Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Kurskompendium, Programfag kjemi, Våren 2011

Etterutdanning i kjemi for lærere i Oslo kommune

Program

7. februar 09.00–16.00

Moderne analysemetoder:

3. mars 09.00–16.00

Energiomsetning og elektrokjemi

29. mars 09.00–16.00

Nanoteknologi

Teori og instrumentering: NMR (Pedersen) Teori

ATP og energiomforming i celleånding og i fotosyntese (Kristensen) Teori

Innføring i nanovitenskap (Fjellvåg/Norby/Nilsen) Teori

Teori og instrumentering: MS (Grønneberg) Teori

Hvordan undervise om energiomsetningen i skolen? (Ringnes) Teori

Om nanomaterialer og deres bruk (Fjellvåg/Norby/Nilsen) Teori

Gruppeomvisning i instituttets laboratorier for MS og NMR Aktivitet

Praktiske øvelser og oppgaveløsning (Ringnes/Skaugrud) Forsøk

Besøk i instituttets laboratorier for nanovitenskap (Nilsen, Fjellvåg) Aktivitet

Lunsj 12.00 – 13.00 Lunsj 12.00 – 13.00 Lunsj 12.00 – 13.00 Forsking og utvikling innenfor MS og NMR (Uggerud/Rise) Teori

Praktiske øvelser og oppgaveløsning (Ringnes/Skaugrud) Øvelser

Nanopartikler – aktiviteter og oppgaveløsning (Skaugrud/Nilsen) Forsøk

Hvor kan en finne eksempelspektra og lage egne øvelsesoppgaver? (Pedersen/Grønneberg) Øvelser

Elektrokjemi – (Grønneberg) Teori

Nanopartikler – aktiviteter og oppgaveløsning (Skaugrud/Nilsen) Øvelser

tolking av spektra (Pedersen/Grønneberg) Øvelser

Elektrokjemi – forsøk (Grønneberg/Skaugrud)

Molekyler som byggeklosser: Supermolekyler i organisk kjemi (Gørbitz) Teori

Evaluering Evaluering Evaluering Nettsteder

For hver kursdag teori: Faglig bakgrunn og aktuelt stoff for lærere, tilpasset læreplanens ”behov”, øvelser: Regneoppgaver og andre typer skriftlige arbeidsoppgaver på elevnivå, aktiviteter: Omvisning på laboratorier og demonstrasjon av instrumenter forsøk: Praktiske forsøk på elevnivå nettsteder: hvor de finner aktuelt lærerstoff.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Utdrag fra læreplan for Kjemi 2. De deler som det fokuseres særlig på i kurset er merket som rød tekst. Forskning Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

• finne fram ti l og presentere eksempler på aktuell kjemirelatert forskning innen miljø og industri

• drøfte hvordan forskere sikrer at forskningen er etisk forsvarlig • gjøre rede for trekk ved vitenskapelig metode i kjemi, og gi eksempler på

forklaringsmodeller som ikke er forenlige med kjemiens forklaringer Analyse Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

• utføre analyser med kolorimetri og tolke enkle massespektre og 1H-NMR-spektre

• planlegge og gjennomføre enkle vannanalyser og vurdere analyseresultatene i forhold ti l vannets bruksområde

Organisk kjemi Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

• gjøre rede for struktur og egenskaper ti l aminosyrer, proteiner, lipider, karbohydrater og ATP

• forklare rollen til hydrogen som energibærer i fotosyntese og celleånding • forklare betydningen av stereoisomeri i biokjemiske reaksjoner • gjøre forsøk med enzymer og forklare hvordan de fungerer

Redoksreaksjoner Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

• gjøre forsøk med elektrokjemiske celler og gjøre rede for spontane og ikke-spontane redoksreaksjoner

• beregne kapasiteten og cellepotensialet til et batteri og utbyttet i en elektrolyse

Materialer Mål for opplæringen er at eleven skal kunne

• gi eksempler på nanomaterialer, hvordan de framstilles, hva som skiller dem fra vanlige materialer, og hva de kan brukes ti l

• vurdere miljømessige konsekvenser ved produksjon og deponering av tradisjonelle og nye materialer

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Teori

Om kjernemagnetisk resonans (NMR) Forfatter: Bjørn Pedersen Uttale: kjernemagnetisk reson̍ans kjernemagnetisk resonans (NMR). Oversatt fra engelsk Nuclear Magnetic Resonance. Populært kalt NMR og i medisinske anvendelser MR da nuclear er knyttet til radioaktive stoffer i de kretser.

Fenomenet er grunnlaget for NMR-spektroskopi og MR-tomografi. Energinivåene som benyttes er ikke gitt i prøven, som i andre former for optisk spektroskopi, men oppstår først når prøven er plassert i et magnetfelt. Fenomenet er knyttet til isotoper som har spinn og et magnetisk dipolmoment. Et elektron har også spinn og magnetisk dipolmoment, så elektronspinnresonans er et analogt fenomen.

Teori Spinn er en størrelse som har med egenrotasjon å gjøre. For en atomkjerne er spinnet kvantisert og kvantetallet kalles I. I er en karakteristisk størrelse for hver isotop, og I kan ha en av verdiene 0, 1/2, 1, 3/2 osv. Et proton, et nøytron og et elektron har alle I = ½. Isotoper med I = 0 er isotoper hvor både atomnummeret og massetallet er like tall som 12C og 16O. Slike isotoper er usynlige i NMR. Isotoper med I = ½ er 1H, 13C, 15N, 19F, 31P og flere andre isotoper med større atomnummer. Isotoper med I = 1 er f. eks. deuteronet og 14N. Alle isotopene av halogenene har I = 3/2.

Isotopene med I = ½ er mest studert, og vi skal begrense oss til dem her. Dette er isotoper som inngår i organiske stoffer. Det har gjort at NMR-spektroskopi er en av de mest brukte spektroskopiske metodene i den delen av kjemien i dag.

En atomkjerne med spinnkvantetall I kan bare innta 2I + 1 stillinger i rommet - en atomkjerne med I = ½ kan således bare innta to stillinger i rommet. I et magnetfelt (B) vil de to stillingene være parallelle med B eller motsatt rettet B. Da atomkjernen også har et magnetisk dipolmoment som kalles μ (gresk bokstav my), får kjernen potensiell energi -μB når dipolmomentet er parallelt med magnetfeltet og +μB når dipolm omentet er motsatt rettet magnetfeltet. Det betyr at fotoner med energi hv kan absorberes eller emitteres fra en samling av slike atomkjerner. Her er h Plancks konstant og ν (gresk bokstav ny) frekvensen av strålingen (strømmen av fotoner). Grunnligningen i NMR er derfor: hν = 2μB. Den verdien av ν som passer inn i ligningen kalles resonansfrekvensen. Det er pga denne ligningen at fenomenet kalles kjernemagnetisk resonans.

