Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 201
PSEChemie für
Mediziner und Medizinische
Biologen
WS 2007/2008
Hochschuldozent
Klaus Schaper
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PSELöslichkeit
Die Löslichkeit hängt ab
vom Lösungsmittel,
von der gelösten Substanz
von der Temperatur (Die Löslichkeit von Feststoffen und Flüssigkeiten steigt mit der Temperatur, die von Gasen fällt mit der Temperatur)
vom Druck (Die Löslichkeit von Gasen steigt mit steigendem Druck –Der Druck hat keinen Einfluss auf die Löslichkeit von Feststoffen und Flüssigkeiten.)
Die Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme (nicht die Menge) eines Gewässers hängt von der Oberfläche ab.
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PSENernstscher Verteilungssatz 1
2 K: Verteilungskoefizient (Konstante, f(T)),
c: Konzentration
PhaseAPhaseA
cKc
=
100 ml Wasser und Ether,
4 g von B, K = 0,01 = 1/99
=>Im Becherglas 2 sind:
0,04 g B im Ether und
3,96 g B im Wasser,
Im Becherglas 4 sind:
0,04 g B im Ether und
3,92 g B in Wasser,
Also insgesamt:
0,04 g B in 200 ml EtherVerglichen mit 3,75 g A in 200 ml Ether! => Trennung
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PSEAdsorption
Adsorption findet an der Oberfläche eines Feststoffes statt.
Adsorbiert werden Gase, Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten gelöste Stoffe.
Bsp.: Aktivkohle, Kieselgel, Aluminiumoxid, …
Abhängig vom adsorbierten Stoff, vom Adsorbens (und evtl. vom Lösemittel).
Größe der Oberfläche => mahlen.
Konzentration (bzw. Druck) des adsorbierten Stoffes.
Temperatur.
Sättigung
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PSEFragen 1/Zeeck
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PSEFragen 2/Zeeck
110/94
Siehe nächste Seite.
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PSEPeriodensystem des Lebens
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PSEFragen 2/Zeeck
Siehe nächste Seite.
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PSERadionuklide
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PSEFragen 3/Zeeck
Anion > neutrales Atom > Kation
NHH
HH
Siehe Folie 117SO
OO O
Sulfat
CO
O
O
2
Siehe Folie 148
(kovalente Bindung)
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PSEFragen 3/Zeeck
Stickstoff:
3-bindig
Siehe nächste Seite.
Hybridisierung
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PSEDipolmoment von CO2
CO2 bildet zwei σ-Bindungen und zwei π-Bindungen (siehe Theorie der Doppelbindung)
⇒sp-Hibridisierung
⇒Linear
⇒O ist Elektronegativer als C, Dipol jeder Bindung weißt von C nach O
⇒Zwei identische Vektoren mit entgegen gesetzter Orientierung
⇒Dipol ist 0!
CO O
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PSEFragen 4/Zeeck
Siehe nächste Seite.
Siehe nächste Seite.
Siehe nächste Seite.Siehe nächste Seite.
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PSEDiverses
Zu 9: Beim verdunsten/verdampfen wird Energie benötigt. Daraus resultiert ein Verbrauch an Wärme (Abkühlung)!
Zu 11:
Zu 13: 78 % N2, 21 % O2, 1 % Edelgase (Argon) , 0.038 % CO2
Zu 14: In kolloidalen Lösungen sind Makromoleküle (z. B. Eiweiße) gelöst, keine kleinen Moleküle. Je nach Standpunkt, sind solche Lösungen homogen oder heterogen.
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PSEFragen 5/Zeeck
(mehr als gesättigt, nicht stabil)
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PSEMembranenDiffusion durch die Membran
Zwei Lösungen enthalten den gleichen gelösten Stoff (X) im gleichen Lösungsmittel.
Allerdings ist die Konzentration verschieden.
Diese beiden Lösungen sind durch eine Membran getrennt.
Die Membran ist nicht für das Lösungsmittel durchlässig, aber für den Stoff X (Dies hängt ab von der Größe der „Löcher“ in der Membran und evtl. auch von den Polaritäten der Membran und der beteiligten Stoffe.)
Dies führt zur Diffusion von X durch die Membran => Konzentrationsausgleich.
Bsp.: Resting Ion Channels („Ruhende“ Ionenkanäle) und Ligandengesteuerte Ionenkanäle, beide im Nervensystem.
