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PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein,

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Präsentation zum Thema: "PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein,"—  Präsentation transkript:

1 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Einführung Physikalische Chemie für Biochemiker Jörg Enderlein

2 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Einführung Thermodynamik Elektrochemie Chemische Kinetik Spektroskopie

3 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Einführung Thermodynamik Elektrochemie Chemische Kinetik Spektroskopie Temperatur-Abhängigkeit biochemischer Reaktionen Reaktionsgleichgewichte, Bindungsaffinitäten Osmose, Dampfdruck, Gefrierpunkterniedrigung Reaktionsgeschwindigkeiten, Reaktionsnetzwerke Katalyse, Enzyme, Oberflächen, Adsorption Diffusion und Reaktion, Volumina und Membrane ATP-Produktion, ATPase, Protonengradienten Ionenkanäle, Nervenleitung, Elektrolyte Polarographie, pH-Meter Natur chemischer Bindung, Wechselwirkung Licht-Materie UV-vis-Spektroskopie, IR-Spektroskopie NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie

4 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Literatur: Physikalische Chemie Physikalische Chemie und Biophysik Gerold Adam, Peter Läuger, Günther Stark Springer 2007 Physikalische Chemie Thomas Engel, Philip Reid Pearson Studium 2006 Physikalische Chemie Peter W. Atkins, Julio de Paula Wiley-VCH 2006

5 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Literatur: Biophysik Molecular and Cellular Biophysics Meyer B. Jackson Cambridge Uni. Press 2006 Biophysics: An Introduction Rodney Cotterill Wiley & Sons 2002 Biological Physics: Energy, Information, Life Philip Nelson Palgrave Macmillan 2004

6 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Literatur: Methoden Methods in Molecular Biophysics Igor N. Serdyuk, Nathan R. Zaccai, Joseph Zaccai Cambridge Uni. Press 2007 Methods in Modern Biophysics Bengt Nölting Springer 2005

7 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Thermodynamik Die Thermodynamik, auch als Wärmelehre bezeichnet, ist ein Teilgebiet der klassischen Physik, welches sich mit der Energieform Wärme und ihren Umwandlungen in andere Energieformen beschäftigt. Die Thermodynamik ist eine makroskopische Theorie, die davon ausgeht, daß sich die physikalischen Eigenschaften eines Systems hinreichend gut mit makroskopischen Zustandsgrößen beschreiben lassen. Sie ist eine effektive Theorie da sie die Bewegung der einzelnen Atome und Moleküle vernachlässigt und nur mittlere Größen wie Druck und Temperatur betrachtet.

8 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Makroskopische Zustandsgrößen Druck = Kraft / Fläche Innere Energie Volumen Entropie Dichte Enthalpie Temperatur Stoffmenge Polarisierbarkeit Intensive Zust.-GrößenExtensive Zust.-Größen Magnetisierbarkeit

9 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Zwei Arten Thermodynamik Die klassische Thermodynamik entstand im Verlauf des 19. Jahrhunderts auf der Grundlage der Arbeiten von James Prescott Joule, Nicolas Léonard Sadi Carnot, Julius Robert von Mayer und Hermann von Helmholtz. Die statistische Thermodynamik wurde durch James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann und Josiah Williard Gibbs entwickelt. Ihr Inhalt ist die Ableitung der makroskopischen thermodynamischen Gesetze aus der Kenntnis der mikrosko- pischen Konstitution und Interaktion der Materie. Wir starten mit der statistischen Thermodynamik!

10 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Statistische Thermodynamik Statistik: Gesetze über eine große Zahl von Objekten Einheit der chemischen Stoffmenge: Das Mol Avogadro-Loschmidt-Zahl 1 Liter Wasser ~ 55 mol 1 Zelle ~ 10 3 m 3 = l ~

11 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Zielpunkt: Thermodynamisches Verständnis biologischer Systeme

12 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, 1.Vereinfachung: Reine Stoffe Fest: in diesem Zu- stand behält ein Stoff im allgemei- nen sowohl Form als auch Volumen bei. Flüssig: hier wird das Volumen bei- behalten, aber die Form ist unbestän- dig und passt sich dem umgebenden Raum an. Gasförmig: hier entfällt auch die Volumenbestän- digkeit; ein Gas füllt den zur Ver- fügung stehenden Raum vollständig aus.

