Gyldendal Norsk Forlag AS, 2006 1. utgave, 1. opplag Læreboken er skrevet etter gjeldende læreplan for faget naturfag for yrkesfaglige utdanningsprogram. Boken dekker læreplanmålene Forskerspiren og Ernæring og helse. Printed in Norway by PDC Tangen, 2006 ISBN 13: 978-82-05-35062-5 ISBN 10: 82-05-35062-0 Redaktør: Ellen Semb og Klaus Anders Karlson Bilderedaktør: Anita R. Seifert og Hege Blom Design: CMYKDESIGN Sats og layout: Brødr. Fossum AS Omslagsdesign: CMYKDESIGN Omslagsbilde: Science Photolibrary, fotograf Andrew Syred Bilder, illustrasjoner: Hovedtegner: Anne Langdalen Anja Ruud: 90 Fotografier: Getty Images: 55; GV-press: s. 7 øverst, 18 og 19 age footstock, 51 Vaughan Fleming/Science Photo Library, 78 Science Photo Library; Peter Marion: 40; Ole Moksnes AS: s. 6, 20, 28, 34, 39 nede, 40 nede, 51 midten, 80; Samfoto: s. 7 nederst Leif Rustand, 31 Mimsy Møller, 32 Bjørn Rørslett/NN, 33 Tore Wuttudal/NN, 39 Øystein Søbye/NN, 41 Stein Johnsen, 45 Jyrki Komulainen/Gorilla, Corbis/Scanpix: 30 MG/epa, 37 RF, 49 Louis K. Meisel Gallery, Inc., 77 og 78 Igor Kharitonov/epa; Scanpix: 53 Linnea Larsson/Bildhuset, 84, 89 Håkon Mosvold Larsen Det må ikke kopieres fra denne boken i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Alle henvendelser om forlagets utgivelser kan rettes til: Gyldendal Undervisning Postboks 6860 St. Olavs plass 0130 Oslo E-post: undervisning@gyldendal.no
Til deg som skal bruke læreverket Dette læreverket dekker kompetansemålene Forskerspiren og Ernæring og helse i læreplanen i naturfag for Vg1. Alt fagstoff, oppgaver og forslag til aktiviteter er samlet i denne boka. Det er utviklet et eget nettsted til læreverket med utfyllende stoff, oversikt over egnede nettsteder, forslag til feltarbeid og andre elevaktiviteter. Nettstedadressen er: http://www.gyldendal.no/senit. I starten av hvert kapittel finner du en kort innledning og en oversikt over hva du skal jobbe med i dette kapitlet. Læreplanen står samlet bak i boka. Kompetansemålene denne boka er skrevet etter, er markert med rød skrift. Det er skrevet tilsvarende bøker for de andre kompetansemålene i læreplanen. Kapitlene veksler mellom to typer tekst. Hovedteksten presenterer og forklarer det naturfaglige lærestoffet. «Blåteksten» tar opp ulike problemstillinger, eksempler og annet aktuelt stoff med tilknytning til innholdet i hovedteksten. De vekker nysgjerrighet og knytter faget til hverdagsopplevelser. Mange av momentene i læreplanen er tatt opp i «blåteksten». For å gjøre arbeidet med stoffet lettere har vi tatt med noe repetisjonsstoff fra grunnskolen der du kan ha bruk for det. Dette stoffet er markert i teksten som repetisjonsstoff og på grønn bakgrunn. Hvert kapittel avsluttes med et sammendrag. Kontrolloppgavene er plassert der det er naturlig å stoppe opp og oppsummere hva du har fått med deg så langt i kapittelet. Bakerst finner du oppgaver som er tydelig merket med fargekode for vanskelighetsgrad. Oppgaver med rødt nummer er vanskeligere enn de andre. Gruppe- og nettoppgaver stimulerer til både muntlig og skriftlig aktivitet. En oppgave med overskriften Utfordring er en større oppgave som tester naturfaglig tekstforståelse. Til slutt kommer forslag til elevforsøk. Arbeidet med naturfag vil gi deg grunnleggende kunnskaper som skal hjelpe deg til å forstå erfaringer du selv gjør, og informasjon du tar imot om kropp og helse, om teknologi og naturvitenskap og om naturen omkring deg. De grunnleggende kunnskapene skal også sette deg i stand til å erobre ny kunnskap, enten det er i programfagene innenfor utdanningsprogrammet ditt, i arbeidslivet eller i senere studier. Arbeidet med naturfag skal dessuten gi deg et kunnskapsgrunnlag for å kunne vurdere informasjon, være med i diskusjoner og ta stilling til viktige samfunnsspørsmål. Det er vårt ønske at dette naturfagverket vil hjelpe deg i læringsarbeidet, og at det bidrar til å vekke interesse og glede mens du arbeider med faget. Trondheim og Stjørdal, februar 2006 Peter van Marion Hilde Hov Tone Thyrhaug Øyvind Trongmo