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PSEOsmose
Die Membran ist so ausgewählt, dass nur das Lösungsmittel durch Sie hindurch treten kann.
Wieder sind zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch diese Membran getrennt.
Δp
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PSEOsmose
Die Membran ist so ausgewählt, dass nur das Lösungsmittel durch Sie hindurch treten kann.
Wieder sind zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch diese Membran getrennt.
Das Lösungsmittel (Wasser) diffundiert durch die Membran von links nach rechts.
Dadurch steigt der Pegel im rechtem Rohr und sinkt im Linken.
Daher baut sich ein Druck auf, der osmotische Druck.
A c [ ]osm A
osm A
p c R T Aoder
p c R T
= • • =
Δ = Δ • •1 mol in einem l bedeutet einen osmotischen Druck von 22,4 bar.
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PSEOsmose
isotonisch (gleicher osmotischer Druck wie die Umgebung).
hypotonisch (niedrigerer osmotischer Druck als die Umgebung)
hypertonisch (höherer osmotischer Druck als die Umgebung)
z. B. isotonische Kochsalzlösung
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PSEDefinition
Ein heterogenes Gleichgewicht ist dynamisch!
Wenn man im Gleichgewicht ist kommt die Reaktion/der Prozess nicht zum erliegen, aber Hinreaktion und Rückreaktion sind gleich schnell.
In dem Beispiel (3 Folien nach vorne) diffundiert Wasser genauso schnell von links nach rechts, wie von rechts nach links. Scheinbar passiert nichts mehr!
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PSEOsmose
Bsp.: Rote Blutkörperchen in Wasser. Die Konzentration an vielen Stoffen im innern ist hoch, in Wasser ist sie Null. => Wasser diffundiert in die Zelle, bis die Blutkörperchen platzen.
Daher darf man bei Infusionen kein Wasser geben!
Achtung beim Rechnen: Löst man ein Salz in Wasser so finden sich im Wasser freie Ionen! => Mehr Teilchen.
1 mol Ethanol („Alkohol“) in Wasser bedeutet 1 mol Teilchen
1 mol NaCl in Wasser bedeutet 2 mol Teilchen (Na+ + Cl-)
1 mol CaCl2 in Wasser bedeutet 3 mol Teilchen (Ca2+ + 2 Cl-)
1 mol Na2CO3 in Wasser bedeutet 3 mol Teilchen (2 Na+ + CO32-)
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PSEDialyse
Membran mit einer Porengröße von ca. 10 nm, eine semipermeable Membran.
Kleine Moleküle (Wasser, Ionen) passen durch diese „Löcher“, große Moleküle (Proteine) passen nicht => Abtrennung der Hochmolekularen vonden niedermolekularen Bestandteilen.
Die Dialyse in der Medizin trennt Harnstoff (und andere niedermolekulare Stoffe) ab. Dies geschieht im gesunden Körper in der Niere.
Heute werden an den Tankstellen gesundheitsschädliche Gase im Benzin abgesaugt. Diese werden durch Dialyse aus der Absaugluft entfernt. Daraus ergibt sich flüssiges Benzin und reine Luft.
Dialyse an einer Membran
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 223
PSEDonnan-Gleichgewicht
Abbildung 5-4 (K+ und Cl- können die Membran passieren, die Proteinanionen nicht):
Einstellung eines Donnan-Gleichgewichtes (→ Diffusionsrichtung von Ionen; => osmotischer Druck);
a) Ausgangslage,
b) Donnan-Gleichgewicht.
Gleichgewicht: K+ und Cl-
diffundieren in beide
Richtungen
I I II IIK Cl K Cl
c c c c+ − + −• = •
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 224
PSEStofftrennung
Destillation
Sublimation
Kühlwasser
Unterdruck oder offen
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PSEStofftrennung
Gefriertrocknen (Sublimation von Wasser bei unter 0 °C im Vakuum-Verdunstungskälte) zur Isolierung von Proteinen und …
Kristallisation (Umkristallisation – Lösen und Kristallisieren durch Temperaturänderung => Dekantieren/Filtrieren), Die Löslichkeit hängt stark von der Temperatur ab, das Verhalten ist unterschiedlich für unterchiedliche Substanzen, Ziel: Das Produkt soll in reiner Form Kristallisieren, die Verunreinigung
Flüssig/Flüssig-Extraktion („Ausschütteln“)
Dialyse
Chromatographie
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 226
PSEWas ist Chromatographie?
