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PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 1 Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen.

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

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

3 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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: 0,04 g B im Ether und 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

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

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

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

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

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

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

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

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

12 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 12 Dipolmoment von CO 2 CO 2 bildet zwei -Bindungen und zwei -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!

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

14 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 14 Diverses Zu 9: Beim verdunsten/verdampfen wird Energie benötigt. Daraus resultiert ein Verbrauch an Wärme (Abkühlung)! Zu 11: Zu 13: 78 % N 2, 21 % O 2, 1 % Edelgase (Argon), % CO 2 Zu 14:In kolloidalen Lösungen sind Makromoleküle (z. B. Eiweiße) gelöst, keine kleinen Moleküle. Je nach Standpunkt, sind solche Lösungen homogen oder heterogen.

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

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

17 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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. p

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

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

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

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

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

23 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 23 Donnan-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

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

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

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

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

28 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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)

29 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 29 Chromatographie unpolar polar HPLC:High Performance Liquid Chromatography High Pressure Liquid Chromatography High Price Liqid Chromatography

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

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

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

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

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

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

36 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 36 Fragen 5/Zeeck (mehr als gesättigt, nicht stabil) Ad 10: Pumpen können Ionen gegen den Gradienten transportieren

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

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

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

40 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 40 Chemische Reaktionen Stoffliche Veränderungen nennt man chemische Reaktionen! Bsp.: Natrium und Chlor bilden Natriumchlorid (Kochsalz) 2 Na+Cl 2 2 NaCl oder: 2 Na+Cl 2 2 Na + +2 Cl - Erinnerung: Die Summenformel ergibt sich aus der Stellung der Elemente im Periodensystem! Wasser hat die Summenformel H 2 O, aber Wasserstoffperoxid hat die Summenformel H 2 O 2

41 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 41 Chemische Reaktionen Stoffliche Veränderungen nennt man chemische Reaktionen! HCl+NaOH NaCl+H 2 O In wässriger Lösung liegen die Edukte (Ausgangstoffe) als einzelne Ionen vor! AgN0 3 +NaCl NaNO 3 +AgCl AgCl ist in Wasser fast unlöslich. Das Salz fällt in Wasser aus! 2 H 2 +O 2 2 H 2 O Knallgasreaktion! CuSO 4 +4 NH 3 [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 In wässriger Lösung liegen die Edukte als Ionen vor. Das Cu 2+ wird durch NH 3 komplexiert! Ionen

42 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 42 Chemische Gleichungen 2 H 2 +O 2 2 H 2 O+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! AgN0 3 +NaCl NaNO 3 +AgCl oder

43 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 43 Chemische Gleichungen 2 H 2 +O 2 2 H 2 O+Energie Um die Reaktion beschreiben zu können, müssen wir wissen das: Wasserstoff als H 2 vorkommt, Sauerstoff als O 2 vorkommt, Wasser die Formel H 2 O 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

44 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 44 Chemische Gleichung Die Gesamtladung der Edukte muss gleich der Gesamtladung der Produkte sein. Gesetz von der Erhaltung der Ladung

45 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 45 Stöchiometrie (Rechnen in der Chemie) 2 H 2 +O 2 2 H 2 O 2 Moleküle1 Molekül2 Moleküle 2 mol1 mol2 mol 4.03 g31.99 g36.02 g 44.8 l22.4 l36.02 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)

46 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 46 Stöchiometrie Wie viel Wasserstoff und Sauerstoff benötige ich, um ein 2.3 g Wasser herzustellen? 2 H 2 +O 2 2 H 2 O 2 Moleküle1 Molekül2 Moleküle 2 mol1 mol2 mol 4.03 g31.99 g36.02 g 44.8 l22.4 l36.02 ml flüssig (Dichte von Wasser 1 g/ml) Vorgehen: Dreisatz 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

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

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

49 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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 ppm1/10 6 ppb1/10 9

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

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

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

53 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 53 Prinzip von Le Châtelier Prinzip des kleinsten Zwanges Durch den äußeren Zwang lässt sich eine Reaktion beeinflussen! Bsp.: Synthese von NaNO 3, 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)

54 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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)

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

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

57 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 57 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), -Strahlen) Chemische Energie (Bindungsenergie) Kinetische Energie (Bewegung) Potentielle Energie (Lage) Elektrische Energie Perpetuum Mobile, Stein der Weisen, Blei zu Gold

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

59 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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 ([ ] = 1/s = Hz) der zugehörigen elektromagnetischen Welle beschrieben werden. Nach Planck/Einstein kann die Energie eines Photons berechnet werden nach E = h*. (h = * J*s) Die Energie eines Photons nimmt zu in der Reihe: IR – rot – grün – violett – UV – Röntgenstrahlung - -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.

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

61 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 61 Reaktionswärme (enthalpie) Bei exothermen Reaktionen ist H negativ ( H < 0 kJ/mol), Wärmeabgabe! Bei endothermen Reaktionen ist H positiv ( H > 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.

62 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 62 Standardreaktionsenthalphie 2 H 2 (g)+O 2 (g) 2 H 2 O (l) H 0 = -286 kJ/mol H 0 : 25 °C, hPa, 1 mol Produkt Veraltet: 1 cal = 4.18 J

63 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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. H 0 = 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.

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

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

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

67 PSE Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 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)

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

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

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


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