Chemical Basis of Life by hcj

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									            The Chemical Basis of Life


Chapter 2
The Atom
The Periodic Table
            Chemical make-up of water 

• Water has the chemical formula H2O. A water 
  molecule contains one oxygen and two 
  hydrogen atoms connected by covalent bonds.
      Hydrogen Bonding
• Intermolecular    vs    Intramolecular
    Chemistry: Lesson Plan Day 2
• Hand Back & Review Essays/record results
• HW due dates- review
• Highlight BOTH the properties of water 
  handout (for water lab) and the buffers 
  handout (prep for our lab on Thursday)
• Review Properties of water and relate to the 
  water lab
• Second Hour- Acids, Bases, Buffers
Tartigrade……Water Bear
Tartigrade ‘tun’
Properties of Water
*The Importance of Water to Organisms


•   High Water Content in living things
•   Abiotic Factor
•   Biodiversity
•   Solvent Properties

Next few slides…for discussion of these topics
                                    
             Humans
• Up to 60% of the human body is water,
(The brain is composed of 70% water, and 
the lungs are nearly 90% water. Lean muscle 
tissue contains about 75% water by weight, 
as is the brain; body fat contains 10% water 
and bone has 22% water. About 83% of our 
blood is water, which helps digest our food, 
transport waste, and control body 
temperature.)

•   Each day humans must replace 2.4 liters 
    of water, some through drinking and the 
    rest taken by the body from the foods 
    eaten.
                 Water as an Abiotic Factor:
                      it’s everywhere!
• Water is the key to 
  our survival on Earth, 
  it is our source of life
• Water is everywhere! 
  It makes up about 
  70% percent of the 
  Earth’s surface
• Of that water, about 
  97% is ocean, and 
  only 3% is fresh 
  water
         Water and Biodiversity
              The “Universal Solvent”




Water is capable of dissolving a variety of different substances, which is why it is such 
a good solvent. In fact, water is called the "universal solvent" because it dissolves 
more substances than any other liquid. This is important to every living thing on earth. 
It means that wherever water goes, either through the air, the ground, or through our 
bodies, it takes along valuable chemicals, minerals, and nutrients.
*Properties of Water

  •    Cohesion
  •    Adhesion
  •    Surface Tension
  •    Capillarity
      Discuss each/relate to Water Lab
                       Definitions
• Cohesion: Molecules have a strong tendency to ‘stick’ to 
  one another. 
       -Attraction between like substances
       -Water is attracted to Water: spherical shape of the
mid air droplet/dome shape on the penny/in the petri dish

• Adhesion: Molecules have the ability to stick (adhere) to  
  one another.
        -Attraction between like substances 
        -Water ‘sticks’ to other substances: teardrop shape at
the tip of the pipette/penny/sides of the petri dish/sides of the
capillary tubes
       Adhesion and Cohesion
• Adhesion                Cohesion
….and gravity…
                   Surface Tension
• The property of the surface of a 
  liquid (water) that allows it to 
  resist an external force, 
  (adhesion) due to the cohesive 
  nature of the (water) molecules.   
*Stronger cohesive forces between
surface water molecules (and pull
downward from those below) than
adhesive forces of attraction to the air,
creating a supportive ‘skin’.

*Needle is MORE DENSE that the water
- should NOT float
               Capillary Action



• Capillary action: the movement of water (in a tube) due 
   to the forces of adhesion, cohesion, and surface tension. 
*When the adhesion to the walls is stronger than the
cohesive forces between the liquid molecules; limited by
surface tension and gravity.

                             Plants take advantage of capillary action to pull 
Importance in Biology?       water from the into themselves. From the 
                             roots water is drawn through the plant by 
                             another force, transpiration.
   Which is greater……A or C?




                   ?
                               Surface Tension
                                     and
                               Capillary Action
Hydrogen Bonding explains the way water 
  responds to changes in temperature
                                                                To increase the 
                                                                temperature, 
                                                                molecules must 
                                                                be moving 
                                                                faster- much of 
                                                                the  energy 
                                                                added to a 
                                                                system is used 
                                                                to break the 
                                                                H-bonds, only 
                                                                a portion is 
                                                                available to 
                                                                speed up 
                                                                movement of 
                                                                the water 
                                                                molecules…
                                                                (Temp = av. KE)


Hydrogen bonds are formed or broken as water changes from one state to another
*High Specific Heat (Heat Capacity)

• Amount of energy required to raise the 
  temperature of water
                  1 cal/gH2O/1◦C

   Importance in Biology?