Av grunnligningen ser vi at resonansfrekvensen er avhengig av hvilken isotop vi studerer (μ) og styrken på magnetfeltet (B). Begrensningen ligger i magnetfeltet i de magnetene som kan kjøpes på markedet. Den elektromagnetiske stråling som er nødvendig å bruke ligger i radioområdet fra 10 MHz til 1 GHz.

Elektromagnetisk stråling (bilde)

NMR-parametere Etter at prøven er satt inn i spektrometeret tar det tid før samlingen av atomkjerner med spinn (spinnsystemet) kommer i likevekt. Det samme skjer når spinnsystemet utsettes for radiobølger med frekvens lik resonansfrekvensen. En størrelse som er et mål for tiden kalles spinn-gitterrelaksasjonstiden og er gitt symbolet T1. T1 kan være fra brøkdeler av sekunder til minutter. T1 er forskjellig for forskjellige grupper i molekylet og avhenger av temperaturen og løsemiddelet.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

En atomkjerne i et molekyl er omgitt av en sky av elektroner. Elektronskyen reagerer også på magnetfeltet slik at det settes opp et motsatt rettet magnetfeltet i kjernens posisjon (Lenz' lov). Det betyr at magnetfeltet i atomkjernens posisjon avhenger av hvordan atomkjernen er bundet kjemisk i molekylet. Et NMR-spektrum vil derfor inneholde like mange topper som det kjemisk forskjellige grupper i molekylet som studeres. Endringen i resonansfrekvensen kalles et kjemisk skift og måles i forhold til en intern standard.

ET EKSEMPEL 1H-NMR-spektret av en tørr løsning av etanol Strukturformelen for etanol er CH3CH2OH. Etanolen er løst i deuterert kloroform (DCCl3). Spektret vist nedenfor består av tre topper, en fra CH3, en fra CH2 og en fra OH. Da det kjemiske skiftet er proporsjonalt med magnetfeltet, måles skiftet i ppm i forhold til spektrometerfrekvensen. Det kjemiske skiftet i ppm blir dermed en stoffparameter uavhengig av hvilket spektrometer som er brukt for å ta opp spektret. De interne standarden er TMS (TetraMetylSilan (CH3)4Si). Kjemisk skift for CH3 er 1,10 ppm og for CH2 3,57 ppm. Det kjemiske skiftet for OH vil variere som vi kommer tilbake til nedenfor.

Tallet i spektret under hver topp er arealet under toppen. Det er proporsjonalt med antall H-atomer som bidrar til toppen: 2 til CH2-toppen, 1 til OH-toppen og 3 til CH3-toppen. Det kan brukes til å identifisere toppene. I en blanding av flere stoffer, kan dette brukes til å bestemme hvor mye det er av hvert stoff i blandingen. NMR kan brukes derfor både til kvalitativ og kvantitativ analyse.

De tre toppene viser finstruktur. Den er vist over hver av de tre toppene i spektret. Finstrukturen skyldes at 1H-atomene i en gruppe er koblet sammen via bindingselektronene til 1H-atomene i nabogruppene. Da elektronene også har spinn, vil elektronfordelingen rundt en atomkjerne påvirkes av om spinnet til en atomkjerne i nabogruppen peker opp eller ned. Med to spinn vil man ha fire muligheter: ↑↑, ↑↓ ↓↑, ↓↓. Både CH3-toppen og OH-toppen splitter derfor opp i tre topper med

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

intensitetsfordeling 1:2:1 (en triplett). Generelt vil en gruppe som er koblet til N andre H-atomer splitte opp i N+1-topper. Denne N+1-regelen gjelder bare når det kjemiske skiftet er stort i forhold til koblingskonstanten. CH2-gruppen er koblet både til CH3 og til OH. Toppen splitter derfor opp til en kvartett (fra CH3) som igjen er splittet opp i dubletter (fra OH).

Avstanden mellom to nabotopper i tripletten kalles koblingskonstanten og er gitt symbolet J. J er uavhengig av magnetfeltet og måles i hertz (Hz = 1/s). J avhenger av elektronfordelingen rundt begge de atomkjernene som er koblet sammen. J mellom CH2 og CH3 og J mellom CH2 og OH er nesten like og omtrent 8,0 Hz. Da det er tre bindinger mellom H-atomene i dette tilfelle skrives koblingskonstanten 3J. Størrelsen på koblingskonstanten blir mindre dess flere bindinger det er mellom H-atomene. Om alle bindingene er enkeltbindingerer er 5J = 0. Med dobbeltbindinger i molekylet kan 5J være forskjellig fra 0. 13C-NMR-spektret av en tørr løsning av etanol Spektret består av bare to store topper når koblingen til 1H-atomene er fjernet (hvilket er enkelt eksperimentelt). Se spektret vist nedenfor. Vi bruker TMS også her som intern standard. Kjemisk skift for CH3 er 17,4 ppm og for CH2 55,8 ppm. De to toppene viser ingen finstruktur som skyldes kobling til 13C i nabogruppen. Det skyldes at bare 1,1 % av karbonatomene er isotopen 13C. Resten er 12C som har I = 0. Det er derfor bare 1,1 % sannsynlighet for at nabokarbonatomet til et 13C-atom er et 13C-atom.

Fjerner man ikke koblingen til 1H, splitter CH3-toppen opp i en kvartett som igjen splitter opp i tripletter som vist til høyre i spektret ovenfor. Koblingskonstanten som gir kvartetten er en 1J-kobling til de tre H-atomene i CH3-gruppen (lik 120 Hz). Koblingskonstanten som gir triplettene er en 3J-kobling til H-atomene i CH2-gruppen (lik 4 Hz). Analogt splitter CH2-toppen opp i en triplett som igjen er splittet opp kvartetter som vist til venstre i spektret ovenfor. Koblingen til HO-gruppen er tydeligvis for liten til å føre til oppsplitting. De tre små toppene ved 77 ppm er fra løsemiddelet.