Stationäre Phase (Feststoff, Flüssigkeit)
Mobile Phase (Gas, Flüssigkeit)
Analysemischung (A + B) (zu trennende Probe) in der mobilen Phase gelöst => strömt so schnell wie mobile Phase.
Analysemischung (zu trennende Probe) adsorbiert an stationärer Phase => wird aufgehalten
Gute Adsorption bedeutet langsamer Transport A, Schlechte Adsorption bedeutet schneller Transport B => Trennung
Ziel: Gute und schnelle Trennung => schlechte aber stark unterschiedliche Adsorption
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 227
PSEWas ist Chromatographie?
HahnGlasfritte
Stationäre Phase (Kieselgel)
Mobile Phase (Lösungsmittel)
Sand
Partielle Trennung
Sammelgefäß
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 228
PSEWas ist Chromatographie?
Beispiel aus dem „täglichen Leben“
Mobile Phase: Fluss
Stationäre Phase: Bierstände
Analysemischung (zu trennende Probe): „Boote mit Männern“ und „Boote mit Frauen“.
Trennprinzip: Männer werden stärker an den Bierständen „adsorbiert“.
Vorurteil!
Ergebnis 1: je mehr Bierstände, desto besser die Trennung, aber die Trenndauer nimmt zu.
Die Absorption an Wasserständen ist für Männer und Frauen schlecht (schnelle Eluation, keine Trennung)
Aus einer Lehrprobe für die gymnasiale Mittelstufe (nach Daniela Breuer)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 229
PSEChromatographie
unpolar
polar
HPLC: High Performance Liquid Chromatography
High Pressure Liquid Chromatography
High Price Liqid Chromatography
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 230
PSEChromatographie
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 231
PSEDünnschicht-Chromatographie (DC)Thin-Layer-Chromatography (TLC)
Af
aRc
=
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 232
PSE
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 233
PSEPapierchromatographie
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 234
PSEGaschromatographie
Retentionszeit
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 235
PSEHeterogene Gleichgewichte
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 236
PSEFragen 5/Zeeck
(mehr als gesättigt, nicht stabil)
Ad 10: Pumpen können Ionen gegen den Gradienten transportieren
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 237
PSEFragen 5/Zeeck
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 238
PSEInhalt: Allgemeine, Anorganische und Physikalische Chemie
1 Atombau und Periodensystem2 Chemische Bindung3 Zustandsformen der Materie4 Heterogene Gleichgewichte5 Chemische Reaktionen6 Gleichgewichtsreaktionen7 Säuren und Basen8 Redoxvorgänge9 Energetik und Kinetik
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 239
PSEWas ist Chemie?
Chemie ist die Lehre von den Stoffen und
den stofflichen Veränderungen!
„Alle“ Prozesse im menschlichen Körper beinhalten stoffliche
Veränderungen!
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 240
PSEChemische Reaktionen
Stoffliche Veränderungen nennt man chemische Reaktionen!
Bsp.: Natrium und Chlor bilden Natriumchlorid (Kochsalz)
2 Na + Cl2 2 NaCl
oder:
2 Na + Cl2 2 Na+ + 2 Cl-
Erinnerung: Die Summenformel ergibt sich aus der Stellung der Elemente im Periodensystem!
Wasser hat die Summenformel H2O, aber Wasserstoffperoxid hat die Summenformel H2O2
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 241
PSEChemische Reaktionen
Stoffliche Veränderungen nennt man chemische Reaktionen!
HCl + NaOH NaCl + H2O
In wässriger Lösung liegen die Edukte (Ausgangstoffe) als einzelne Ionen vor!
AgN03 + NaCl NaNO3 + AgCl↓
AgCl ist in Wasser fast unlöslich. Das Salz fällt in Wasser aus!
2 H2 + O2 2 H2O
Knallgasreaktion!
CuSO4 + 4 NH3 [Cu(NH3)4]SO4
In wässriger Lösung liegen die Edukte als Ionen vor. Das Cu2+ wird durch NH3 komplexiert!
IonenIonen
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 242
PSEChemische Gleichungen
2 H2 + O2 2 H2O + Energie
Links stehen die Ausgangsstoffe (Edukte)
Rechts stehen die gebildeten Stoffe (Produkte)
Der Pfeil besagt, dass die Reaktion von links nach rechts läuft!
