A6.3 Metaller i kroppen

NoteDet skal du kunne
  • finde overgangsmetallerne i det periodiske system og opskrive deres elektronkonfiguration
  • forklare, hvorfor overgangsmetaller har flere oxidationstrin og farvede ioner
  • beskrive et kompleks med centralion og ligander og bestemme dets ladning
  • give eksempler på, hvad jern, zink og andre metaller fra d-blokken bruges til i kroppen

En voksen har omkring 4 g jern i kroppen. Det er ikke mere end et søm, men uden det kunne blodet ikke transportere oxygen. Mange enzymer har også et metalatom i det aktive center, og det er metallet, der gør arbejdet. Næsten alle disse metaller kommer fra samme del af det periodiske system.

d-blokken

Figur 1: d-blokken i det periodiske system.

Metallerne i d-blokken kaldes overgangsmetaller. I afsnit A4.1 så du, at 4s fyldes før 3d. Fra scandium til zink er det derfor 3d-orbitalerne, der fyldes op. Jern har atomnummer 26:

Elektronkonfiguration Kort skrivemåde
argon 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 [Ar]
jern 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 [Ar] 4s2 3d6

I den korte skrivemåde står [Ar] for de 18 elektroner, der sidder som i argon.

Når et overgangsmetal bliver til en ion, er det elektronerne i 4s, der forsvinder først. Derefter kan der forsvinde elektroner fra 3d.

Elektronkonfiguration
Fe [Ar] 4s2 3d6
Fe2+ [Ar] 3d6
Fe3+ [Ar] 3d5
Zn [Ar] 4s2 3d10
Zn2+ [Ar] 3d10

Chrom og kobber er undtagelser: de har kun én elektron i 4s, så chrom er [Ar] 4s1 3d5 og kobber [Ar] 4s1 3d10.

Tre ting, overgangsmetaller har til fælles

Flere oxidationstrin

Elektronerne i 4s og 3d har næsten samme energi. Derfor kan et overgangsmetal afgive forskellige antal elektroner, og det samme metal kan have flere oxidationstal. De kaldes metallets oxidationstrin.

Metal Almindelige oxidationstal Eksempler
chrom +III, +VI Cr3+, Cr2O72−
mangan +II, +IV, +VII Mn2+, MnO2, MnO4−
jern +II, +III Fe2+, Fe3+
kobber +I, +II Cu+, Cu2+
zink +II Zn2+

Det er grunden til, at navnene skrives med romertal: jern(II)ion og jern(III)ion. Fordi metallerne let skifter oxidationstal, er de gode til at flytte elektroner, og det er netop det, der sker i en redoxreaktion.

Zink er anderledes. Zinkionen har fyldte 3d-orbitaler, og zink har kun ét oxidationstrin.

Farvede ioner

Figur 2: Opløsninger af ioner fra d-blokken.

Ioner med delvis fyldte d-orbitaler absorberer synligt lys. Farven afhænger af metallet, af oxidationstallet og af, hvad ionen er omgivet af. Zinkionen med sine fyldte d-orbitaler er farveløs.

Farverne er nyttige. En farvet ion kan måles med et spektrofotometer, som du lærte i afsnit B5.3, og et farveskift kan vise, hvornår en titrering er færdig. Det bruges i afsnit A6.4.

Komplekser

En metalion i vand er ikke alene. Den er omgivet af vandmolekyler, som vender et ledigt elektronpar ind mod den positive ion. Metalionen og molekylerne omkring den kaldes tilsammen et kompleks.

Figur 3: En kobber(II)ion med seks ligander. Fire af dem kan skiftes ud med ammoniak.
  • Metalionen i midten er centralionen.
  • De molekyler eller ioner, der er bundet til den, er ligander. En ligand har altid mindst ét ledigt elektronpar, som den deler med centralionen.
  • Antallet af bindinger til centralionen er koordinationstallet. Det er oftest 4 eller 6.

Formlen skrives i kantet parentes med ladningen udenfor. Kompleksets ladning er centralionens ladning plus ligandernes ladninger.