Molekyldynamikk

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Det understrekes at de NMR-spektrene vi har drøftet her, er av vannfri (tørr) etanol løst i DCCl3. Setter vi til litt surt vann, vil finstrukturen i OH-toppen forsvinne og det kjemiske skiftet forandres. Det skyldes at H-atomet i OH-gruppen starter å hoppe fra molekyl til molekyl i løsningen slik at finstrukturen midles bort. Det er et eksempel på at NMR også kan brukes til å studere molekyldynamikk.

Opptak av NMR-spektra Et NMR-spektrometer består av magnet, prøveholder, radiosender, radiomottager og datamaskin. Datamaskinen styrer radiosenderen, mottar signalene i radiomottageren og beregner NMR-spektret.

Når prøven er på plass i spektrometeret, bestråles den kort med kraftig radiostråling med resonansfrekvensen. Det kalles en radiopuls eller ganske enkelt en puls. Frekvensen av pulsen er bestemt av størrelsen på magnetfeltet og isotopen som studeres. Pulsen gjør at atomkjernene endrer orientering. Umiddelbart etter pulsen mottas et signal i radiomottageren i spektrometeret fra kjernene når de går tilbake til den orienteringen de hadde tidligere. Signalet overføres til datamaskinen. Fra signalet beregner datamaskinen NMR-spektret som vises på dataskjermen eller som kan skrives ut på en skriver. Beregningen er en matematisk operasjon som kalles fouriertransformering (se FFT).

Spektret inneholder både topper og støy. Nok en puls sendes mot prøven, og man får et nytt signal som legges til det forrige i datamaskinen, og spektret beregnes på nytt. Dette gjør toppene i spektret større i forhold til støyen. Mellom hver puls må man vente en viss tid slik at kjernene kommer i likevekt, hvis ikke kan noen av toppene i spektret bli for små. Forholdet mellom signalet og støyen øker med kvadratroten av antall pulser. Med 10 000 pulser øker forholdet derfor med en faktor på 100.

Når operatøren av spektrometeret synes spektret er godt nok, kan det skrives ut. Operatøren kan også skrive ut posisjonen av de enkelte toppene. Fra disse dataene kan forskjellige NMR-parametere som kjemisk skift, koblingskonstanter og relaksasjonstider beregnes. Fra arealet under toppene kan man beregne hvor mange atomer som bidrar til hver topp.

Hvor fort man får et tilstrekkelig godt spekter er avhengig av konsentrasjonen av stoffet i prøveløsningen. Det avhenger også av styrken på magnetfeltet: sterkere magnetfelt gjør at man trenger færre pulser for å få et tilstrekkelig godt spekter. Da det kjemiske skiftet (målt i Hz) er proporsjonalt med magnetfeltet, vil også toppene kommer lenger fra hverandre og finstrukturen (målt i Hz) enklere å tolke ved et høyere magnetfelt. Men prisen på magneten øker sterkt med styrken, dermed er det et økonomisk spørsmål hvor sterke magneter som er tilgjengelig lokalt.

Vi har hittil forutsatt at vi studerer stoffer i en løsning. Det er også mulig å studere faste stoffer med NMR, men de spektrene har vanligvis bare en bred topp som skyldes kobling mellom kjernenes dipolmomenter. De koblingen midles bort i løsning av pga molekylenes bevegelse. Med med mere avanserte metoder er det mulig å få spektra av faste stoffer som viser finstruktur og ligner på væskespektra.

Informasjon fra NMR-spektra De forskjellige NMR-parameterene kan fortelle hvilke forbindelser som er i løsningen, strukturformelen til den enkelte forbindelse, hvor mye det er av hver forbindelse og om det foregår dynamiske prosesser i løsningen som overgang mellom konformere eller utbytting av H-atomer mellom molekylene.

Historie Det er alltid vanskelig å finne ut når en historie begynner. Begynte den i 1925 da de to hollandske doktorstudentene George Uhlenbeck (1900-88) og Samuel Abraham

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Goudsmit (1902-78) fant finstruktur i de optiske spektra de studerte og forklarte den ved å foreslå at et elektron er en partikkel med spinn og magnetisk dipolmoment? Eller begynte den året før da Wolfgang Pauli (1900-54) foreslo at atomkjernen hadde spinn? Den begynte i hvert fall i 1938 da Isidor Isaac Rabi (1898-1988) for første gang brukte kjernemagnetisk resonans til å øke nøyaktigheten i sine målinger av molekyler i en gass. Han oppdaget 7Li- og 35Cl-NMR i frie LiCl-molekyler. Eksperimentet var foreslått av hollenderen C. J. Gorter(1907-80) da han besøkte Rabis laboratorium. Rabi fikk nobelprisen i fysikk i 1944; Gorter ble bare takket i artikkelen Rabi publiserte.

For alvor begynte historien først i 1945 da forskere tok opp grunnforskningen igjen etter den andre verdenskrigen. Forskningsgruppen til Felix Bloch (1905-83) ved Stanford University og gruppen til Edward Mills Purcell (1912-97) ved Harvard University oppdaget uavhengig av hverandre magnetisk resonans i kondenserte faser: Bloch i vann og Purcell i parafinvoks. De var klar over at Gorter hadde forsøkt både før og under krigen, men uten resultat. I ettertid fant man at det skyldtes at prøvene han studerte var for rene og temperaturen for lav.

Bloch var på jakt etter en metode til å måle magnetfelter. Han benyttet to spoler som sto loddrett på hverandre og kalte sin metode nuclear induction. Takket være brødrene Varian, som hadde tjent penger på klystroner under krigen, tok han ut patent på sin metode og brødrene etablerte et firma som i femtiårene markedsførte de første kommersielle NMR-spektrometere. Noe firmaet Varianfortsatt gjør.

Purcell brukte mikrobølger i sine første målinger. Men hans medarbeidere bygget snart spektrometere i radioområdet. Sammen med sine studenter Nicolaas Bloembergen og Robert Pound utviklet Purcell en enkel teori for magnetisk relaksasjon kjent som BPP etter forfatterne. Bloch og Purcell delte Nobelprisen i fysikk for sine oppdagelser i 1952. Bloembergen fikk sin først i 1981 for sitt bidrag til spektroskopi med en laser – intens lyskilde.

Begrensningen de første årene var ikke elektronikken i radiosenderen og mottageren, men magneten. De benyttet jernmagneter som var noen store og tunge kolosser. Problemet var stabiliteten av magnetfeltet og hvor mye magnetfeltet varierte over prøven (homogeniteten). Men da det ble oppdaget finstruktur i spektrene ble det fart på utviklingen av bedre magneter. Og allerede før 1950 var det oppdaget finstruktur som skyldes magnetisk dipolkobling, kjemisk skift, J-kobling og kvadrupolkobling. Erwin Hahn, doktorgradsstudent hos Bloch, bygget det første puls-NMR-spektrometeret, også før 1950, og oppdaget spinnekko.