Nur Stoffe die an der Reaktion beteiligt sind, stehen in der Reaktionsgleichung, Lösungsmittel stehen nicht in der Reaktionsgleichung!
AgN03 + NaCl NaNO3 + AgCl↓
oder
oder3 3 + NO + + Cl + NOAg Na Na AgCl+ − + − + −→ + ↓
+ ClAg AgCl+ − → ↓
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 243
PSEChemische Gleichungen
2 H2 + O2 2 H2O + Energie
Um die Reaktion beschreiben zu können, müssen wir wissen das:
Wasserstoff als H2 vorkommt,
Sauerstoff als O2 vorkommt,
Wasser die Formel H2O hat. Allgemein: Elemente vereinigen sich immer im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.
Die Summen der Atome rechts muss gleich der Summe der Atome links sein. Also links stehen 2 * 2 = 4 Wasserstoffatome, rechts auch => Summe der Massen rechts und links ist gleich.
Bei chemischen Reaktionen ist die Gesamtmasse der Edukte gleich der Gesamtmasse der Produkte. Gesetz von der Erhaltung der Masse
Die Gesamtladung der Edukte muss gleich der Gesamtladung der Produkte sein. Gesetz von der Erhaltung der Ladung
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 244
PSEChemische Gleichung
Die Gesamtladung der Edukte muss gleich der Gesamtladung der Produkte sein. Gesetz von der Erhaltung der Ladung
3 3 + NO + + Cl + NOAg Na Na AgCl+ − + − + −→ + ↓
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 245
PSEStöchiometrie(Rechnen in der Chemie)
2 H2 + O2 2 H2O
2 Moleküle 1 Molekül 2 Moleküle
2 mol 1 mol 2 mol
4.03 g 31.99 g 36.02 g
44.8 l 22.4 l 36.02 ml flüssig (Dichte von Wasser 1 g/ml)
oder
44.8 l Wasserdampf?
Nein!
1. Wasserdampf ist kein gasförmiges Wasser, sondern Wassertröpfchen in der Luft (Wasserdampf ist heterogen – er ist „trüb“, weil sich das Licht an den Tröpfchen bricht – das selbe gilt für Nebel und Wolken)!
2. Wasser ist unter Normalbedingungen kein Gas! (siehe p V = n R T)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 246
PSEStöchiometrie
Wie viel Wasserstoff und Sauerstoff benötige ich, um ein 2.3 g Wasser herzustellen?
2 H2 + O2 2 H2O
2 Moleküle 1 Molekül 2 Moleküle
2 mol 1 mol 2 mol
4.03 g 31.99 g 36.02 g
44.8 l 22.4 l 36.02 ml flüssig (Dichte von Wasser 1 g/ml)
Vorgehen: Dreisatz
36.02 g Wasser å 4.03 g Wasserstoff
1.00 g Wasser = 36.02 g/ 36.02 Wasser å 4.03 g/36.02 Wasserstoff
2.30 g Wasser = 1,00g * 2.3 Wasser å (4.03 g/36.02) * 2.3 Wasserstoff
= 0.257 g Wasserstoff
å 5.76 l Wasserstoff
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 247
PSEStöchiometrie
Wie viel Wasserstoff und Sauerstoff benötige ich, um ein 2.3 g Wasser herzustellen?
Antwort: 0.257 g Wasserstoff
å 5.76 l Wasserstoff
Sauerstoff: analog, oder
2.3 g Wasser – 0.257 g Wasserstoff = 2.043 g Sauerstoff
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 248
PSEMengenangaben
• Es ist schwierig (aber nicht unmöglich) Gase zu wiegen.
• Es ist relativ leicht, das Volumen eines Gases zu messen (Gase verdrängen Flüssigkeiten, oder Gasuhr)!
• Feststoffe kann man gut abwiegen! Das Volumen eines Feststoffes ist dagegen schwer zu bestimmen (Das Schüttvolumen ist nicht sehr genau - Messbecher)
• Flüssigkeiten kann man gut abwiegen (nicht immer: Brom), man kann aber auch leicht das Volumen bestimmen.
• Häufig benutzt man auch Lösungen von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen bekannter Konzentration. Dann müssen nur Volumen bestimmt werden.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 249
PSEKonzentrationsangaben
Wie oben schon gesehen, werden Konzentrationen üblicherweise in g/l oder mol/l angegeben.