Innhold 1 Naturvitenskap og naturfag 6 Naturfaglig kunnskap 6 Hvem skal ta valgene? 6 Undersøkelser 7 Hypotese 7 Observasjoner 7 Eksperimenter 8 Sikre observasjoner 8 Feil og usikkerhet 9 Å måle med samme mål 10 Modeller av virkeligheten 11 Oppgaver 12 Nett- og gruppeoppgaver 17 Forslag til korte foredrag 17 2 Stoffer i mat og kosmetikk 19 2.1 Næringsstoffer 21 2.2 Kjemiske bindinger 22 Ionebindinger 23 Elektronparbindinger, nøytrale molekyler 24 Elektronparbindinger, polare molekyler 25 Hydrogenbindinger 26 2.3 Organisk kjemi 27 Hydrokarboner 27 Alkoholer 29 Organiske syrer 32 Estere 33 Karbohydrater 37 Proteiner 42 Vitaminer 43 2.4 Mineraler 46 Tilsetningsstoffer i maten 47 2.5 Kosmetiske produkter 49 Fuktighet for huden 50 Såpe og sjampo 50 Leppestift 51 2.6 Soling og UV-stråling 52 UV-indeks 54 Sammendrag 56 Oppgaver 58 Nett- og gruppeoppgaver 74 Forslag til korte foredrag 74 Utfordring 75
3 Fordøyelse og omsetting av næringsstoffer 77 3.1 Enzymer 79 3.2 Fordøyelsessystemet 80 I munnen og spiserøret 81 I magesekken 81 I tynntarmen 81 I tykktarmen 82 Transport 82 Leveren bearbeider skadelige stoffer 82 Leveren regulerer nivået av næringsstoffer i blodet 83 Insulin og glukagon regulerer glukosemengden i blodet 83 Sukkersyke 84 Overskudd av næringsstoffer lagres 85 3.3 Energi i cellene 86 Celleånding 87 3.4 Trening 89 3.5 Spiseforstyrrelser 90 Sammendrag 92 Oppgaver 93 Nett- og gruppeoppgaver 103 Forslag til korte foredrag 103 Utfordring 104 Forsøk 106 Fasit 123 Stikkord 129 Læreplan 131
1 Naturvitenskap og naturfag Naturfaglig kunnskap Vi vet av erfaring at melken holder seg lenger når vi setter den i kjøleskapet. Vi vet at vi kan bli smittet når noen som er forkjølt, hoster eller nyser mot oss. Vi vet også at en flaske brus som står ute i mange kuldegrader, kan fryse i stykker. Dette er eksempler på kunnskap vi har skaffet oss gjennom erfaringer og opplevelser. Men mange vil ikke nøye seg med dette, de vil vite mer. «Hvorfor er det slik? Hvordan kan det forklares?» Mennesker har alltid undret seg over det de kunne observere rundt seg. Undringen er en viktig drivkraft i vår søken etter kunnskap. Uten menneskets undring og nysgjerrighet hadde den naturvitenskapelige kunnskapen vi har i dag, ikke kunnet vokse fram. Men undring og nysgjerrighet er ikke den eneste drivkraften i menneskets søken etter naturvitenskapelig kunnskap. Kunnskap om hva som skjer i melk og andre matvarer som blir bedervet, har satt oss i stand til å velge de beste transport- og oppbevaringsmåtene. Kunnskap om forkjølelsesviruset har gjort det mulig å forstå hvordan vi kan unngå å bli smittet. Jakten på kunnskap om forkjølelsesviruset og andre virus har satt oss i stand til å bekjempe mange sykdommer der virus er årsaken. Naturvitenskapelig kunnskap er med andre ord nyttig for oss. Hvem skal ta valgene? Vi må stadig velge, både i vår egen hverdag og som samfunnsmedlemmer. Hva skal vi spise for å holde oss friske? Skal vi bygge gasskraftverk i Norge? Hvor skal vi legge den nye veien, og hvor skal det være tillatt å bygge hytter? Vi kan la andre velge for oss. Eller vi kan være med og velge selv. Hvis vi vil velge selv, trenger vi mer kunnskap enn den vi kan skaffe oss gjennom erfaringer og opplevelser. Vi må ha kunnskap som setter oss i stand til å vurdere følgene av de valgene vi gjør. Det mangler sjelden gode råd fra mange hold, enten det gjelder hvilken mat som er sunnest, om vi bør satse på gasskraft, eller hvilken veitrasé som skader miljøet minst. For å kunne gjøre de beste valgene trenger vi kunnskap. Uten grunnleggende kunnskap i naturfag må vi overlate mange valg til andre.