Mye av utviklingen i årene etter skyldes konstruksjon av bedre og sterkere magneter. I 1969 kom de første magnetene med en supraledende spole i en tank av flytende helium. Med en slik kunne man lage magneter som var omtrent 10 ganger sterkere enn en jernmagnet. Med transistoren og etter hvert andre halvledere kunne man bygge bedre radiosendere og mottagere. Dessuten kom det etter hvert sterkere og billigere datamaskiner som muliggjorde innføring av stadig mer raffinerte pulsmetoder.

Hovedæren for overgang til pulsmetoder er gitt til sveitseren Richard Robert Ernst (1933-). Før den tiden var det nesten bare 1H som ble studert (i hvert fall av kjemikere). Etter økningen i følsomheten kunne man også observere naturlig forekommende 13C på rimelig tid. Dermed kunne organikere ikke bare studere H-substituenter, men også selve ryggraden i organiske molekyler. Også 15N-NMR ble mulig.

Magnetiske feltgradienter ble i sekstiårene brukt til å studere diffusjon. Gradienten gjør NMR-signalet stedsavhengig, og dermed vil signalet avta om spinnene flytter seg. I begynnelsen av 1970-årene fikk Paul C. Lauterbur (1929-), og omtrent samtidig Peter Mansfield (1933-), ideen om at en feltgradient kunne brukes til å lage bilder. Fra disse to pionerene har industrien utviklet dagens MR-tomografer.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Nesten alle nevnt med navn ovenfor har fått Nobelprisen og er presentert nærmere på Nobelstiftelsens hjemmeside.

Opptak av spektrene NMR-spektrene vist ovenfor er opptatt av senioringeniør Dirk Petersen på Bruker DRX500-spektrometeret ved Kjemisk institutt, Universitet i Oslo (se University of Oslo NMR Center).

Massespektrometri Presentasjon av Truls Grønneberg Et massespektrometer måler massen til ioner. Hvis et ion er et ladd molekyl (M+. som vi kaller et molekylion), er det molkylmassen vi finner. Når et molkylion fragmenterer, finner vi massene til fragmentionene. Som regel er det mange fragmentioner som ofte sammen med et molekylion, danner et mønster. Dette diagrammet kaller vi et massespektrum.

• Diagram som visert relativ forekomst av ioner med ulike m/z-verdier.• Isotoper har nominelle m-verdier nær et heltall, og dermed har

molekylmassene det samme.

CH3COCH3m/z = 58

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Skjematisk massespektrometer

Datamaskin

Detektor

Masseanalysator

Ionekilde

http://www.kjemi.uio.no/ms/slideshow/slideshow2.php?id=omvisning Ofte føres ionene inn i ionekilden fra en gasskromatograf (GC-MS).

I ionekilden blir molekylene ionisert ved hjelp av en elektronstråle: M + e- → M+. + 2e- .

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

POSITIVE IONS

0 volt

Filament current+ 8000 volts

70 volts

REPELLERTRAP

Sourcemagnets

Sourcemagnets

SOURCE BLOCK

SOURCE SLIT

Electron beam

Molekylioner og fragmentioner akselereres i et elektriske felt, går inn i analysatoren som har et kraftig magnetfelt. Ladde partikler avbøyes i et magnetfelt, og de separeres etter masse. Ved å skanne magnetfeltet raskt, for eksempel fra lavere til høyere felt, treffer tyngere og tyngere masser spalten slik at de blir detektert og registret. Dermed får vi et massespektrum. Et massepektrum av et stoff er omtrent som et fingeravtrykk av stoffet. Det finnes databaser med massespektre av tusenvis av forbindelser. Har man en slik database å søke mot,kan datamaskinen ofte finne ut hvilket stoff spekteret er av i løpet av noen sekunder.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Massespekter av etanol

Massespekter av klorbenzen

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Pentan

Propansyre

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

O

CH3 CH3

O

CH3

CH3

-CH3 -CO

m/z 58 m/z 43 m/z 15

McLafferty-fragmenteringen (-”omleiringen”)

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

O

CO

H R

R´

- RCH=CHR´OH

O CH2

m/z 74

H3CH3C

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Aktiviteter Gruppeomvisning i instituttets laboratorier for MS og NMR

Forsøk Det blir ingen forsøk på kursdag 1

Øvelser Øvelser: tolking av spektra (ved Bjørn Pedersen og Truls Grønneberg)

Å tolke enkle 1H-NMR-spektre (protonspektre) • Tolkningsregler • Enkelt vil si at det kjemiske skiftet er stort i forhold til finstrukturen. • Kobling mellom 1H-atomer som har samme kjemiske skift gir ikke

finstruktur. • Antall topper i spektret forteller hvor mange grupper 1H-atomene er fordelt

på i molekylet. • Arealet under hver topp forteller hvor mange 1H-atomer som bidrar til

toppen. • Det kjemiske skiftet forteller hvilken gruppe det er. Elektronegative

substituenter øker skiftet. • Finstrukturen gir antall nabo-1H-atomer (n) fra

(n+1)-regelen. Dette er et enkelt protonspekter.

Det inneholder 4 topper, og 3 av dem har finstruktur. Hva slags stoff kan det være?

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Oppgave: Hvilken HnC-gruppe gir hvilken topp i 1H-spekteret?

16-10-09 Bjørn Pedersen 6

1

1

2

2

3

4

4

3

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Oppgave: Du har fire mulige forbindelser. Hvilken forbindelse gir hvilket spekter?

16-10-09 Bjørn Pedersen 7

a) etan b) kloretan c) 1,1-dikloretan d) 1,2-dikloretan1. Singlett ved 3,7 ppm

2. Singlett ved 0,86 ppm

3

4

Flere oppgaver blir delt ut på kurset.