 BECAUSE WATER REQUIRES SO MUCH HEAT INPUT/LOSS TO CHANGE ITS’ TEMP:
 • Oceans and large bodies of water have relatively constant temperatures
 • High water content of organisms help them maintain relatively constant internal 
   temperatures.  Biological reactions occur in a relatively narrow temp. range.
    *High Heat of Vaporization
 • Amount of Heat Energy needed to change 1g of
 a substance from a liquid to a gas = phase change 
 • Water:  A calorie is the amount of heat energy 
   required to raise the temp. of 1g of water 1◦C
 • 540 cal = Water’s Heat of Vaporization- very 
   high compared to other substances due to H-
   bonds
 • (HW question #32)
 • Importance in Biology?? cooling- dissipate xs heat as sweat.
   Exothermic Reaction: Sweating: Evaporative
   Nature- leaves stay cool as transpiration occurs
 *Polar Molecule (Solvent Properties)

• Water: The ‘Universal Solvent’ that allows 
  molecules (usually ionic or polar molecules) to 
  dissociate (separate) into individual ions.
  – Example: NaCl    salt:dissolved substance is the ‘solute’

 *Wherever water goes, either through the air, the ground, or through our
 bodies, it takes along valuable chemicals, minerals, & nutrients.


  Cushioning:  water protects vital organs from jarring
Dissociation of a Water Molecule:
 Breaking apart into two ions of 
         opposite charge




         H2O             H+          and     OH-
                  hydrogen ion            hydroxide ion


                         Acids and Bases
                   Acids- Bases
• ACID:    Any substance that increases the 
  concentration of hydrogen ions when added to a 
  water solution.   (< 7 on the pH scale)
  – # H+   ions is greater than the number of OH-   ions, the 
    solution is an acid
• BASE:    Any substance that increases the 
  concentration of hydroxide ions when added to a 
  water solution
  – # OH-  ions is greater than the number of H+   ions, the 
    solution is a base
Definition of acids and bases
pH = Powers of Hydrogen Scale   0-14
  Concentration of free floating H+ determines
         the pH (acidity) of the solution
0-14 Acid Base Scale- A Logarithmic Scale 
                                    ONE pH unit is a 
                                   tenfold change in 
                                  acidity or alkalinity.


                                  A solution with a 
                                   pH of 4 has 10 
                                   times more H+ 
                                     ions than a 
                                   solution with a 
                                  pH of 5, and 100 
                                   times more H+ 
                                     ions than a 
                                   solution with a 
                                       pH of 6
       Dissociation of Acids and Bases

                          Strong acids (HCl) and 
                              bases (NaOH) 
                          completely dissociate; 
                               irreversible



Weak acids and 
bases do not
H2CO3
*A reversible reaction
         R 
       FO
  VIEW B       Dissociation of a Water Molecule:
RE LA
                Breaking apart into two ions of 
                        opposite charge




                  H2O             H+          and     OH-
                           hydrogen ion            hydroxide ion

      H+ = 1 X 10-3 pH = ?
                                   Acids and  Bases
       Dissociation of Acids and Bases

                          Strong acids (HCl) and
                              bases (NaOH)
                          completely dissociate; 
                               irreversible



Weak acids and 
bases do not
H2CO3
*A reversible reaction
   Buffers
• Any substance 
  that resists 
  changes in pH 
  when an acid 
  or base is 
  added
• Maintain 
  dynamic 
  equilibrium
      Carbonic Acid Buffer System in Blood




Respiratory Acidosis/Alkalosis                    Metabolic Acidosis/Alkalosis
1.   Excessive Protein dieting/Prolonged exercise-muscle overuse
2.   Impaired lung function/narcotics use (abuse)
3.   Excess diuretics (Decr. blood volume)/vomiting (loss of stomach acids)
4.   Hyperventilating
              Right or Left Shift
             Alkalosis vs Acidosis




• Excessive Protein dieting/Prolonged exercise-muscle 
  breakdown or overuse
• XS diuretic use (Decr. blood volume)/vomiting (loss of 
  stomach acids)
• Impaired lung function(emphysema, pneumonia)/narcotics
• Hyperventilating

								
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