naturvitenskap og naturfag Undersøkelser Undersøkelser er grunnlaget for all naturvitenskapelig tenkning. Vi kan for eksempel undersøke hvordan temperaturen virker inn på yteevnen til batterier, og vi kan undersøke hvordan kjøttmeisen finner mat om vinteren. Vi kan også undersøke hva som gjør at vannlopper vi har i et akvarium, først formerer seg og blir mange, men så plutselig går ned i antall. Hypotese Vi starter med å tenke ut mulige hypoteser, eller antakelser vi har. Et eksempel på en hypotese kan være at kjøttmeisen gjemmer mat på faste steder, og at den henter maten fra disse gjemmestedene om vinteren. Et annet eksempel på en hypotese er at vannloppene i akvariet blir færre fordi maten tar slutt. Vi tester hypotesene ved hjelp av observasjoner. Dersom observasjonene våre stemmer med antakelsen vår, hypotesen, styrker det hypotesen. Dersom observasjonene ikke stemmer med hypotesen, kan det bety at hypotesen ikke er riktig og må forkastes. Observasjoner I undersøkelsene vi gjør, er det viktig at vi sørger for systematiske observasjoner. Vi kan for eksempel videofilme en kjøttmeis mens den leter etter mat, og registrere nøyaktig hvor den finner mat. Vi kan observere hvordan antallet vannlopper endrer seg ved å ta vannprøver og ved å telle antallet individer i prøvene. Vi kan måle ved hjelp av instrumenter og samle data om næringsinnholdet, oksygeninnholdet og andre fysiske forhold i akvariet. Å samle data er altså det samme som å gjøre observasjoner. Observasjonene eller dataene vi samler, må systematiseres. Framstillinger i tabeller og diagrammer gjør det ofte lettere å se sammenhenger i datamaterialet.
kapittel 1 Eksperimenter Ofte må vi gjennomføre eksperimenter for å kunne gjøre de observasjonene vi trenger. Vi utfører eksperimenter for å skaffe oss observasjoner under forhold som vi selv bestemmer og kontrollerer. Vi tenker oss et eksperiment der vi skal undersøke hvilken betydning næringstilgangen har for vannloppene. Vi velger å bruke fire akvarier, med like mange vannlopper i hvert av dem. Næringsmengden i akvariene er forskjellig. Vi samler data (observerer) og finner ut hvordan individantallet utvikler seg i akvarier med ulike næringsmengder. Det er næringsmengden som er parameteren i eksperimentet vårt. Vi må være sikre på at de forskjellene vi observerer, skyldes at vi varierer denne parameteren, og ikke noe annet. Derfor er det viktig at de andre forholdene i akvariet, som temperatur og lysforhold, er helt like. Vi må også sørge for at avfallsstoffene ikke hoper seg opp i akvariene. Vi varierer altså én parameter, næringsmengde, mellom ulike akvarier, mens de andre forholdene holdes likt hele tiden. Vi kan også utføre et eksperiment for å se på effekten av for eksempel oksygeninnholdet på antallet vannlopper i akvariet. Da velger vi oksygeninnholdet som parameter. Nå er det oksygeninnholdet vi varierer mellom akvariene, de andre forholdene holdes helt likt i alle akvarier. Sikre observasjoner Det kan være vanskelig å telle alle vannlopper i akvariet. Det ville ta lang tid, og hvordan måtte det i så fall foregå i praksis? For å finne ut hvor mange vannlopper det er i akvariet, tar vi en vannprøve på for eksempel 100 milliliter. Vi teller antallet individer i prøven. Hvis akvariet er på 100 liter, kan vi gange antallet vi telte i vår prøve, med 1000. Da får vi et Vi finner antallet vannlopper i et akvarium ved å telle antallet individer i en vannprøve av en kjent størrelse.
