FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - atomorbitaler

Transkript

1 FYS 3710 Biofysikk og Medisinsk Fysikk, Bindingsteori - atomorbitaler Einar Sagstuen, Fysisk institutt, UiO

2 Biologiske makromolekyler DNA PROTEIN t-rna

3 Biologiske makromolekyler 4 hovedtyper 1 Proteiner 4 Lipider (aminosyrer) (fettsyremolekyler) 2 Nukleinsyrer (nukleotider) 3 Polysakkarider (sukker) Polymerer Lange kjeder av små molekylære enheter. Vannløselige Lipider Fettløslige stoffer Løses ikke i vann

4 Primærstruktur DNA Protein

5 Bindingstyper Type binding Lengde nm Styrke (vacuum) kcal/mol Styrke (vann) kcal/mol Kovalent (kjemisk) 0, Ionisk (kjemisk) 0, Hydrogen (svak) 0, van der Waals (svak) 0,35 0,1 0,1 1 kcal = 4,184 kj

6 Ioniske bindinger: q 1 r q 2 Pol Pol binding -tradisjonell Coulomb-vekselvirkning Vekselvirkningsenergien V 1/r Na + Cl - er et eksempel på en ren ionebinding r q 2 Pol Dipol binding Vekselvirkningsenergien V 1/r 2 q 1 -q 2 q 1 r q 2 Dipol Dipol binding Vekselvirkningsenergien V 1/r 3 -q 1 -q 2 Pol Indusert dipol v.v. V 1/r 4 Dipol - Indusert dipol v.v. V 1/r 6 (termisk indusert, eller intramol. perturbasjoner) Økt kompleksitet kortere rekkevidde!

7 Elektronegativitetsskalaen

8 Molekylær dipol 8e- OH 1e O d H - + dipolmoment p = Qd Q = + og d = retningsvektoren fra negativ til positiv

9 Vann 2 polare OH-bindinger Permanent dipol - O - P 1 P H H P

10 SUMMEOPPGAVE #5 5 minutter 1) Hva menes med begrepet biologiske makromolekyler hvilke typer molekyler inngår? 2) Hvorfor har vann elektrisk dipolmoment?

11 Hydrogenbindinger Viktigst av de svake bindingene Pol - dipol - O + '- H O Forutsetter permanent dipol med H i ene enden og en elektronegativ nabo. H befinner seg mellom to elektronegative atomer. Eksempel på hydrogenbindinger: >O-H----O (N, Cl,) >N-H----O (N, Cl,) >Cl-H----O (N, Cl,) IKKE >C-H--- O (N,Cl)

12 Hydrogenbindinger Systemet er mest stabilt når protonet er i den dypeste potensialbrønnen 1,6-2 Å 1Å O... H N Eksterne påvirkninger kan gi protontransfer. 1Å 1,6-2 Å O H... N

13 Hydrogenbindinger i VANN Høyt kokepunkt Høy varmekapasitet Lavere tetthet i fast form (is flyter )

14 van der Waals bindinger Svake kontakter mellom molekyler uten permanent dipolmoment. -Temporære fluktasjoner i ladningsfordelinger -vibrerende valenselektroner varierende E-felter temporært induserte dipolmoment Type binding Kovalent (kjemisk) Ionisk (kjemisk) Hydrogen (svak) van der Waals (svak) Lengde nm Styrke (vann) kcal/mol 0, ,25 3 0,30 1 0,35 0,

15 Bohr s atommodell (1913) Kvantifiserte elektronbaner

16 Schrødingerlikningen (tidsuavhengig): H ψ = Eψ Hamiltonoperatoren H = H (E k, V p, ) Totale bølgefunksjonen ψ Enkeltløsninger av S.E.: (orbitaler): φ i (n, l, m l, m s ) med tilstandsenergier E i der i E i E n hoved- eller energikvantetallet 1, 2, 3,..., n (K,L,M...) l angulærmoment (abs. verdi) (banespinn) 0, 1, 2,..., n-1 (s,p,d, f ) m l angulærmoment (retning) (banespinn) -l, -l+1,.., 0,.. l-1, +l m s egenspinn (retning) + ½, - ½ Pauliprinsippet To elektroner kan ikke ha alle fire kvantetall felles

17

18 SUMMEOPPGAVE #6 5 minutter 1) Beskriv og forklar en hydrogenbinding!

19 s Det periodiske system d p Edelgasser f

20 n=1,2,3. K,L,M,.. l= 0,1,2,3, n-1 (s,p,d,f,..) m l = -l, -l+1, -1, 0, 1, 2, +l (2l+1 verdier) m s = -1/2, +1/2 (2 verdier) n=1 K lavest energi l=0 (én tillatt verdi) 1s m l =0, (én tillatt verdi) m s =±½ (to tillatte verdier) K-skallet: 2 elektroner Helium: lukket eller fylt K-skall. Edelgass, lite reaktiv n=2 L l=0, 1 (to tilatte verdier av l) l=0, m l =0, m s =±½ 2s (2 el.) l=1 m l = -1, 0, +1 à m s =±½ 2p (6 el.) L-skallet: (2+6) = 8 elektroner K+L skallet fyllt, 10 elektroner, Neon (Edelgass)

21 K-skallet har max 2 elektroner L-skallet har max 8 elektroner n=3 M l=0,1,2 (tre tillatte verdier av l) l=0 m l =0, à m s =±½ 3s (2 el.) l=1 m l = -1, 0, +1 à m s =±½ 3p (6 el.) l=2 m l = -2, -1, 0, +1, +2 à m s =±½ 3d (10 el.) n=4 N l=3 (f) m l = -3, à m s =±½ 4f (14 el.) Elektronene fyller inn fra laveste energinivå (1s) og oppover 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 2 He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn

22 «Elektronsky» -modellen Tilstandsfunksjon Ψ Ψ (n,l, m l, m s ) Sannsynlighetsfordelingen Ψ 2 s-orbitalet er kulesymmetrisk p- og d-orbitalene har spesielle retninger i rommet

23 d-orbitaler (l=2)

24 p l=1 m l = -1, 0, 1 p x = 1/2 ( 1> + -1>) p y = 1/2 ( 1> - -1>) p z m l = 0 d l=2 m l = -2, -1, 0, 1,

25 Hunds regel (her kalt trikke-prinsippet ) Elektroner fyller opp orbitalene med så mange parallelle spinn som mulig. Oksygen har 8 elektroner. Elektronene fylles inn fra laveste energinivå, og oppover. 2p l=1, m l = -1, 0,+1 2s 2px 2py 2pz n=2 2s l=0, m l = 0, m s = ±½ 1s n=1 1s l=0, m l = 0, m s = ±½ Atomære system med flere enslige (uparede) elektroner S tot = S i S = 0, ½, 1, 3/2, 2,.. m s = -s, -s+1,..., s-1, s totalt 2s+1 verdier 1 elektron S=½ m s = ±½ dublett 2 elektron i ulike orbitaler S=1 m s = -1, 0, +1 triplett 2 elektron i samme orbital S=0 m s = 0 singlett Oksygen i grunntilstanden er altså i en triplett-tilstand! 1 dr dr ( r ) ( r ) ( r ) ( r ) 1 2 i 1 j r1 r2 i j

26 SUMMEOPPGAVE #6 5 minutter Hvordan bygges og visualiseres et atoms elektronstruktur opp basert på Kvantetall Pauliprinsippet Hunds regel??

27