Kompleks Centralion Ligander Ladning
[Cu(H2O)6]2+ Cu2+ 6 H2O 2+, for liganderne er neutrale
[Cu(NH3)4(H2O)2]2+ Cu2+ 4 NH3 og 2 H2O 2+, for liganderne er neutrale
[Ag(NH3)2]+ Ag+ 2 NH3 1+, for liganderne er neutrale
[Fe(CN)6]4− Fe2+ 6 CN− 4−: 2+ fra Fe2+ og 6− fra liganderne

Du har mødt komplekser før. Den røde ion fra forsøget med jern(III) og thiocyanat i afsnit B2.5 er et kompleks, og sølvionen i Tollens’ test fra afsnit A3.4 er komplekset [Ag(NH3)2]+.

Skiftes liganderne ud, skifter farven. Det ses i figuren, hvor ammoniak gør den lyseblå opløsning mørkeblå.

Titrering med EDTA er forklaret mere udførligt på siden T3.7 Titrering med EDTA i Kemibogen B.

Jern i blodet

Blodets røde farvestof, hæmoglobin, er et protein med fire hæmgrupper. En hæmgruppe er en flad ring med en jern(II)ion i midten.

Figur 4: Hæmgruppen i hæmoglobin.

Jernionen er centralion i et kompleks med koordinationstallet 6. Fem af pladserne er optaget: fire af nitrogenatomer i ringen og én af et nitrogenatom fra proteinet. Den sjette plads er ledig, og her bindes et oxygenmolekyle i lungerne. Bindingen er svag nok til, at oxygenmolekylet slipper igen ude i kroppen.

  • Carbonmonoxid binder sig til den samme plads, men over 200 gange så stærkt som dioxygen. Selv lidt CO i luften optager derfor en stor del af pladserne, og blodet kan ikke transportere oxygen nok. Det er forklaringen på kulilteforgiftning.
  • Oxidation af jernionen fra Fe2+ til Fe3+ ødelægger også transporten. Hæmoglobin med jern(III) kan ikke binde dioxygen.

Zink og de andre

Metal Findes i Opgave
jern hæmoglobin og mange enzymer binder dioxygen og flytter elektroner
zink flere hundrede enzymer, fx alkoholdehydrogenase holder substratet fast i det aktive center
kobber enzymer i cellens energiomsætning flytter elektroner ved at skifte mellem Cu+ og Cu2+
mangan enzymer, der fjerner skadelige oxygenforbindelser flytter elektroner
cobalt vitamin B12 er med til at danne røde blodlegemer
molybdæn enzymer, der omdanner svovlforbindelser flytter oxygenatomer

I et zinkenzym sidder zinkionen i det aktive center, bundet til tre eller fire sidekæder. Substratet sætter sig på zinkionen som en ekstra ligand. Den positive ion trækker i substratets elektroner og gør det lettere at omdanne. Zinkionen skifter ikke oxidationstal undervejs.

Jern, kobber og mangan bruges derimod netop, fordi de kan skifte oxidationstal. De er cellens redoxkatalysatorer, på samme måde som nikkel, platin og jern er industriens katalysatorer i afsnit A5.5.

VigtigtTil den skriftlige prøve
  • Skriv navne på ioner af overgangsmetaller med romertal: jern(II)ion, kobber(I)ion.
  • Skal du opskrive elektronkonfigurationen for en ion, så fjern elektronerne i 4s først.
  • Find oxidationstallet for metallet i en sammensat ion som MnO4− med reglerne fra afsnit 8.3.
  • Ladningen på et kompleks er centralionens ladning plus ligandernes ladninger.
NoteKort sagt
  • Overgangsmetallerne står i d-blokken, hvor d-orbitalerne fyldes op.
  • Når et overgangsmetal bliver til en ion, forsvinder elektronerne i 4s først.
  • Overgangsmetaller har flere oxidationstrin, farvede ioner og danner komplekser.
  • Et kompleks består af en centralion og ligander, som hver deler et ledigt elektronpar med centralionen.
  • Hæmoglobin binder dioxygen til en jern(II)ion i en hæmgruppe.
  • Zink, kobber, mangan, cobalt og molybdæn sidder i enzymer og vitaminer.