naturvitenskap og naturfag omtrentlig tall på mengden av vannlopper i akvariet. Men er vi sikre på at det antallet vi har kommet fram til ved å gange med 1000, ligger nær opp til det virkelige antallet vannlopper i akvariet? Hva om vannloppene i akvariet «klumper seg»? Da fikk vi kanskje med oss for mange eller for få vannlopper i prøven vår. Vi må altså først forsikre oss om at prøven vi tar, er en representativ prøve. For å være sikker på at tilfeldighetene ikke spiller oss et puss, kan vi ta flere vannprøver. Når vi tar gjennomsnittet fra flere prøver, kan vi redusere risikoen for at vi ved en tilfeldighet har fått et for lavt eller for høyt antall. Feil og usikkerhet Når vi gjør observasjoner, kan det oppstå feil. Det kan være en tilfeldig feil, for eksempel fordi vi teller feil eller leser av en feil verdi på et måleinstrument. Ved feil bruk av et måleinstrument kan vi få feil verdier. Når et instrument vi bruker, ikke er riktig innstilt, får vi en feil i alle de målingene vi gjør. Vi snakker da om en systematisk feil. Mange ganger vet vi at vi gjør feil. Når vi vet at det er snakk om små feil som ikke vil få betydning for det endelige resultatet, kan vi se bort fra dem. I enhver undersøkelse bør det være med en vurdering av mulige feilkilder og av den betydningen de kan ha for resultatet. Usikkerhet i målinger er ikke det samme som feil. Det vil alltid være en usikkerhet i alle målinger vi gjør, selv om det ikke er feil. La oss anta at vi vil gjøre nøyaktige målinger av temperaturen i en væske i en kolbe. Vi bruker et digitalt termometer som gir oss måleverdier med to desimaler, altså to siffer etter komma. Fem målinger gir følgende resultat i grader celsius: Måling nr. 1 2 3 4 5 Målt temperatur i o C 11,26 11,20 11,22 11,21 11,25 Vi regner ut gjennomsnittsverdien: (11,26 + 11,20 + 11,22 + 11,21 + 11,25): 5 = 11,228 Vi runder av til 11,23. Hvor stor er usikkerheten i denne verdien? Et mål for usikkerheten er hvor stort avvik det er mellom gjennomsnittsverdien og de verdiene som ligger lengst fra gjennomsnittsverdien. Forskjellen mellom den største verdien og den minste verdien vi har målt, er 11,26 11,20 = 0,06. Halvparten er 0,03. Når vi oppgir måleverdien vår, kan vi oppgi dette som et mål for usikkerheten: Den målte verdien er 11,23 ± 0,03
10 kapittel 1 Hvor stor usikkerhet vi kan akseptere, er avhengig av hva vi måler, og med hvilken hensikt. Måler vi avstanden fra jorda til månen og finner at usikkerheten dreier seg om noen centimeter, regner vi denne usikkerheten som svært liten. Men får vi en usikkerhet på flere centimeter når vi måler lengden av et bord, er usikkerheten altfor stor til at vi kan akseptere den. Får vi et måleresultat som avviker mye fra de andre, kan det tyde på at vi har gjort en feil. Da bør vi kontrollere ved å gjøre flere målinger. Å måle med samme mål Tidligere var det vanlig å oppgi lengde eller avstand i fot. Det er fortsatt vanlig å bruke denne lengdeenheten for båter og for flyhøyde i luftfarten. Opprinnelig svarte en fot til lengden av foten til en voksen mann. En fot ble delt inn i tolv tommer. Men fotlengden varierer som kjent, og derfor ble målenheten fot satt til 31,375 cm. I Storbritannia og USA ble det imidlertid bestemt at en fot skulle være 30,48 cm. I en verden med stadig økende kontakt var dette uholdbart. Derfor ble meter (m) innført som internasjonal enhet for lengde. Tilsvarende er det innført internasjonale målenheter for tid, masse og temperatur. Størrelse Internasjonal enhet Forkortelse lengde meter m masse kilogram kg tid sekund s temperatur kelvin K
naturvitenskap og naturfag 11 Modeller av virkeligheten Når vi studerer naturen, oppdager vi hvor sammensatt ting kan være, og hvor vanskelig det er å forstå alt. Vil vi danne oss et bilde av den sammensatte virkeligheten, kan en modell være til hjelp. Modeller er alltid en forenkling av virkeligheten. Vi utelater detaljer som vi ikke trenger eller ikke er sikre på. Modeller har derfor begrensninger. Mange av figurene og beskrivelsene i denne boka er modeller av virkeligheten. Digitale simuleringer av naturfaglige fenomener bruker også modeller. En skjematisk modell av et atom.
12 kapittel 1 Oppgaver 1 Vi tenker oss at klassen har fått i oppdrag å avgjøre hvor lang en alen skal være. Hvordan vil dere gå fram? 2 Hva er den minste temperaturforskjellen du klarer å registrere ved å stikke hånden ned i vann med ulike temperaturer? Har temperaturen på vannet noe å si for temperaturforskjellen du klarer å registrere? Hvordan ville du legge opp en undersøkelse som kan gi svar på disse spørsmålene? 3 Sett strek mellom det som hører sammen. lengde K usikkerhet temperatur en fot forenkling av virkeligheten 30,48 cm tolv tommer modell en fot meter ikke det samme som feil
naturvitenskap og naturfag 13 4 Vi tenker oss at fire elevgrupper skal forsøke å finne ut hvor mange vannlopper det er i et akvarium. Akvariet er på 200 liter. Tabellen viser hvordan gruppene gikk fram, og hvilke resultater de fant. Kommenter arbeidet til hver av gruppene. Gruppe Framgangsmåte Antall prøver Prøvestørrelse Antall individer i prøven(e) Beregning av antall individer i akvariet I Prøver fra ulike steder i akvariet 3 200 ml 40, 72, 47 (40 + 72 + 47) : 3 = 53 53 1000 = 53 000 II Prøver fra ulike steder i akvariet 5 100 ml 31, 28, 18, 40, 22 (31 + 28 + 18 + 40 + 22) : 5 =27,8 27,8 2000 = 55 600 III Prøver fra overflaten 5 100 ml 35, 41, 30, 40, 38 (35 + 41 + 30 + 40 + 38) : 5 = 36,8 36,8 2000 = 73 600 IV Prøver fra ulike steder i akvariet 5 100 ml 34, 20, 29, 41, 17 (34 + 20 + 29 + 41 + 17) : 5 = 28,2 28,2 200 = 5 640 5 Sett ordene på riktig plass: forstørret protonene kuler modeller kjernen elektronskall Vi tegner ofte av atomer. I en atommodell er ofte markert med plusstegn og plassert i midten av atomet, i. Elektronene er tegnet som små prikker på sirkler rundt kjernen. Sirklene skal illustrere. Modellen er kraftig i forhold til virkeligheten. På modellen ser atomene ut som flate sirkler, mens de i virkeligheten kan sammenlignes med små.