Insbesondere die Einheit mol/l ist in der Chemie sehr nützlich. Sie wird als Molarität bezeichnet und mit M abgekürzt.
Der Massenanteil einer Lösung wird in Gewichtsprozenten angegeben.
Eine 15%ige wässrige Lösung von HCl in Wasser entspricht 15 g HCl in 100 g Lösung (nicht in 100 g Wasser, nicht in 100 ml Lösung – 100 ml Lösung wiegen mehr als 100 ml Wasser).
Statt % 1/100
benutzt man auch:
‰ 1/1000
ppm 1/106
ppb 1/109
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 250
PSEAktivität
Wie oben schon gesehen, werden Konzentrationen üblicherweise in g/l oder mol/l angegeben.
Insbesondere die Einheit mol/l ist in der Chemie sehr nützlich. Sie wird als Molarität bezeichnet und mit M abgekürzt.
Nicht immer ist die tatsächliche Konzentration von Bedeutung, sondern manchmal muss auf die wirksame Konzentration korrigiert werden. Diese nennt man Aktivität! Dies wird bei hohen Konzentrationen wichtig! Dort ist die scheinbare Konzentration kleiner als die beobachtete.
a: Aktivität, f 1 (Aktivitätskoeffizient)a f c= • ≤
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 251
PSEDas chemische Gleichgewicht
CO2 + H2O H2CO3
CO2 + H2O H2CO3
Eine chemische Reaktion kann vorwärts und rückwärts ablaufen.
Ist das chemische Gleichgewicht erreicht, so ist die Hinreaktion so schnell wie die Rückreaktion, von außen betrachtet geschieht nichts.
Ein solcher Pfeil deutet an, dass an, dass das Gleichgewicht auf der linken Seite liegt.
Allgemein:
m * A + n * B o * C + p * D
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 252
PSEMassenwirkungsgesetz (MWG)
Allgemein:
m * A + n * B o * C + p * D
0
Produkte[ ] [ ] = m, n, o, p [ ] [ ]
o p
m nC DKA B Edukte
•= ∈
•∏∏
K: Gleichgewichtskonstante
K > 1: Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der Produkte
K < 1: Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der Edukte
Genauer müsste man hier die Aktivitäten benutzen.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 253
PSEPrinzip von Le ChâtelierPrinzip des kleinsten Zwanges
Durch den äußeren Zwang lässt sich eine Reaktion beeinflussen!
Bsp.: Synthese von NaNO3, Chilesalpeter – (Kriegs)wichtig zur Sprengstoffherstellung und wichtig in der Dünnung.
Chilesalpeter wird überwiegend in Chile gefunden, Deutschland hatte im 1. Weltkrieg keinen Zugriff auf Chilesalpeter (Chilesalpeter ist sehr gut wasserlöslich, daher findet man ihn fast nur in der chilenischen Wüste, kein Ragen seit 5000 Jahren).
Chilesalpeter ist aus der katalytischen Verbrennung von Ammoniak zugänglich.
Wie kann man Ammoniak herstellen?
Haber-Bosch Verfahren (Patent der BASF 1910, erste industrielle Anlagewährend des 1. Weltkrieges)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 254
PSEPrinzip von Le ChâtelierPrinzip des kleinsten Zwanges
Wie kann man Ammoniak herstellen?
N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) + WärmeDie Reaktion verläuft sehr (unmessbar) langsam!
Um die Reaktion zu Beschleuniger, erwärmt man auf 450 °C
Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht nach links (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts produziert Wärme, die Reaktion von rechts nach links verbraucht Wärme => Wärmezufuhr treibt die Reaktion nach links, die Reaktion weicht der Wärmezufuhr unter Wärmeverbrauch aus!) => Die Reaktion kann nicht mehr sinnvoll genutzt werden!
Nun erhöht man den Druck auf 300 bar, das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts verbraucht Volumen, aus 4 mol Gas werden 2 Mol Gas, das Volumen halbiert sich. Unter hohem Druck weicht das System der Druckerhöhung unter Volumenabnahme aus)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 255
PSEPrinzip von Le ChâtelierPrinzip des kleinsten Zwanges
Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht nach links (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts produziert Wärme, die Reaktion von rechts nach links verbraucht Wärme => Wärmezufuhr treibt die Reaktion nach links, die Reaktion weicht der Wärmezufuhr unter Wärmeverbrauch aus!) => Die Reaktion kann nicht mehr sinnvoll genutzt werden!