Nettsteder med aktuelt lærestoff Forsking og utvikling innenfor MS og NMR (Uggerud/Rise) Forskere bruker NMR for å forklare et analytisk kjemisk og immunologisk problem. http://www.kjemi.uio.no/forskning/aktuell/nmr-mot- leddgikt/ Masterstudent Kristofer Larsen forklarer hvorfor to nesten like molekyler isolert fra blåskjell har dramatisk forskjell i giftighet.: http://www.kjemi.uio.no/forskning/aktuell/nmr-studie-av-giftige-blaaskjell/ Her finner du massespektra ved å søke på stoffets navn http://webbook.nist.gov/chemistry/name-ser.html

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Teori

Cellens energivaluta: ATP (også litt om NAD(P)+/NAD(P)H, som også er viktige energibærere PPT-presentasjon av Professor Tom Kristensen, UiO

2

ATP og NADPH er leverandører av fri energi for biosyntetiske

reaksjoner

Et voksent menneske i hviletilstand vil forbruke 40 kg ATP/dag! Ved fysisk aktivitet kan forbruket øke til en halv kilo i minuttet. Den totale mengden som foreligger i kroppen til enhver tid er rundt 100 gram, nok til å dekke noen sekunders behov

Komplekse metabolitter

Degradering

Enkle produkter

Biosyntese

3

Strukturen til ATP

Fosfoester-binding

Syreanhydrid-bindinger

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

4

Prosesser som danner og forbruker ATP

5

ATP har en gunstig plassering i energitabellen

6

“Energirike” fosforsyreanhydridbindinger

enten

eller

Syreanhydridet er mindre stabilt enn produktene av to hovedgrunner:

Færre muligheter til resonansstabilisering

3-4 negative ladninger tvinges til å ligge nær hverandre

Men samtidig som hydrolyse av ATP er en kraftig eksergon reaksjon som frigjør mye energi er ATP rimelig stabilt under fysiologiske betingelser, grunnet en høy aktiveringsenergi for hydrolysereaksjonen!

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

7

Koplede reaksjoner

8

Flere koplede reaksjoner

9

ATP som donor av grupper

1. Fosfatdonor

ATP + glukose heksokinase glukose-6-fosfat + ADP

2. PyrofosfatdonorATP + ribose-5-fosfat fosforibosylpyrofosfat + AMP

Ribosephosphate pyrophosphokinase

3. AMP-donorATP + aminosyre aminoacyladenylate + PPi

Aminoacyl-tRNA synthetase

4. AdenosindonorATP + metionin S-adenosylmetionin + PPi + Pi

Metionin adenosyl transferase

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

10

Strukturen til ATP

Fosfoester-binding

Syreanhydrid-bindinger

11

Dannelse av glukose-6-fosfat –donering av fosfat fra ATP

12

Syntese av fosforibosylpyrofosfat (PRPP) – donering av pyrofosfat fra ATP

PRPP deltar i biosyntesen av nukleosider og av aminosyrene histidin og tryptofan. Enzymet aktiveres av PPi og 2,3-bisfosfoglyserat og inhiberes av ADP og GDP

Ribosephosphate pyrophosphokinase

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

13

Dannelse av aminoacyl-adenylat –donering av adenylsyregruppen i ATP

14

Syntese av S-adenosylmetionin –donering av adenosylgruppen i ATP

15

NAD+/NADH og NADP+/NADPH

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

16

Den metabolske rollen til NAD+ og NADP+

17

Glykolysen• I glykolysen dannes 2

ATP for hvert glukosemolekyl.

• Det dannes 2 NADH som under aerobe forhold oksideres tilbake til NAD+

i elektrontransportkjeden. Under anaerobe forhold gjendannes NAD+ ved forskjellige strategier.

18

Degradering av glukose i glykolysen

Pag

e 58

4

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

19

Reaksjonene i sitronsyresyklus (trikarboksylsyresyklus, Krebs’ syklus)

Pag

e 76

6

20

Strukturen av acetyl-CoA.

Pag

e 76

8

21

Regulering av sitronsyresyklus

Pag

e 79

1

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

22

Den amfibole funksjonen til sitronsyresyklus

Pag

e 79

3

23

∆G°′og ∆G ved fysiologiske forhold for reaksjonene i trikarboksylsyresyklus.

Pag

e 79

0

24Figur 19-1 (19-1) Lehninger

Mitokondriet er omgitt av to membranerYttermembranen er fritt permeabel for små molekyler og ioner (< 5000 Da) via porinInnermembranen har mye større areal enn den ytre og er foldet i ”cristae”To funksjonelle rom: indre(matriks) og ytreInnermembranen er ikke permeabel for andre forbindelser enn de som har egne transportørerProteinene som utfører oksidativ fosforylering sitter i indre membran

•Elektrontransportkjeden•ATP syntasen

Mitokondriet

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

25

Den kjemiosmotiske hypotesen for oksidativ fosforylering ble fremsatt av Peter Michell i 1961, som et alternativ til paradigmet om dannelsen av fosforylerte intermediater på substratnivå. Han fikk nobelprisen i 1978, etter at den kjemiosmotiske teorien var blitt bekreftet i en rekke forskjellige eksperimenter

26 Figur 19-17 (19-16) Lehninger

27

Elektrontransport – the movie

• Wiley & Sons, http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/exercises/index.html

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

28

Elektronenes vandringsretning

29

Lysreaksjonen i fotosyntesen

30

Lysreaksjonen i fotosyntesen

• VCAC: Cellular Processes: Photosynthesis: The Movie

• McGraw-Hill, http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter10/animations.html#

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

31 Figur 19-23 (19-22) Lehninger

32

Elektronmikroskopi av cristae fra intakte mitokondrier som viser F1-subenhetene stikke

som “slikkepinner” inn i matriks

33

ATP syntase – en roterende motor drevet av en protongradient

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Elektrokjemi Forelesning med demonstrasjoner av Truls Grønneberg, UiO

Noen knagger for å lære seg elektrokjemi: Elektrokjemi handler om elektronoverføringer, altså typiske Redoksreaksjoner. Da er det noe som reduseres og noe som samtidig oksideres. Hvis reduksjon og oksidasjon ikke skjer på samme sted, må elektronene overføres via en leder. Da går det en strøm, og vi har elektrokjemi. Redoksreaksjonene vil stanse opp hvis det ikke går en strøm som jevner ut ladningsforskjellen. Systemer der reduksjon og oksidsjon ikke skjer på samme sted, slik at det må gå en strøm, deler vi ofte inn i

Galvanisk element Elektrolyse celle Batteri - ladbart og ikke ladbart Brencelcelle

Noen begreper og punkter å merke seg når det gjelder elektrokjemi: Et system med adskilte reduksjon- og oksidasjonsreaksjon kalles en

elektrokjemisk celle Hver av reaksjonene kalles en halvreaksjon Halvreaksjoner skjer i hver sin halvcelle og beskriver sammen cellereaksjonen Hvis cellereaksjonen er spontan, har vi et galvanisk element Hvis cellereaksjonen er ikke-spontan og bare skjer ved å legge på en ytre ems,

har vi en elektrolysecelle Hvis reaktantene kan tilføres og produktene fjernes mens reaksjonen går, har vi

en brenselcelle Alle disse punktene vil bli belyst og demonstret i forelesningen. Noe av det får kursdeltakerne også prøvet under forsøkene.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Aktiviteter Det blir ingen omvisninger i laboratorier på kursdag 2.