14 kapittel 1 6 Gjør ferdig begrepskartet. Figurer Hva er det? Egenskaper Begrepet Eksperimenter Eksempler
naturvitenskap og naturfag 15 7 a Er fargen i det midtre feltet lik i begge ender? Dekk ytterfeltene med papir. Hvordan ser det midtre feltet ut nå? b Klarer du å se både ansiktene og vasen? c Når du ser på dette bildet, vil hjernen din fylle ut den manglende informasjonen slik at du ser en firkant selv om sidene mangler. d Hvilken av de vertikale linjene er lengst?
16 kapittel 1 8 Svaralternativ Rett svar Hva gjør en A B C A B C Botaniker studerer bier studerer fisker studerer planter Astronom skriver horoskop studerer verdensrommet er en astrolog Geolog studerer jordskorpa kartlegger gener studerer verdensrommet Arkeolog daterer gamle funn jobber på et arkiv tegner hus Zoolog studerer blåveis studerer dyr studerer alger Glasiolog studerer galakser studerer isbreer studerer fjell Fysiolog masserer vonde muskler studerer fysikk studerer hvordan kroppen virker Meteorolog melder været studerer meteorer studerer metropoler Toksikolog jakter på giftstoffer lager medisiner lager E-stoffer Radiograf lager grafer tar røntgenbilder bruker radiobølger Farmasøyt lager turbiner lager fargestoffer lager medisin Astrolog er en astronom skriver horoskop studerer verdensrommet
naturvitenskap og naturfag 17 Nett- og gruppeoppgaver Nettressurser til flere av disse oppgavene finner du på www.gyldendal.no/senit. 9 Temperaturskalaer Temperatur oppgis vanligvis i grader celsius. I noen land bruker de grader fahrenheit. Etter det internasjonale SI-systemet skal vi bruke målenheten kelvin. Finn ut litt om hver av disse måleenhetene og om sammenhengen mellom dem. 10 Måleenheter a b c d Hvor stort er et mål? Hvor stor er en favn? Hvor mye er en gallon? Finn flere eksempler på gamle måleenheter som fortsatt er i bruk. 11 Reklame I reklamen vises det ofte til såkalte vitenskapelige undersøkelser for å overbevise kjøperen om hvor fortreffelig et produkt er. Finn eksempler på dette blant ulike produkttyper. Forslag til korte foredrag Historien til en av enhetene i SI-systemet Gamle måleenheter Prefikser Naturvitere i arbeidslivet Aristoteles Galileo Galilei Placeboeffekt
18 kapittel 2
2 Stoffer i mat og kosmetikk stoffer i mat og kosmetikk 19 2.1 Næringsstoffer 2.2 Kjemiske bindinger 2.3 Organisk kjemi 2.4 Mineraler 2.5 Kosmetiske produkter 2.6 Soling og UV-stråling Dette kapitlet handler om maten vår og om produkter som brukes til pleie av hår og hud. For å skjønne hvilke roller de ulike stoffene spiller, trenger vi grunnleggende kunnskap om organiske stoffer og kjemiske bindinger. Eksempler på spørsmål vi skal finne svar på i dette kapitlet er: Hvordan dannes kjemiske bindinger mellom stoffer? Hvordan er organiske stoffer bygd opp? Hvilke stoffer består maten vår av? Hvilke hovedbestanddeler finner vi i kosmetiske produkter? Hvordan kan vi beskytte huden mot skadelig stråling fra solen?