13 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Aggregat-Zustands-Übergänge Phasenübergänge

14 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Aggregat-Zustand: Beispiele Stoff Schmelz- temperatur Siede- temperatur Aggregat- zustand bei 25 °C Aggregat- zustand bei 10 °C Eisen 1535 °C2750 °C fest Kupfer 1084 °C2567 °C fest Cäsium 28 °C671 °C fest Sauerstoff 219 °C183 °C gasförmig Helium 272 °C269 °C gasförmig Brom 7 °C59 °C flüssigfest Chlor 101 °C35 °C gasförmig Wasser0 °C100 °Cflüssigfest

15 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, 2. Vereinfachung: Das ideale Gas Im Modell des idealen Gases werden alle Gasteilchen als ausdehnungslose Massenpunkte angenommen, welche sich frei durch das ihnen zur Verfügung stehende Volumen bewegen können. Mit frei ist gemeint, daß die Teilchen keinerlei Käfte verspüren. Allerdings dürfen sich die Teilchen untereinander und an der Wand des Volumens stoßen. Ein Gasteilchen bewegt sich also geradlinig mit einer konstanten Geschwindigkeit, bis ein Stoß (ein elastischer) es in eine andere Richtung lenken und dabei beschleunigen oder abbremsen kann.

16 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Molekulares Gasmodell

17 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Das ideale Gas Containervolumen V, Molekülzahl N Moleküle sind ideale Kugeln vernach- lässigbarer Ausdehnung Wechselwirkung zwischen Molekülen untereinander und zwischen Molekülen und der Gefäßwand sind rein elastisch Moleküle haben Masse m Moleküle haben Geschwindigkeit v

18 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Kraft durch Rückprall eines Moleküls an der Wand Abbremsung und Beschleunigung mit konstanter Rate a v m f -v f Abbremszeit und Beschleunigungszeit v/a Gesamte Wechselwirkungszeit t = 2v/a Kraft während Wechselwirkung

19 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Kraft durch Rückprall eines Moleküls an der Wand Gesamte Wechselwirkungszeit t = 2v x /a (v x,v y ) m (-v x,v y ) f f Kraft während Wechselwirkung

20 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Mittlere Zahl der aufprallenden Moleküle mit v x während eines Zeitintervalls t Zahl der Moleküle in einer Schicht der Dicke t v x und der Fläche A: x Aufprallrate:

21 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Mittlere Gesamtkraft durch aufprallende Moleküle mit v x Aufprallrate Zu jedem Zeitpunkt im Mittel auf die Wand wirkende Kraft: Kraft pro Molekülstoß

22 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Kraft: Mittlerer Druck durch aufprallende Moleküle mit v x Druck gleich Kraft pro Fläche Druck: Summierung über alle Moleküle mit v x > 0

23 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Summierung über alle Moleküle mit v x > 0 1. Herausziehen konstanter Faktoren 3. Umschreiben der Summe über v x als Summe über Moleküle 2. Umschreiben der Summe über v x > 0 als Summe über alle v x

24 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Summierung über alle Moleküle mit v x > 0 4. Summationstrick

25 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Summierung über alle Moleküle mit v x > 0 5. Zusammenfassung und Kinetische Energie eines Moleküls

26 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Mittlerer erzeugter Druck durch aufprallende Moleküle 6. Mittelung über alle möglichen Geschwindigkeiten v Mittlere kinetische Energie aller Moleküle

27 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Temperatur ist proportional zur mittleren Bewegungsenergie Proportionalitätsfaktor: Boltzmannkonstante Definition der Temperatur

28 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Definition der Temperatur Proportionalitätsfaktor: Boltzmannkonstante Alternativ: Gasgesetz bezogen auf Stoffmenge

29 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Folgerung aus der Temperaturdefinition Zusammenhang zwischen mittlerer kinetischer Energie und Temperatur

30 PC II für Biochemiker Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Prof. Dr. J. Enderlein, Beispiel: Heliumgas Masse eines Moleküls: Temperatur: 20°C ~ K


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