1 mit tert.-Butylbromid 185

SN2 mit Methylbromid – ein anderer nukleophiler

Substitutionsmechanismus 187

SEAr – die elektrophile aromatische Substitution 189

Kapitel 16 Alkohole und Ether 191

Ethanol und Methanol – alkyliertes Wasser 191

Die Alkylgruppe macht den Unterschied 193

Die Wertigkeit von Alkoholen 193

Erfrischend alkoholisch – Menthol 194

Phenole – wenn Aryl anstatt Alkyl gebunden ist 195

Ein (echt?) scharfes Phenol – Capsaicin 197

Ether – zweifach-alkyliertes Wasser 197

Ether als Narkotikum 198

Zyklische, gespannte Ether – reaktiv und toxisch 198

Nitroglycerin – ein explosives Arzneimittel 200

Kapitel 17 Schwefelverbindungen 201

Schwefel- und Sauerstofforganyle – Unterschiede trotz formaler Gemeinsamkeiten 201

Vom Gestank zum Aroma 202

Die biologisch so wichtige Disulfidbrücke 203

Sulfoxide, Sulfonate und Sulfate 205

Weitere nützliche Schwefelverbindungen 206

Kapitel 18 Amine 209

Alkylierter Ammoniak – organische Amine 209

Amine als Basen 210

Amine als Nukleophile 211

Alkaloide und biogene Amine – wunderbare Wirkungen 211

Kapitel 19 Aldehyde und Ketone 213

Der Alleskönner – die Carbonylfunktion 213

Aldehyde und Ketone durch die Oxidation von Alkoholen 214

Nachweis für Aldehyde – Fehling- und Tollens-Probe 215

Die Reaktion der Carbonylreste mit Nukleophilen: Hydrate 216

Reaktionen mit Alkoholen bilden Halb- und Vollacetale 217

Aus der Reaktion mit Aminen entstehen Aminale 218

Enolate: der leichte Weg zu Carbanionen 219

Keto-Enol-Tautomerie 220

Die perfekte C-C-Bindungsbildung – Aldol-Additionen 221

Kapitel 20 Carbonsäuren und Derivate 223

Azidität dank Carbonylfunktion 223

Es geht noch saurer – Ameisensäure 223

Die Esterbildung 224

Verseifung 225

Weitere wichtige Derivate von Carbonsäuren 226

Kapitel 21 Heterocyclen 229

Fünfring-Heterocyclen mit Stickstoff 229

Heterocyclen mit Sauerstoff und Schwefel 230

Stickstoffhaltige Sechsring-Heterocyclen 231

Weitere Stickstoff-haltige Heterocyclen 232

Teil IV Alles natürlich – Biochemie 233

Kapitel 22 Aminosäuren und Proteine 235

Primäre und sekundäre Naturstoffe 235

Amino(carbon)säuren 235

Die 20 proteinogenen Aminosäuren 236

Der Rest bringt den Unterschied 238

Der isoelektrische Punkt 239

Die Peptidbindung 240

Große Vielfalt durch Variation 241

Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen von Proteinen 242

Kapitel 23 Kohlenhydrate 245

Hydrate des Kohlenstoffs? 245

Kohlenhydrate – woher sie kommen, wohin sie gehen 246

Monosaccharide – die kleinen Bausteine der Kohlenhydrate 246

D-Glucose und D-Fructose – die süßen Monosaccharide 247

D-Glucose – vom Hydroxyaldehyd zur Pyranose 249

Die Mutarotation der D-Glucose 250

D-Fructose – vom Hydroxy-Keton zur Furanose 251

Von Glucose zur Fructose und zurück 251

Disaccharide – glykosidisch gebunden 253

Noch mehr Glykoside 255

Einfach riesig – Polymere aus D-Glucose 256

Kapitel 24 Lipide 259

Lipophile – aus Liebe zum Fett 259

Energie aus Fetten 260

Phospholipide in Zellmembranen 261

Fettsäuren – ungesättigt besonders wertvoll 262

Auf- und Abbau von Fettsäuren 264

Eine Schmerztablette, bitte! – Acetylsalicylsäure hemmt Cyclooxygenasen 265

Kapitel 25 Nukleinsäuren 267

Der Kern des Lebens 267

Die Nukleinbasen 268

Der genetische Code 268

Zucker und Nukleinbasen bilden Nukleoside 270

Mit Phosphorsäure zum Nukleotidester 271

DNA und RNA sind Polyester 272

Basenpaarung durch Wasserstoffbrücken 273

Teil V Top-Ten-Teil 277

Kapitel 26 Valenzstrich (Lewis)-Strukturen 279

Der Bindungsstrich – zwei Elektronen, die Atome verbinden 279

Elektronenkonfiguration und Kästchenschema 280

Freie Elektronenpaare (lone pairs) 280

Ungepaarte Elektronen in Radikalen 281

Oktettaufweitung bei Elementen ab der dritten Periode 281

Grenzstrukturen (I): induktiver Effekt 282

Grenzstrukturen (II): konjugativer (»mesomerer«) Effekt 282

Dreidimensionale Geometrie 282

Relative und absolute Konfiguration 283

Absolute Konfiguration nach Fischer 283

Kapitel 27 Zehn sensationelle Moleküle 285

Stabiler geht es nicht – Adamantan 285

Ein stabiles Carben 285

Ein stabiles C-Radikal 286

Hoch gespannt und aromatisch 286

Ein dreidimensionaler Aromat 287

Ein Kohlenwasserstoff-Würfel 287

Ein kleiner, billiger, hocheffektiver Katalysator für C-C-Kupplungen 287

Ein Kohlenstoff-Tetraeder 288

Ein Fußball nur aus Kohlenstoff 288

Der invertierte Tetraeder – [1.1.1]Propellan 289

Stichwortverzeichnis 291