Forsøk Gjæringsforsøk i alginat (beskrivelse kommer)

Hjemmesnekret brenselcelle (elektrolyse og galvanisme) En brenselcelle er i prinsippet et system der man gjør en forbrenningsreaksjon (redoks-reaksjon) der elektronene som flyttes må gå gjennom en yttre leder. I dette forsøket starter vi med å elektrolysere en natriumfulfatløsning slik at vi får dannet oksygen- og hydrogengass på hver sin grafittelektrode. Deretter viser vi at disse to elektroden med gass på danner et galvanisk element ("batteri") som gir oss elektrisk strøm. I prinsippet er dette en brenselcelle fordi oksygen og hydrogen reagerer (hydrogen forbrennes) ved at elektroner flyttes gjennom en yttre leder. Den elektrokjemiske cellen som brukes i forsøket er laget ved å stikke to grafittelektroder som er plukket ut fra et vanlig tørrelement gjennom huller i plastlokket på et lite plastbeger.

Stoffer mettet Na2SO4 (natriumsulfatløsning)

Utstyr elektrokjemisk celle med grafittelektroder dråpeteller batteri 4,5 V lettdrevet motor voltmeter ledninger med krokodilleklemmer (5 stk)

Sikkerhet

Ikke elektrolyser for lenge, for gassblandingen som dannes under lokket er eksplosiv

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Framgangsmåte

Fyll plastbegeret nesten fullt med natriumsulfatløsning. Sett lokket som grafittelektrodene er stukket gjennom. Kobl til den positive terminalen på 4,5 volt batteriet til den ene grafittelektroden. Kobl den negative terminalen til den andre grafittelektroden med motoren i serie. Oppsettet ditt skal nå se ut omtrent som på bildet over.

Noter deg hva som skjer.

Kobl så volmeteret til cellen slik at du får målt positiv spenningen over grafittelektrodene.

La strømmen gå en stund og merk deg hvilken vei propellen går. Noter hva som skjer på elektrodene og spenningen over dem.

Kobl fra batteriet ved å ta av krokodilleklemmene. Når propellen er stanset, festes krokodilleklemmene i hverandre andre slik at du får en sluttet krets.

Noter hva som skjer.

I den første delen av forsøket, der 4,5 volt batteriet var koblet i kretsen, gjorde vi en elektrolyse. Vi laget energirike stoffer ved hjelp av elektrisk energi. I den andre delen av forsøket gjorde vi det motsatte. Vi laget elektrisk energi ved hjelp av kjemisk energi. Cellen er nå et galvanisk element. Denne siste delen er i prinsippet en brenselcelle.

Gjør forsøket om igjen.

Rapport Lag en rapport med en skjematisk figur som viser koblingene, fortegn på elektroder og batteri, strømretninger. Skriv reaksjonslikninger for det som skjer på elektrodene og forklar energioverganger i den elektrokejemiske cellen, både som elektrolysecelle og brenselcelle.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Forklare variansjonene i avlest spenning. Hvilken rolle spiller det oppløste natriumsulfatet? Hvordan ville du gjennomført forsøket med elver?

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Galvaniske celler

Stoffer kobberplate ca. 5 x 10 cm sinkplate ca. 5 x 10 cm NaCl (kjøkkensalt) H2SO4 1 mol/L

Utstyr begerglass (ca. 200 mL) ledninger med krokodilleklemmer (4 stk) lettdrevet motor med propell multimeter tørkepapir

Sikkerhet søl av svovelsyre på tøy kan gi huller

Framgangsmåte Bøy enden på kobber- og på sinkplaten slik at de kan henges over kanten på hver sin side, inne i begerglasset. Kobl multimeteret slik at du til en hver tid kan måle speningen over platene (elektrodene).

Hvis du har en spenning, kobl til motoren for å se om den går.

Kobl fra motor. Hva skjer nå med spenningen over platene?

Så skal du sette multimeteret inn i kretsen for å måle strømmen og koble til motoren igjen. Hvor mye strøm går det? Kobl fra motoren igjen.

Tilsett 1 ts salt og rør i begerglasset. Deretter måler du spenningen over platene. Koble så til motoren og noter deg hva som skjer. Mål og noter deg spenning og strøm som over. Kobl fra motoren igjen.

Tilsett nå noen dråper svovelsyre ned langs kobberplaten. Deretter måler du spenningen over platene igjen. Koble så til motoren og noter deg hva som skjer. Mål og notter deg spenning og strøm. Lag et skjema som viser hvordan utstyret er koblet, og lag en tabell for å sette resultetene inn i. Forklar sammenhengen mellom observasjoner av spenning og strøm, og hvordan motoren gikk. Beregn motorens effekt. Forklar hvilke redoksreaksjoner som lager strømmen i hvert tilfelle.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Spontane redoksreaksjoner Hva skjer med kobberionene i en løsning når de kommer i kontakt med metallet jern (eller metallet magnesium)? Hva skjer med metallet? Kan vi skille oksidasjonen og reduksjonen og få elektronene til å gå gjennom en diode slik at den lyser?

Innhold 1 kobber(II)sulfatløsning (blå løsning) 1 natriumsulfatløsning 1 stålull i rø r (ikke på bildet) 1 diode 1 magnesium 3 tøybiter 1 plastbit 1 klype 1 tørkepapir

Sikkerhet Kobbersulfatløsning skal ikke helles i vasken! Ekstra saks

Gjennomføring

1. Drypp litt kobbersulfatløsning i røret med stålull. Observer fargeforandringen som skjer på stålullen. Noter.

2. Brett magnesiumbiten rundt det bøyde benet på dioden (det korteste benet, som må kobles til negativ elektrode på batteriet).

3. Legg et stykke tøy på hver side av plastbiten og hold dem fast Sett dioden med ett ben på hver side av plasten, utenpå tøybitene.

4. Brett litt tøy over diodebena og hold fast. Sett klypen slik at den holder alt på plass. Sett et merke på klypen på den siden hvor det er magnesiumen.