Nun erhöht man den Druck auf 300 bar, das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts verbraucht Volumen, aus 4 mol Gas werden 2 Mol Gas, das Volumen halbiert sich. Unter hohem Druck weicht das System der Druckerhöhung unter Volumenabnahme aus)
Problem: Für hohen Druck und hohe Temperatur ist kein Werkstoff geeignet.
Lösung des Problems ist das besagte Haber-Bosch Verfahren.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 256
PSEEnergetik
Wie wir schon gesehen haben werden bei chemischen Reaktion Stoffe ineinander umgewandelt – „stoffliche Veränderungen“.
Gleichzeitig wird Energie abgegeben (Bei einer Verbrennung wird Wärme/Hitze frei und wird an die Umgebung abgegeben. Ein Knicklicht gibt Licht ab/Die Spaltung von ATP zu ADP liefert Energie).
oder aufgenommen (Ein Kältepack verbraucht Energie/Wärme – Dadurch kühlt er ab.).
Die Energiebilanz steht gleichwertig neben der Stoffbilanz. (Wichtig für Energiegewinnung und Planung chemischer Prozesse.)
Eine Reaktion verläuft freiwillig nur unter „Abgabe von Energie“ – siehe Gibbs‘ freie Energie
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 257
PSEEnergetik
Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre)
Energie kann von einer Form in eine andere Form umgewandelt werden, sie kann jedoch weder erschaffen noch vernichtet werden – es gibt kein Perpetuum Mobile.
Formen der Energie:
Wärme
Elektromagnetische Strahlung (IR, Licht, UV, Röntgenstrahlen (X), γ-Strahlen)
Chemische Energie (Bindungsenergie)
Kinetische Energie (Bewegung)
Potentielle Energie (Lage)
Elektrische Energie
„Perpetuum Mobile, Stein der Weisen, Blei zu Gold“
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 258
PSEThermodynamik einer chemischen Reaktion
Bei einer chemischen Reaktion wird Bindungsenergie umgewandelt in
Wärme (Normalfall: Verbrennung (Motor), …)
Licht (Glühwürmchen, Knicklicht, …)
elektrische Energie (Batterie, Akku, Brennstoffzelle, …)
Oder Bindungsenergie wird aus
Wärme (Prinzip des kleinsten Zwanges …)
Licht (Photosynthese, …)
elektrische Energie (laden eines Akku, Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff, …)
gewonnen.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 259
PSEElektromagnetische Strahlung
Licht besteht aus „kleinsten Lichtteilchen“, den Photonen (Quantentheorie –Planck, Einstein).
Die Energie des Lichtes hängt ab von der Anzahl der Lichtteilchen (Intensität) und der Farbe des Lichtes.
Der optische Eindruck der Farbe kann physikalisch durch die Frequenz ([ν] = 1/s = Hz) der zugehörigen elektromagnetischen Welle beschrieben werden.
Nach Planck/Einstein kann die Energie eines Photons berechnet werden nach E = h*ν. (h = 6.626 * 10-34 J*s)
Die Energie eines Photons nimmt zu in der Reihe:
IR – rot – grün – violett – UV – Röntgenstrahlung - γ-Strahlen
In einer chemischen Reaktion wird ein Photon von einem Molekül absorbiert. Die absorbierte Energie wird benutzt um in diesem einem Molekül eine chemische Reaktion energetisch bergauf zu treiben.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 260
PSEPhotosynthese
Glucose + SauerstoffKohlendioxid + Wasser
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
O
HO
OH
HOHO
OH
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 261
PSEReaktionswärme (enthalpie)
Bei exothermen Reaktionen ist ΔH negativ (ΔH < 0 kJ/mol), Wärmeabgabe!
Bei endothermen Reaktionen ist ΔH positiv (ΔH > 0 kJ/mol), Wärmeverbrauch!
Die Enthalpie ist abhängig von Druck und Temperatur.
Enthalpien werden bei 25 °C und 1.013 hPa angegeben (Normalbedingungen).
Das heißt, es wird die Energie gemessen, die das System aufnimmt oder abgibt, wenn die Reaktion bei konstanter Temperatur (isotherm, 25 °C) und konstantem Druck (isobar, 1.013 hPa) abläuft.