20 kapittel 2 Hva skal vi tro? Først får vi høre at sjokolade er usunt, for så å høre at i alle fall mørk sjokolade inneholder stoffer som er bra for helsen! Fet mat, trodde vi, var usunt. Nyere undersøkelser viser at noen typer fett faktisk også kan være sunt. Mediene forer oss stadig med resultater fra nye undersøkelser. Hva skal vi tro på? Kan ikke ekspertene bli enige snart? Dessverre er ikke alle som fremstår og uttaler seg som eksperter, virkelige eksperter. Mye av forvirringen oppstår også fordi mediene ofte gir forenklede framstillinger av forskningsresultater. Forskningen gir sjeldent hundre prosent sikre svar, og det som står i overskriftene, stemmer ikke alltid med det forskerne har sagt. Å påstå at noe er sunt, bør etterfølges av spørsmålet sunt for hva? Lakris skal kunne beskytte mot visse typer virus, men lakris kan også føre til høyt blodtrykk. Det kommer dessuten vel også an på mengden? Det viktigste er at vi ikke kan se på enkelte matvarer alene; det er summen av alt vi spiser, og vår livsstil for øvrig, som er med på å bestemme hvor sunt vi lever.
stoffer i mat og kosmetikk 21 04.01 2.1 Næringsstoffer Alle levende organismer må ta opp næringsstoffer, og det er flere grunner til det: 1 Organismer trenger energi. De grønne plantene er i stand til å utnytte energien fra sollyset, men alle andre organismer må ta opp kjemiske forbindelser som kan tjene som drivstoff for forbrenningsprosessene i cellene. 2 Organismer trenger stoffer som kan brukes som byggemateriale. Kjemiske forbindelser i næringen gir de byggematerialene organismene trenger for å vokse og for å erstatte døde celler. 3 Organismer trenger stoffer for å bygge de molekylene som fungerer som verktøy i de prosessene som foregår i organismen. Som næringsstoffer regner vi karbohydrater fettstoffer proteiner vitaminer salter av mineraler Alle organismer er dessuten avhengige av vann. Vann er et løsemiddel og transportmiddel for næringsstoffene og deltar i mange av de kjemiske prosessene i organismene. De aller fleste organismer trenger også oksygen (O 2 ). Oksygenet deltar i forbrenningen i cellene. Vi tar opp oksygenmolekyler fra lufta gjennom lungene. Selv om vi er helt avhengige av både vann og oksygen, regner vi vanligvis ikke vann og oksygen som næringsstoffer. Plantene lager selv de nødvendige proteinene, fettstoffene og karbohydratene. I tillegg til karbondioksid fra lufta, tar de opp vann med enkle kjemiske forbindelser med de mineralene de trenger. Plantenes næringsopptak skjer gjennom røttene. Planter uten røtter, bakterier og en rekke laverestående dyr kan ta opp næringsstoffer som er løst opp i vann gjennom cellenes overflate. De øvrige dyrene og mennesker må spise for å få den næringen de trenger. I fordøyelseskanalen blir de store protein-, fett- og karbohydratmolekylene delt opp i mindre deler ved hjelp av enzymer.
22 kapittel 2 Om spinat og en regnefeil Spinat ikke så mye jern likevel. For deg som ikke er glad i spinat, må det følgende være en god nyhet! Ingen har vel noen gang trodd at en blir så sterk av spinat som Skipper n, men generasjoner har fått høre at spinat er sunt fordi det inneholder mye jern. Den sveitsiske fysiologen Gustav von Bunge fant på slutten 1800- tallet at 100 gram spinat inneholdt 35 milligram jern. Dette tallet ble brukt i mange ernæringstabeller. Det en hadde oversett, var at von Bunge hadde regnet med 100 gram spinatpulver som var framstilt av ett kilo fersk spinat. Det riktige var altså at 100 gram spinat inneholdt 3,5 milligram jern. Det er faktisk mer jern i hvite bønner og persille enn det er i spinat. Feilen ble nok oppdaget og rettet opp etter hvert, men myten om jernet i spinat har overlevd lenge. Saken blir ikke bedre av at det er mye oksalsyre i spinat. Oksalsyre hemmer opptaket av jern i tarmen, og en regner med at bare en liten del av jernet i spinat blir tatt opp av tarmen. I dag regner vi kjøtt og lever som våre viktigste jernkilder. kontrolloppgaver Avsnitt 2.1: 1 Hva trenger alle organismer næringsstoffer til? 2 Hva regner vi som næringsstoffer? 3 Hvorfor regner en med at bare en liten del av jernet i spinat tas opp i tarmen? 4 Hva regner vi i dag som våre viktigste jernkilder? 2.2 Kjemiske bindinger Næringsstoffene består av ulike grunnstoffer. De grunnstoffene det er mest av i de næringsstoffene vi tar opp, er karbon, hydrogen, oksygen og nitrogen. Dessuten inneholder næringsstoffene en rekke andre grunnstoffer i mindre mengder. Selv om mange av næringsstoffene er kjemiske forbindelser som inneholder de samme grunnstoffene, har de helt forskjellige egenskaper. De egenskapene en kjemisk forbindelse har, bestemmes av hvilke grunnstoffer den består av, og av hvordan de er bundet sammen.
