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Mediziner und Medizinische

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Präsentation zum Thema: "Mediziner und Medizinische"—  Präsentation transkript:

1 Mediziner und Medizinische
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen Hochschuldozent Klaus Schaper WS 2007/2008 Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 1

2 Löslichkeit 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. Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 2

3 Nernstscher Verteilungssatz
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: 3,92 g B in Wasser, Also insgesamt: 0,04 g B in 200 ml Ether Verglichen mit 3,75 g A in 200 ml Ether! => Trennung Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 3

4 Adsorption 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 Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 4

5 Fragen 1/Zeeck Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 5

6 Fragen 2/Zeeck 110/94 Siehe nächste Seite.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 6

7 Periodensystem des Lebens
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 7

8 Fragen 2/Zeeck Siehe nächste Seite.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 8

9 Radionuklide Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 9

10 Fragen 3/Zeeck Anion > neutrales Atom > Kation
(kovalente Bindung) Siehe Folie 117 Siehe Folie 148 Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 10

11 Fragen 3/Zeeck Stickstoff: 3-bindig Siehe nächste Seite.
Hybridisierung Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 11

12 Dipolmoment von CO2 CO2 bildet zwei s-Bindungen und zwei p-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! Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 12

13 Fragen 4/Zeeck Siehe nächste Seite. Siehe nächste Seite.
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 13

14 Diverses 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) , % CO2 Zu 14: In kolloidalen Lösungen sind Makromoleküle (z. B. Eiweiße) gelöst, keine kleinen Moleküle. Je nach Standpunkt, sind solche Lösungen homogen oder heterogen. Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 14

15 Fragen 5/Zeeck (mehr als gesättigt, nicht stabil)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 15

16 Membranen Diffusion 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 Liganden gesteuerte Ionenkanäle, beide im Nervensystem. Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 16

17 Osmose Die Membran ist so ausgewählt, dass nur das Lösungsmittel durch Sie hindurch treten kann. Wieder sind zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch diese Membran getrennt. Dp Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 17

18 Osmose 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. 1 mol in einem l bedeutet einen osmotischen Druck von 22,4 bar. Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 18

19 Osmose 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 Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 19

20 Definition 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! Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 20

21 Osmose 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 (Ca Cl-) 1 mol Na2CO3 in Wasser bedeutet 3 mol Teilchen (2 Na+ + CO32-) Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 21

22 Dialyse Dialyse an einer Membran
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 von den 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. Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 22

23 Donnan-Gleichgewicht
Gleichgewicht: K+ und Cl- diffundieren in beide Richtungen Abbildung 5-4 (K+ und Cl- können die Membran passieren, die Proteinanionen nicht): Einstellung eines Donnan-Gleichgewichtes (→ Diffusionsrichtung von Ionen; => osmotischer Druck); Ausgangslage, Donnan-Gleichgewicht. Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 23

24 Stofftrennung Destillation Sublimation Kühlwasser
Unterdruck oder offen Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 24

25 Stofftrennung 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 25

26 Was 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 26

27 Was ist Chromatographie?
Mobile Phase (Lösungsmittel) Sand Partielle Trennung Stationäre Phase (Kieselgel) ; Glasfritte Hahn Sammelgefäß Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 27

28 Was 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 28

29 Chromatographie polar unpolar
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 29

30 Chromatographie Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 30

31 Dünnschicht-Chromatographie (DC) Thin-Layer-Chromatography (TLC)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 31

32 Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 32

33 Papierchromatographie
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 33

34 Gaschromatographie Retentionszeit
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 34

35 Heterogene Gleichgewichte
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 35

36 Fragen 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 36

37 Fragen 5/Zeeck Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 37

38 Inhalt: Allgemeine, Anorganische und Physikalische Chemie
1 Atombau und Periodensystem 2 Chemische Bindung 3 Zustandsformen der Materie 4 Heterogene Gleichgewichte 5 Chemische Reaktionen 6 Gleichgewichtsreaktionen 7 Säuren und Basen 8 Redoxvorgänge 9 Energetik und Kinetik Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 38

39 Was ist Chemie? Chemie ist die Lehre von den Stoffen und den stofflichen Veränderungen! „Alle“ Prozesse im menschlichen Körper beinhalten stoffliche Veränderungen! Versuche: Indigo OC Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 39

40 Chemische 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 40

41 Chemische 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! Ionen Ionen Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 41

42 Chemische 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 Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 42