=> alle freiwerdende Energie wird nach außen abgegeben, oder
=> alle verbrauchte Energie wird von außen aufgenommen.
Die Enthalpie ist eine Zustandsfuntion: Sie beschreibt den aktuellen Zustand des Systems. Dafür ist der Weg, auf dem der Zustand erreicht wurde unerheblich.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 262
PSEStandardreaktionsenthalphie
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O (l) ΔH0 = -286 kJ/mol
ΔH0: 25 °C, 1.013 hPa, 1 mol Produkt
Veraltet: 1 cal = 4.18 J
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 263
PSE„Verbrennung“ von Zucker
C6H12O6 (s) + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(l)
Umkehrung der Photosynthese („Verbrennung“ von Glucose (Zucker) zu Wasser) und Kohlendioxid.
Daher atmen wir Sauerstoff ein und Kohlendioxid aus.
Energielieferant für den Körper.
ΔH0 = - 2815 kJ/mol
Die „Verbrennung“ erfolgt indirekt in mehreren Schritten.
Satz von Heß: Bei mehreren aufeinander folgenden Schritten setzt ich die Gesamtenthalpie aus der Summe der Enthalpien der einzelnen Schritte zusammen. (Folgt aus der Tatsache, dass die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist.)
Überschüssige Energie wird im Körper als Fett gespeichert.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 264
PSEReaktionsentropie
Die Entropie S ist ein Maß für die Unordnung eines Systems!
Je größer die Unordnung eines Systems, desto größer ist dessen Entropie!
Je größer die Ordnung eines Systems, desto kleiner ist dessen Entropie!
Entropie:
Festkörper < Flüssigkeit < Gas
Zwei reine Stoffe < Mischung von zwei Stoffen
Die Entropie ist eine Zustandsfunktion!
Ein System strebt danach, die Entropie zu vergrößern (also ΔS >0)!
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 265
PSEGibbs‘ freie Energie
kJG: Gibbs' freie Reaktionsenthalpie, [ G]=mol
kJ: Reaktionsenthalpie, [ ]=mol
: Tem
G
peratur, [T]=KJS: Reaktionsentropie, [ S]=
K mo
ibbs-Helmholtz-Gleichu
l
ngG H T S
H H
T
Δ Δ
Δ
Δ =
Δ
Δ Δ•
Δ − Δ
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 266
PSEGibbs‘ freie Energie
Gibbs‘ freie Enthalpie = Gibbs‘ Enthalpie = freie Enthalpie
Die Gibbs‘ freie Enthalpie ist eine Zustandsfunktion!
Die Reaktionsenthalpie ΔG beschreibt die Triebkraft einer Reaktion.
Eine Reaktion läuft spontan ab, wenn ΔG < 0 kJ/mol.
ΔG < 0 kJ/mol: exergonisch
ΔG > 0 kJ/mol: endergonisch
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O (l) ΔH0 = -286 kJ/mol
ΔG0 = -237 kJ/mol
Die Ordnung nimmt zu => ΔS < 0 J/(K*mol)
=> -T*ΔS > 0 J/mol
=> ΔG0 > ΔH0 (weniger negativ)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 267
PSEGibbs‘ freie Energie
Voraussetzungen:
Isotherm (Wärme wird aufgenommen oder abgegeben)
Isobar (Das Volumen muss sich eventuell ändern)
abgeschlossenes System (keine Stoffe verlassen das System, keineStoffe kommen hinzu)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 268
PSEGibbs‘ freie Energie und das chemische
GleichgewichtMassenwirkungsgesetz (MWG)
m * A + n * B o * C + p * D
0
Produkte[ ] [ ] = m, n, o, p [ ] [ ]
o p
m nC DKA B Edukte
•= ∈
•∏∏
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 269
PSEGibbs‘ freie Energie und das chemische Gleichgewicht
m * A + n * B o * C + p * D
0 0[ ] [ ]ln = ln[ ] [ ]
o p
m nC DG G R T G R T KA B
•Δ = Δ + • • Δ + • •
•
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 270
PSEGibbs‘ freie Energie und das chemische Gleichgewicht
m * A + n * B o * C + p * D
0 0[ ] [ ]ln = ln[ ] [ ]
o p
m nC DG G R T G R T KA B
•Δ = Δ + • • Δ + • •
•Im Gleichgewicht gilt:
0
0ln
GG R T K
Δ =
⇒ Δ = − • •