5. Fukt tøyet på den siden hvor magnesiumbiten er, med natriumsulfatløsning Fukt den smale tøybiten med natriumsulfatløsning (skal bli saltbro)

6. Fukt tøyet på den andre siden med kobbersulfatløsningen

7. Legg den smale tøybiten over kanten på plastbiten og ned på begge sider, utenpå tøystykkene, ved siden av klypen.

8. Se på dioden ovenfra. Dioden lyser! Hvis dioden ikke lyser, kan det skyldes dårlig kontakt. Klem litt på klypen.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Resultat

Skriv reaksjonen for det som skjer i røret med stålull og kobber(II)sulfatløsning.

Skriv ligningen for reaksjonen du tror vil skje hvis du bytter ut stålull med magnesium:

Forklar hvorfor dioden lyser.

Dioden på bilde 2 har lyst en stund. Forklar hvorfor diodebenet uten magnesium har fått en rosa farge.

Hvor lenge tror du dioden kan lyse med dette batteriet, som du nå har laget? Begrunn svaret ditt.

Konklusjon

Hva skjer når dioden lyser?

Rydding

Fjern kobberionene fra restene av kobber(II)sulfstløsningene med stålull. Tøm løsningene i vasken og faste rester som restavfall. Sorter avfallet og legg det i riktige avfallsdunker:

• gjenbruk: Diode, klype, plastbit • plastemballasje: Pose, dråpetellere og rør • restavfall: Tørkepapir med løsninger, stålull og rester av stålull, tøybiter

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Øvelser Praktiske øvelser og oppgaveløsning (Ringnes/Skaugrud)

Oppgave Kryss av for om påstanden er riktig eller gal. Er påstanden gal, kan du skrive et riktig utsagn i rubrikken til høyre. Påstand Riktig

påstand? Gal påstand?

Riktig utsagn

ATP er et langtidslager for energi.

I ATP er det tre fosfatgrupper. Når ATP avgir en energipakke brytes bindingen mellom ribose og fosfat.

Omdanningen av ATP til ADP er spontan.

Et nukleotid er bygd opp av en base, et sukker og en fosfatgruppe

Basen i et nukleotid er en svovelholdig forbindelse.

Adenosin (i ATP) er en forbindelse av adenin og ribose.

Nikotinamid får vi i oss under røyking, det finnes ikke i kroppen.

NAD er den reduserte formen av NAD-2H.

FAD-2H er en hydrogenbærer. I redoksreaksjoner i cellen overføres 2H som 2H+ +2e−.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Oppgave Figuren viser en skjematisk figur av sitronsyresyklusen som er en del av celleåndingen. Syre 1 er sitronsyre, syre 2 har systematisk navn propen-1,2,3-trikarboksylsyre, syre 3 heter 1-hydroksypropan-1,2,3-trikarboksylsyre, og syre 4 heter 2-okso-pentandisyre. 1) Tegn strukturformlene til syrene 2, 3 og 4. 2) Forklar hvilken type reaksjon som skjer i hvert trinn når:

syre 1 → syre 2 → syre 3 → syre 4.

Flere øvelser deles ut på kursdagen

Nettsteder med aktuelt stoff Aktuelt stoff http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter10/animations.html# http://www.viten.no/nob/ (fotosyntese)

http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/atpgradient/movie-flash.htm http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/photosynthesis/movie-flash.htm

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Teori Innføring i nanovitenskap (Fjellvåg/Norby/Nilsen) PPT legges ut på passordbeskyttet nettsted. Molekyler som byggeklosser: Supermolekyler i organisk kjemi (Görbitz) PPT legges ut på passordbeskyttet nettsted.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Aktiviteter Besøk i instituttets laboratorier for nanovitenskap (Nilsen, Fjellvåg)

Forsøk

Nanopartikler av gull Nanopartikler av gull har vært kjent i mer enn tusen år, uten at man har visst hvor små de i virkeligheten var. Nanopartiklene ble brukt til å lage rødfarget glass og som vidundermedisin for legeme og sjel under navnet aurum potable (gull som kan drikkes). I helsekostbransjen finnes det i dag mange produkter med nanopartikler på markedet. I markedsføringen av produktene brukes historien som «dokumentasjon», og det utnyttes at nanoteknologi er et aktuelt tema i tiden.

Vi skal i denne aktiviteten lage løsninger av nanopartikler av gull og forandre størrelsen på partiklene slik at løsningene får forskjellig farge. Gullkilden er en svakt gulfarget løsning av tetraklorgullsyre H[AuCl4]. (Syren er fremstilt av AuCl3, gull(III)kloridløst i HCl(aq).) Vi skal varme en løsning av tetraklorgullsyre til koking og tilsette trinatriumsitrat i overskudd under omrøring. Gull(III)ionene reduseres da til metallisk gull som små partikler. Noe av sitratet oksideres, mens resten av sitrationene, som har tre negative ladninger, binder seg til gullpartiklene slik at de får en negativ overflate. Disse gull-sitrat-partiklene er 13 nm i diameter. Den negative overflaten gjør at partiklene frastøter hverandre og ikke klumper seg sammen. Vi får det vi kaller en kolloidal løsning av gull. Løsningen er rød og ser klar ut fordi partiklene er så små at vi ikke kan se dem. Sender vi lys gjennom løsningen, vil vi se selve lysstrålen fordi lyset spres av partiklene. Hvis vi tilsetter en saltløsning til den kolloidale løsningen av gull, vil de tilsatte ionene hindre frastøtingen mellom gull-sitrat-partiklene, og partiklene klumper seg sammen til større partikler. Det gjør at løsningen nå absorberer lys med lengre bølgelengde, og løsningen blir blåfarget. Hvis vi i stedet tilsetter en løsning som inneholder molekyler og ikke ioner, får vi ikke denne fargeforandringen.

Problemstilling

Hvordan kan vi lage nanopartikler av forskjellig størrelse, og hvordan innvirker partikkelstørrelsen på fargen på gulløsningen?

UTSTYR

Fellesutstyr · 1,0 mmol/L H[AuCl4]* · 5 % Na3C6H5O7, natriumsitrat · 5 % NaCl · 20 % sukrose · 7 %-eddik Utstyr for hver elev · begerglass, 50 mL · målesylinder, 25 mL · gradert dråpeteller, 3 mL · 4 dramsglass · glasstav · brenner · trefot med trådnett · (magnetrører med varmeplate)

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

* Oppskriften står på side 194.

