Biophysik für Pharmazeuten I.

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1 Biohysik für Pharmazeuten I. Allgemeine Prinziien Wechselwirkungen Bewegungen abstoßend anziehend Ekin = 1 mv 015/16 Vorlesung 3 E ot E Z.B. elektrisch r Struktur der Materie Unordnung + E kin q1 q = k r E ot Ordnung E = E ot + Ekin < 0 gebundenes Elektron E = E ot + Ekin > 0 freies Elektron 1 Atomarer Aufbau der Materie o Demokritos 5.Jht v.chr. o Daltonsches Gesetz 1803 o Moderne Mikroskoe: o Energieminimum o Diskrete Energiezustände o Pauli-Prinzi Eine neue Maßeinheit: Elektronenvolt (ev), es gilt 1 ev = 1, J Freie Zustände m Grahit Ordnungszahl Atomkern, elektr. Ladung: Z e Z Elektronen, elektr. Ladung Z e Elektronenwolken Si Kristall mit Defekten Elementarladung Elektronenzahl 8 18 K-Schale L-Schale M-Schale Hautquantenzahl (n) 1 3 Gebundene Zustände m Bewegungen Elektrische Anziehung 3 4

2 Atomare Wechselwirkungen Abstoßende Ww (E ot > 0) (Abstoß zw. den Kernen, Pauli-Prinzi) Bindungstyen rimäre 100 kj/mol kovalente metallische ionische Bindungslänge (r 0 ) Bindungsenergie (E) 0,1 nm kj/mol ionische Bindung Z.B. NaCl Anziehende Ww (E ot < 0) gemeinsame Elektronenbahnen elektrische Anziehung (Ion-Ion, Ion-Diol, Diol-Diol) metallische Bindung kovalente Bindung Z.B. Na Z.B. H 6 sekundäre 10 kj/mol van der Waals (Orientierung, Induktion, Disersion) H-Brückenbindung van der Waals Bindung (Disersionskräfte) H-Brückenbindung Differenz der Elektronegativität Metallbindung Ionenbindung rimäre chemische Bindung kovalente Bindung Temorärer Diol Induzierter Diol Zwischen Atomen von hoher Elektronegativität (Z.B. O, N,...) Summe der Elektronegativität Z.B. Edelgas Z.B. Wasser 7 8

3 Aggregatzustände Gase Mikroskoische Beschreibung: Anziehende Ww Abstoßende Ww + Bewegungen T ( ~ E kin ) Ungeordnet Starke und fast freie Bewegung Fest Flüssig Eigenvolumen Eigenform Kristallin (Festkörer) Fernordnung Kristallgitter Amorf Nahordnung Dichte (ρ): m ρ = V kg 3 m Gasförmig ungeordnet 9 Makroskoische Beschreibung: Kein Eigenvolumen und keine Eigenform Isotro Messbare Größen: Druck Volumen, V, ν, T Stoffmenge V = ν RT Temeratur (Für ideale Gase: unktförmige Atome ohne Wechselwirkungen) 1 mv = 3 Maxwell-Boltzmann- Verteilung 10 Gas im Gravitationsfeld barometrische Höhenformel: Boltzmann-Verteilung im Allgemeinen? h Im thermischen Gleichgewicht: = 0 Luft e mgh Die Verteilung der Teilchen auf die Energiezustände im thermischen Gleichgewicht (T = konstant): n i ε i n 0 ε 0 Δε n i = n 0 e ε ε i 0 n i εi ε0 Δε = n0 e = n0 e = n0 e ΔE RT ΔE = Δε R = k N A N A h 11 1

4 Flüssigkeiten Anwendungen: Barometrische Höhenformel Thermische Elektronenemission von Metallen Konzentrationselemente, Nernst-Gleichung Chemische Reaktionen (Geschwindigkeits- und Gleichgewichtskonstante) Konzentration von thermischen Punktdefekten (in Kristallen und Makromolekülen) Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern... Eigenvolumen Keine Eigenform/flüssig keine innere Scherkräfte Nahordnung einige nm große geordnete dinamische Bereiche Viele Strukturdefekte mittelstarke Bewegungen Isotro Wasser 14 Wasser Feste Körer - + Diol (Kristall = Festkörer) Einkristalle Kristalline Polykristalle Amorhe hohe sezifische Wärmekaazität, Schmelzwärme und Verdamfungswärme hohe Oberflächensannung gutes Lösungsmittel Mikrokristalline Nanokristalline 15 16

5 Festkörer (Kristalle) Raumgitter (Kristallklassen) Eigenvolumen/Eigenform Fernordnung geordnete Struktur in makroskoischen Bereichen Periodizität, Elementarzelle, Kristallgitter Wenig Defekte Schwache Bewegungen Oft anisotro Kristallgitter (Raumgitter) kubisch einfach raumzentriert flächenzentriert hexagonal Elementarzelle tetragonal trigonal orthorombisch monoklin triklin Kristalltyen Atomkristall Diamant Si Ionenkristall Salz Aatit Metallkristall Gold Uracyl Eiweiß (Lysozym) Molekülkristall Eis Grahit 19 0

6 Amorhe (feste) Körer Eigenvolumen Mechanisch hart Keine Eigenform/flüssig sehr hohe Viskosität; gefrorene Flüssigkeit Nahordnung Viele Defekte Isotro Z.B. Glas, Harz, Wachs, Bitumen,... Längster Versuch der Welt Pechtrofen- Exeriment In 197 gestartet 9 Trofen kristalliner SiO amorher SiO 1 Aatit Ca 10 (PO 4 ) 6 (X) Ca 5 (PO 4 ) 3 X OH : Hydroxiaatit F : Fluoraatit hexagonales Ionenkristall Gitterdefekte Punktdefekte thermisch Vakanz/Leerstelle (Schottky-Defekt) Interstitielles Atom (Zwischengitteratom) Frenkel- Defekt n S = N e ε S Zahl der Schottky- Defekte Fremdatom An einer Gitterstelle (Substitutionsatom) Dentin, Knochen: 0-60 nm x 6 nm große Kristalle Zahnschmelz: nm x 30 nm große Kristalle 3 An einer Zwischengitterstelle (interstitielles Atom) s. Legierungen!! 4

7 Versetzungen Stufenversetzung Schraubenversetzung Versetzungen in einer Ti-Legierung Flüssigkristalle Termotroe Flüssigkristalle: smektisch Korngrenzen 1883 Reinitzer nematisch Gitterdefekte Eigenschaften!! Al O 3 Al O 3 +Cr +++ Anisodimensionale Moleküle Mesohase Flüssig Teilweise geordnete Strukturen Otisch anisotro Gegen äußere Einwirkungen emfindliche Struktur cholesterisch 5 6 Kontaktthermograhie/Plattenthermograhie (thermo-otisches Phänomen) Lyotroe Flüssigkristalle: Lamellare Struktur Wasser LCD (elektro-otisches Phänomen) unolarisiertes Licht 1. Polarisator hydrohil hydrohob Phosholiidmolekül Liosom Orientierungsfläche Flüssigkristallmoleküle Steuersannung Orientierungsfläche. Polarisator Lichtaustritt (durchsichtig) kein Lichtaustritt (undurchsichtig) 7 8