stoffer i mat og kosmetikk 23 Elektronskall Elektronene kretser rundt atomkjernen. De er fordelt på elektronskall. Hydrogen (H) har bare ett elektronskall med ett eneste elektron. De andre grunnstoffene har flere elektronskall. Det er plass til 2 elektroner i det innerste skallet. I det neste skallet er det plass til maksimalt 8 elektroner. Grunnstoffet karbon (C) har 6 elektroner, 2 i det innerste skallet og 4 i det ytterste skallet. Karbonatomet har 4 elektroner i det ytterste skallet. (r) repetisjon Når atomer danner forbindelser med hverandre, skjer det nesten alltid på en slik måte at de får et fullt ytre elektronskall. Dermed går de over i en mer stabil tilstand. For de fleste stoffene betyr fullt ytre skall at det er 8 elektroner i skallet. Hydrogen har fullt skall med 2 elektroner. Oppfylling av det ytre elektronskallet kan skje på to måter: Det ene atomet kan gi fra seg ett eller flere elektroner til det andre atomet, eller atomene som binder seg sammen, deler på elektronene de har i sine ytterste skall. Ionebindinger Et atom som har ett elektron i det ytterste skallet, kan gi det til et annet atom. Atomet som gir fra seg elektronet, får da ett skall mindre, men det som nå blir det ytterste skallet, vil være fullt. Et atom som gir fra seg et elektron, vil miste en negativ ladning. Med en negativ ladning mindre er det flere positive enn negative ladninger. Atomet har nå positiv ladning. Et ladd atom kaller vi et ion. Et natriumatom (Na) som gir fra seg et elektron, blir til et natriumion (Na + ). Et atom som har 7 elektroner i det ytterste skallet, mangler bare ett elektron for å få fylt opp skallet. Dersom det tar opp ett elektron, vil det få en ekstra negativ ladning. Atomet blir altså negativt ladd. Et kloratom (Cl) som tar opp ett elektron fra for eksempel natrium, vil bli til et kloridion (Cl ). Natrium og klor danner en ionebinding. Et natriumatom gir et elektron til et kloratom. Det er en tiltrekningskraft mellom negative ioner og positive ioner. Na + -ioner og Cl -ioner vil tiltrekke hverandre. Bindingene mellom ionene kaller vi ionebindinger. Kjemiske forbindelser som dannes på denne måten, er salter eller ioneforbindelser.
24 kapittel 2 I eksemplet med klor og natrium var det ett elektron som ble overført. Ionebindinger kan også dannes ved at atomer overfører flere elektroner. Ionebindinger er bindinger mellom ioner med motsatte ladninger. Ionene dannes ved elektronoverføring mellom atomene. I et salt er hvert ion omgitt av andre ioner i alle retninger. Ionene med motsatt ladning tiltrekker hverandre, og de med samme ladning frastøter hverandre. I krystaller av saltet natriumklorid (koksalt) er hvert natriumion omkranset av seks kloridioner. På samme måte er hvert kloridion omkranset av seks natriumioner. Modell av en koksaltkrystall. Modell av hydrogenmolekyl. Atomene deler et elektronpar. Elektronparet kan markeres med to prikker eller en enkel strek. Elektronparbindinger, nøytrale molekyler Hvert hydrogenatom har bare ett skall med ett elektron og mangler ett elektron for å få fullt skall. To hydrogenatomer kan «slå seg sammen» og dele på de 2 elektronene de har sammen. De to elektronene danner et elektronpar. Vi kan tenke oss at de 2 elektronene beveger seg i et åttetall rundt begge kjernene. De positive kjernene trekker på de negative elektronene og sørger for at de holder seg i sin bane. I området mellom kjernene er den positive tiltrekningen størst, og elektronene vil derfor bruke mer tid mellom kjernene enn utenfor dette området. Kjernene trekkes mot det negative området mellom dem, men samtidig frastøter de positive kjernene hverandre. Det nye molekylet holdes altså «i balanse» av en tiltrekningskraft og en frastøtingskraft. Karbonatomet har 4 elektroner i det ytterste skallet. Det kan danne bindinger med andre atomer ved at det «deler» sine 4 elektroner med de andre atomene. For eksempel kan et karbonatom binde seg til fire hydrogenatomer. Hvert hydrogenatom bidrar med ett elektron. Fire