SIKKERHET

· bruk briller og hansker

Fremgangsmåte og observasjoner

1) Fremstilling av kollodial gulløsning Overfør 20 mL av den svakt gule H[AuCl4]-løsningen til begerglasset og tilsett 3 mL natriumsitratløsning. Sett et merke på begerglasset så høyt som den nye løsningen står. Varm løsningen og la den koke mens du hele tiden rører. Fyll etter med vann når det er nødvendig. Legg merke til fargeforandringene som skjer. Fortsett med å koke og røre i ca. 10 minutter til løsningen har fått en dyp rød farge. Avkjøl den røde løsningen, som er en kolloidal løsning av gullpartikler med en diameter på 13 nm. 2) Testing av kolloidal gulløsning Mål opp 3 mL av løsningen i fire dramsglass og tilsett 3 mL vann i hvert glass. Nummerer glassene 1–4. Tilsett 5–10 dråper natriumkloridløsning, sukkerløsning og eddik i hvert sitt glass. Det fjerde glasset brukes til sammenligning. Observer eventuelle fargeforandringer i de fire glassene og noter resultatet i tabellen. Glass nr. 1 2 3 4

Kollodial gulløsning 3 mL 3 mL 3 mL 3 mL

Vann 3 mL 3 mL 3 mL 3 mL

5–10 dråper av NaCl(aq) sukkerløsning eddik –

Farge på gulløsningen

Resultater og spørsmål

a) Forklar hvorfor gullpartiklene ikke synker til bunns i den røde løsningen. b) Forklar de fargeforandringene som skjer ved tilsetning av forskjellige stoffer til gulløsningen.

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

Øvelser Nanopartikler – aktiviteter og oppgaveløsning (Skaugrud/Nilsen)

Oppgaver

10.6 Nanomaterialer 10.6.1 Hvilket utsagn om et nanomateriale er feil? A Et nanomateriale har andre egenskaper enn et tradisjonelt materiale laget av samme stoff. B Et nanomateriale kan lages av alle typer stoffer som metaller, keramer, polymerer etc. C Et nanomateriale er bygd opp av enheter som er på nanostørrelse i enten én, to eller tre dimensjoner. D Ethvert nanomateriale består av nanopartikler. E Det er ingen prinsipiell forskjell på en nanopartikkel og et molekyl.

Svar 10.6.1 D 10.6.2 Besvar disse spørsmålene om nanomaterialer: a) Hva heter instrumentet som kan brukes til å se atomer og flytte på dem? b) Hva er nanorør laget av?

c) Hva er en hybridfilm? d) Finnes det naturlige nanomaterialer? Svar 10.6.2 a) sveipemikroskop b) karbon c) en nanometertynn kompositt av et organisk og et uorganisk materiale d) ja, f.eks. et skjell 10.6.3 Gå inn på NRK, Schrodingers katt om nanokarbonrør fra 2003. (http://www.nrk.no/programmer/tv/schrodingers_katt/1.1851844.) Søk også på nettet om produksjonen av nanorør ved SINTEF/NTNU, eventuelt andre steder. a) Hva er likheten og forskjellen på nanokarbonrør og grafitt i oppbygning? b) Hvordan kan nanokarbonrør lages? Og i hvilken mengde og til hvilken pris? c) Hvilke egenskaper gjør nanokarbonrør til et supermateriale? d) Hvilke hindringer er det for en utstrakt bruk i dag? Svar 10.6.3 a) Begge er karbon, og atomene er bundet sammen i et mønster med sekskantede ringer. Grafitt-laget er flatt, mens i nanokarbonrør er ringen koblet sammen til et rør. Flere rør kan ligge utenpå hverandre. b) Ved å sette en spenning over to grafittelektroder (4000 oC på Kjeller i 2003, 30.000 oC ved SINTEF i 2005), karbon fordamper på den ene elektroden og setter seg av som nanorør på den andre. Noen gram om dagen i 2003 til noen kilo om dagen i 2005. c) Svært sterk og lett materiale d) Dyrt å fremstille, kostet 1000 kr per g (2003), vanskelig å fremstille i større mengder. 10.6.4 En aluminiumsboks for kullsyreholdig drikke veier omtrent 2,5 gram. Anta at aluminiumen i denne boksen valses ut til en plate som bare har en tykkelse på ett atom,

Skolelaboratoriet – Kjemi, UiO

en bredde på 1 meter. Radius til et aluminium atom er 0,145 nm. Vi antar at atomene ligger i et kvadratisk mønster.

a) Beregn stoffmengden aluminium i boksen. b) Beregn hvor mange aluminiumatomer det er i stoffmengden av boksen. c) Beregn lengden av platen.

Svar 10.6.4

a) 0,0927 mol Al b) 5,58 ∙ 10 22 atomer c) Antall atomer langs 1 m = 1m/(2 ∙ 0,145 nm) = 3,45 ∙ 109. Antall atomer i 1 m2: (3,45 ∙ 109)2 = 1,19 ∙ 1019. Lengde av platen: 5,58 ∙ 1022 atomer/1,19 ∙ 1019 atomer/m = 4,69 km. 10.6.5 Dyr og planter er trolig fremdeles de beste til å utnytte nanoteknologien. Ofte lager naturen strukturer som er vanskelig å etterligne i laboratoriet. Ett slikt kunstverk er proteinene i kroppen vår. Hva er det som gir proteiner en plass i nanoteknologien? Svar 10.6.5 Et protein er en kjede av aminosyrer. Tykkelsen av kjeden har nanometerdimensjoner så et protein er et todimensjonalt nanomateriale. Enzymer er partikler med nanostørrelse. De kan kalles funksjonelle materialer.

Nettsteder med aktuelt stoff Aktuell forskning ved tynnfilmlaboratoriet ved KI/SMN:

http://www.kjemi.uio.no/forskning/aktuell/tynnfilm-laboratoriet/

Er det muleg å lage fleire centimeter lange nanotrådar? Forskarane gjekk til eit lite, piggete sjødyr for å finne svar. Og det svarde ja.

http://www.forskning.no/artikler/2010/desember/273918

Hva slags innvirkning kan nanopartikler ha på kroppen og miljøet? Amerikanske forskere har studert hvordan slike partikler reagerer med 20 ulike stoffer.

http://www.forskning.no/artikler/2010/august/258657 Om supermolekyler i organisk kjemi: http://en.wikipedia.org/wiki/Supramolecular_chemistry http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_engineering