NPLB20004U Naturressourcers kemi

Kursets formål er at give den studerende et basalt men solidt kendskab til bio-relaterede naturressourcers kemi med henblik på at kunne forstå og analysere centrale problemstillinger for menneskets bæredygtige udnyttelse af disse (jord, vand, planter, dyr, mikroorganismer og landbrugsprodukter).

Efter to ugers generel introduktion fortsættes kurset med fem uger der undervises case-baseret. De fem cases er:

1: Makronæringsstoffers forbindelser og stofkredsløb, herunder klimapåvirkning og eutrofiering.

2: Fedt og olie: biokemisk energi, essentielle molekylære næringstoffer og akkumulering af miljøgifte.

3: Kemisk ligevægt i organismer og miljø & jordens kemi som basis for plantevækst og miljø: Ligevægte (bufring og opløselighed), jordmineralers struktur og egenskaber, planters optag af næringsioner og samspillet med opløselighed og pH.

4: Biologisk elektrokemi og termodynamik. Vi genbesøger redox-reaktionerne fra case 1 med kvantitative udtryk, og bliver på den måde i stand til at forstå levende cellers energiudbytte af redox-reaktioner. Vi bruger strukturer fra case 2 og 3 til at forstå de basale strukturer som tillader celler at høste denne energi. Vi udvider begreberne fra elektrokemi til alle kemiske reaktioner og ligevægte i den generelle termodynamik. 

5: Biologiske molekyler og organiske miljøgifte: struktur, egenskaber og biologisk funktion.

Kursets laboratoriedel indgår som en integreret del af de fem cases, og skal give et praktisk, personligt oplevet kendskab til naturressourcers kemi, og har som supplerende formål at give den studerende tryghed og glæde ved at arbejde sikkert og omhyggeligt i et kemisk laboratorium.

Kurset afsluttes med en uge til repetition og afrunding inden eksamensugen.

De to introduktionsuger sigter på opnåelse af udenads-paratviden om atomers struktur og interaktion med lys, kemiske forbindelser, det periodiske system, Lewis-teori for kemisk binding, tilstandsformer (gas/væske/fast stof), blanding og opløselighed, stofmængdemål, koncentrationsmål, kemiske reaktionstyper, støkiometri, syrer og baser (Brøndsted-definition), uorganisk nomenklatur og kemisk ligevægt. Der lægges vægt på biokemisk og miljøkemisk stofkendskab med hovedvægt på udvalgte grundstoffer: H, Na, K, Mg, Ca, Fe, Cu, Zn, Al, C, Si, N, P, O, S, Se, F, Cl, He og deres forbindelser af biologisk og miljømæssig betydning. Den generelle atommodel forbindes desuden med moderne grundstofanalyse, og den generelle molekylteori forbindes med moderne massespektrometri af organiske molekyler.

Case 1 sigter på at belyse diversitet, struktur, reaktivitet og biologisk betydning af udvalgte jordbundskemiske og biokemiske forbindelser med fokus på de enkelte makronæringsstoffers karakteristika og stofkredsløb. Stofkredsløbs klimapåvirkning indgår som et af flere eksempler. Laboratorieforsøget har fokus på N og omfatter Kjeldahl-analyse (incl. titrering), betydning af pH for ligevægten mellem ammoniak og ammonium og dermed for Ns flygtighed, opløselighed og fældning, og kompleksdannelse med metalioner. Forsøget giver også den første praktiske anvendelse af beregning af koncentration, stofmængde og korrekt omgang med enheder og betydende cifre.

Case 2 introducerer biokemiske naturressourcer med én af de vigtigste af disse: fedtstoffer. Sammenhængen mellem kemisk struktur og biologisk funktion studeres, og to vigtige analysemetoder til kvalitetsbestemmelse af fedt og olie udføres i praksis (iodtalsbestemmelse og fedtsyreprofil). Miljøkemi inddrages i form af fedtopløselige miljøgifte. Den nødvendige teoretiske basis for det teoretiske pensum og laboratorieforsøget omfatter udvalgte funktionelle gruppers reaktioner, non-kovalente kemiske bindinger og afstemning af redox-reaktioner. Laboratorieforsøget styrker kendskabet til titrering og redox-kemi og introducerer en moderne instrumentel metode: gaskromatografi.

Case 3 omfatter jordbunds- og biokemiske problemstillinger hvori begrebet kemisk ligevægt er centralt. Generelle beregningsmetoder til analyse af ligevægtsproblemer gennemgås, og anvendes på fænomenerne bufring og opløselighed. Som eksempler bruger vi kemiske ligevægte i jord og vand: opløselighedsligevægte for fosfater, carbonater og metalioner, svage og stærke syrer og bufre. Laboratorieforsøget er fokuseret på fosfats jordbundskemi (kvantitativ analyse incl. UV-spektroskopi, fældning, bufferegenskaber), mens andre biologiske buffersystemer og fosfater studeres teoretisk. Vi ser også på jordens kemiske bestandele, herunder lermineraler, humus og kalk, og studerer hvordan planters næringsoptag indgår i et samspil med alle de foregående temaer samt planterøddernes struktur og biokemiske egenskaber.

Case 4 genbesøger en række problemstillinger fra case 1-3. Vi introducerer en kvantitativ forståelsesramme for redox-reaktioner, som tillader os at forstå energiudbyttet fra vigtige redox-reaktioner i jord og sediment. Fra elektrokemisk teori kan vi forstå hvordan tilgængelighed af elektronacceptorer bestemmer dominerende redox-reaktioner i vigtige miljøer (jord, havbund og kovom), og hvilke kemiske reaktioner der kan fungere som energikilder for levende organismer. Forståelse af proteiner (case 1), lipider (case 2) og ligevægte og katalyse (case 3) giver baggrunden for at forstå de strukturer der tillader biologisk energiudnyttelse. Teoretisk udvides begreber og lovmæssigheder fra elektrokemi til den mere generelle termodynamiske teori, som en generel forståelsesramme for sammenhængen mellem kemisk ligevægt og biokemisk anvendelig energi. Vi bruger termodynamikkens begreb ”fri energi” til at forklare jordbundskemiske og biokemiske reaktioners retning og fundamentale biologiske lovmæssigheder. Laboratorieforsøget introducerer elektrokemiske målinger (Måling af reduktionspotential, Nernts ligning) og omfatter desuden reagensglasforsøg om kompleks-ioner og oxidation af metalioner.

Case 5 er fokuseret på biokemiske molekyler og organiske miljøgifte. Med udgangspunkt i case 2 udvides kendskabet til biokemiske funktionelle grupper og organiske forbindelser, herunder de biokemiske forbindelsers funktion og eksempler på kemiske egenskaber der karakteriserer miljøgifte. Den strukturelle introduktion til levende celler fra case 2-4 videreføres til en basal introduktion til cellers struktur og funktion (membraner, genetisk materiale og enzymer). Laboratorieforsøget giver en basal introduktion til organisk stofidentifikation og funktionelle gruppers kemi.