43 Chemische 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 43

44 Chemische Gleichung 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 44

45 Stöchiometrie (Rechnen in der Chemie)
2 H2 + O2  2 H2O 2 Moleküle 1 Molekül 2 Moleküle 2 mol 1 mol 2 mol 4.03 g g g 44.8 l l ml flüssig (Dichte von Wasser 1 g/ml) oder 44.8 l Wasserdampf? Nein! 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)! 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 45

46 Stöchiometrie 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 g g 44.8 l l ml flüssig (Dichte von Wasser 1 g/ml) Vorgehen: Dreisatz 36.02 g Wasser  4.03 g Wasserstoff 1.00 g Wasser = g/ Wasser  4.03 g/36.02 Wasserstoff 2.30 g Wasser = 1,00g * 2.3 Wasser  (4.03 g/36.02) * 2.3 Wasserstoff = g Wasserstoff  5.76 l Wasserstoff Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 46

47 Stöchiometrie Wie viel Wasserstoff und Sauerstoff benötige ich, um ein 2.3 g Wasser herzustellen? Antwort: g Wasserstoff  5.76 l Wasserstoff Sauerstoff: analog, oder 2.3 g Wasser – g Wasserstoff = g Sauerstoff Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 47

48 Mengenangaben 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 48

49 Konzentrationsangaben
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 49

50 Aktivität 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. Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 50

51 Das chemische Gleichgewicht
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: Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 51

52 Massenwirkungsgesetz (MWG)
Allgemein: 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 52

53 Prinzip von Le Châtelier Prinzip 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 Anlage während des 1. Weltkrieges) Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 53

54 Prinzip von Le Châtelier Prinzip des kleinsten Zwanges
Wie kann man Ammoniak herstellen? Die 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 54

55 Prinzip von Le Châtelier Prinzip 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 55

56 Energetik 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 56

57 Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre)
Energetik 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), g-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 57

58 Thermodynamik 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 58

59 Elektromagnetische 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 ([n] = 1/s = Hz) der zugehörigen elektromagnetischen Welle beschrieben werden. Nach Planck/Einstein kann die Energie eines Photons berechnet werden nach E = h*n. (h = * J*s) Die Energie eines Photons nimmt zu in der Reihe: IR – rot – grün – violett – UV – Röntgenstrahlung - g-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 59

60 Photosynthese Kohlendioxid + Wasser Glucose + Sauerstoff
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 60

61 Reaktionswärme (enthalpie)
Bei exothermen Reaktionen ist DH negativ (DH < 0 kJ/mol), Wärmeabgabe! Bei endothermen Reaktionen ist DH positiv (DH > 0 kJ/mol), Wärmeverbrauch! Die Enthalpie ist abhängig von Druck und Temperatur. Enthalpien werden bei 25 °C und 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, 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 61

62 Standardreaktionsenthalphie
2 H2(g) + O2(g)  2 H2O (l) DH0 = -286 kJ/mol DH0: 25 °C, hPa, 1 mol Produkt Veraltet: 1 cal = 4.18 J Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 62

63 „Verbrennung“ von Zucker
Umkehrung der Photosynthese („Verbrennung“ von Glucose (Zucker) zu Wasser) und Kohlendioxid. Daher atmen wir Sauerstoff ein und Kohlendioxid aus. Energielieferant für den Körper. DH0 = 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 63

64 Reaktionsentropie 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 DS >0)! Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 64

65 Gibbs‘ freie Energie Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 65

66 Gibbs‘ freie Energie Gibbs‘ freie Enthalpie = Gibbs‘ Enthalpie = freie Enthalpie Die Gibbs‘ freie Enthalpie ist eine Zustandsfunktion! Die Reaktionsenthalpie DG beschreibt die Triebkraft einer Reaktion. Eine Reaktion läuft spontan ab, wenn DG < 0 kJ/mol. DG < 0 kJ/mol: exergonisch DG > 0 kJ/mol: endergonisch 2 H2(g) + O2(g)  2 H2O (l) DH0 = -286 kJ/mol DG0 = -237 kJ/mol Die Ordnung nimmt zu => DS < 0 J/(K*mol) => -T*DS > 0 J/mol => DG0 > DH0 (weniger negativ) Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 66

67 Gibbs‘ freie Energie Voraussetzungen:
Isotherm (Wärme wird aufgenommen oder abgegeben) Isobar (Das Volumen muss sich eventuell ändern) abgeschlossenes System (keine Stoffe verlassen das System, keine Stoffe kommen hinzu) Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 67

68 Gibbs‘ freie Energie und das chemische Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz (MWG)
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 68

69 Gibbs‘ freie Energie und das chemische Gleichgewicht
Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 69

70 Gibbs‘ freie Energie und das chemische Gleichgewicht
Im Gleichgewicht gilt: Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 70


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