stoffer i mat og kosmetikk 25 hydrogenatomer og ett karbonatom danner altså fire elektronpar. Ved å dele elektroner med hydrogen får karbonatomet 8 elektroner i det ytterste skallet.. Bindinger der atomene deler elektroner, kaller vi elektronparbindinger. Det er vanlig å angi et elektronpar med en strek, se figuren. Hvert karbonatom har plass til fire elektronparbindinger. Det kan altså bare være fire streker fra hvert karbonatom. Hydrogenatomet har bare ett elektron og kan bare ha én binding. Når det er én elektronparbinding mellom to atomer, snakker vi om en enkeltbinding. Det kan også være dobbeltbindinger og trippelbindinger mellom atomer. Elektronparbindinger er bindinger der atomer deler elektronpar mellom seg og danner molekyler. Karbonatomet kan danne elektronparbindinger med fire hydrogenatomer. Elektronparbindingene er markert med enkle streker. Elektronparbindinger, polare molekyler Vann har formelen H 2 O. Hydrogen og oksygen er bundet sammen ved hjelp av elektronparbindinger. Bindingene danner en vinkel med hverandre, se figuren. Oksygenatomet deler et elektronpar med hvert av hydrogenatomene. Elektronene vil normalt være nærmere oksygenatomets kjerne enn hydrogenatomenes kjerner fordi oksygenatomet trekker sterkest på de felles elektronene. Dermed blir oksygensiden av molekylet litt mer negativ enn hydrogensiden. Molekylet har en svak negativ og svak positiv pol. Vi kaller vannmolekylet en dipol (di- betyr to). Vi kan også si at vannmolekyler er polare. De polare vannmolekylene kan trekke til seg andre polare partikler Vannmolekylet er en dipol: Oksygenenden er svakt negativ og hydrogenendene svakt positive. De polare vannmolekylene trekker ioner ut av saltkrystallene og holder dem i oppløsning.
26 kapittel 2 eller ioner. Flere vannmolekyler legger seg rundt partiklene og trekker dem fra hverandre. Vi sier at partiklene blir oppløst i vannet. Vann er et løsemiddel for mange stoffer. En rekke ioner er viktige næringsstoffer. De tas opp i organismene som salter. Vannet løser opp saltene og sørger for at de livsviktige ionene kan inngå i de kjemiske prosessene i cellene. Molekyler med en positiv og en negativ pol kaller vi polare molekyler. Hydrogenbindinger Mellom vannmolekyler er det svake bindinger som binder vannmolekylene sammen. De svakt positive hydrogenpolene trekker til seg de svakt negative oksygenpolene av andre vannmolekyler. Vannmolekylene dannet et løst nettverk, se figuren. Bindingene mellom vannmolekyler er hydrogenbindinger. Også mellom andre polare molekyler kan det være hydrogenbindinger. Hydrogenbindinger er svake bindinger, men de spiller en viktig rolle i levende organismer. Mange av de store molekylene i cellene er polare. De bindes til hverandre ved hjelp av hydrogenbindinger. Hydrogenbindingene kan også danne «bruer» som binder sammen ulike deler av store molekyler. Hydrogenbindinger kan danne bindinger mellom ulike deler av store organiske molekyler. Hydrogenbindinger mellom vannmolekyler.
stoffer i mat og kosmetikk 27 Avsnitt 2.2: 1 Hvilke grunnstoffer er det mest av i de næringsstoffene vi tar opp? 2 Hva er det som bestemmer egenskapene til kjemiske forbindelser? 3 Hvordan kan elektronene få fylt sitt ytterste elektronskall? 4 Hva er et ion? 5 Hvordan dannes ioner? 6 Hva er en ionebinding? 7 Hva kaller vi forbindelser som er bygd opp av ioner? 8 I noen tilfeller kan atomer dele elektronene mellom seg. Hva kaller vi en slik binding? 9 Hva er en dipol? kontrolloppgaver 2.3 Organisk kjemi Det er vanlig å dele inn kjemiske forbindelser i organiske stoffer og uorganiske stoffer. Alle organiske stoffer inneholder karbon. Stoffene blir kalt organiske fordi naturforskerne tidligere trodde at slike stoffer bare ble dannet i levende organismer. I dag kjenner vi flere millioner naturlige og kunstig framstilte organiske stoffer. Organiske stoffer inneholder karbon og blir også kalt karbonforbindelser. De organiske stoffene kan deles inn i stoffgrupper eller klasser. Viktige organiske stoffgrupper er hydrokarboner alkoholer organiske syrer estere med blant annet fettstoffer karbohydrater proteiner Karbohydrater, fettstoffer og proteiner utgjør hoveddelen av maten vår. Vitaminer er også organiske stoffer. Hydrokarboner Naturgass består av blant annet metan, etan, propan og butan. Disse stoffene består av bare hydrogen og karbon, derfor navnet hydrokarboner. Molekylformel, strukturformel og modell for metan. Molekylformelen forteller hvilke grunnstoffer eller grupper av stoffer molekylet er bygd opp av. Strukturformelen viser hvordan atomene er plassert i forhold til hverandre. I modellen er det kuler som forestiller atomene. Modellen viser molekylets tredimensjonale form.