Veterinärmedizin 1. Studierjahr Herbstsemester 2014

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1 Human- und Zahnmedizin Veterinärmedizin 1. Studierjahr Herbstsemester 2014 Naturwissenschaftliche Grundlagen der Medizin Teil Allgemeine und Anorganische Chemie Institut für Chemie Prof. Dr. Greta R. Patzke 1

2 Alle Materie besteht aus Atomen als kleinste Bestandteile. Atome bestehen aus 3 Arten von Elementarteilchen: Neutronen, Protonen im Kern (Nukleonen) und Elektronen in der Hülle 2

3 Faktor Präfix Symbol exa E peta P tera T 10 9 giga G 10 6 mega M 10 3 kilo K 10 2 hecto h 10 1 deca da 10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 milli m 10-6 micro 10-9 nano n pico p femto f Präfices zu Masseinheiten atto a 3

4 Schematischer Aufbau des Atoms r Radius eines Atoms r ca. 100 pm = 10 5 fm. Der massive Atomkern enthält 99.9% der Atommasse und hat einen Radius 1 bis 10 fm. 4

5 Das Atom Ladung und Masse der drei wichtigsten Elementarteilchen Name Symbol Relative Relative Absolute Masse Ladung Masse (in g) Proton p Neutron n Elektron e

6 Der Atomkern Protonenzahl = Kernladungszahl (KLZ) = Ordnungszahl (Z) = Zahl der Elektronen Summe von Protonen und Neutronen Massenzahl (A) Bezeichnungsweise: Massenzahl Ordnungszahl A Z M Elementsymbol 6

7 Nuklide und Isotope Atome mit bestimmter Ordnungs- und Massenzahl Nuklide mit gleichem Z und ungleichem A Nuklide Isotope eines Elements stabile natürliche instabile künstliche Nuklide (Isotope) Instabile Nuklide (Isotope) sind radioaktiv! 7

8 Isotopie Beispiele 12 C (Kohlenstoff-12), 14 C (Kohlenstoff-14), 31 P (Phosphor-31) Die Isotopie des Wasserstoffkerns 1 H H + 1 = D + 3 H + 1 = T + Protium Deuterium Tritium (radioaktiv) 8

9 Die chemischen Elemente Chemisches Element Atom mit einer bestimmten (atomare Definition) Ordnungszahl Z Chemisches Element (stoffliche Definition) Stoff, der aus einem oder mehreren Isotop(en) besteht Elemente haben Namen und ein Elementsymbol: gleiche Namen der Isotope, aus denen sie bestehen. Die natürliche Elemente setzen sich in der Regel aus mehreren stabilen oder instabilen Isotopen zusammen! (Natürliche) Isotopenhäufigkeit Isotopenzusammensetzung der natürlich vorkommenden Elemente 9

10 Elemente Bei Elementen mit kleinem Z (leichte Elemente) grossem Z (schwere Elemente) Protonenzahl Neutronenzahl Protonenzahl < Neutronenzahl 10

11 Elemente mit: Namen, Elementsymbol, Od Ordnungszahl hl(z)at (Z), Atommasse Element Symbol Z relative Isotope (= Nuklide) Atommasse Wasserstoff H H, H, H Kohlenstoff C C, 12 C, 13 C, 14 C Stickstoff N N,, 14 N, 15 N Sauerstoff O O, O Natrium Na Na, Na Magnesium Mg Mg, Mg, Mg Phosphor P P, 32 P Schwefel S S, 35 S Chlor Cl Cl, 37 Cl Kalium K K, K, K Calcium Ca Ca, 45 Ca, 47 Ca Eisen Fe Fe 56 59, Fe, Fe Cobalt Co Co, 59 Co, 60 Co Iod I I, 127 I, 131 I Uran U U, 235 U ) Das Nuklid ist radioaktiv 11

12 Atommasse und Stoffmenge Absolute Atommassen sind sehr klein, daher umständlich im Gebrauch relative lti Atommasse 12 6 C Bezug auf die Masse des Kohlenstoffnuklids = Relative Atommasse (Definition): 1 12 C = der Masse von = 1 atomare Masseneinheit = 1u = kg 12

13 Atommasse und Stoffmenge Kein Element besitzt eine ganzzahlige Atommasse! Gründe: Protonen/ Neutronenmasse 1 Massendefekt bei der Atombildung Natürliche Isotopenverteilung Relative Atommassen sind wichtig für die Massenbilanz bei chemischen Reaktionen! 12 6 C g von enthalten Atome = N A N A Atome entsprechen 1 mol A N A = Avogadro-Konstante = mol -1 13

14 Stoffmenge 1 mol eines Elementes entspricht der relativen lti Atommasse in g 1 mol einer chemischen Verbindung entspricht der relativen Molekülmasse in g Beispiel: Eisen Stoffmenge n Masse m Anzahl der Eisenatome 1 mol 1 mmol (millimol) g mg 1 mol (mikromol) g 1 nmol (nanomol) ng

15 Die Elektronenhülle Das chemische Bindungsverhalten wird durch die Elektronenhülle bestimmt. Die Elektronen haben nicht alle die gleiche Energie. Sie verteilen sich auf diskrete Energieniveaus. Die Energieniveaus sind charakterisiert durch vier Quantenzahlen und ordnen sich in Schalen. Hauptschalen: Hauptquantenzahl n n = 1: K; n = 2: L; n = 3: M; n = 4: N maximale Elektronenzahl 2n 2 Unterschalen: Nebenquantenzahl ; = 0: s, = 1: p, = 2: d, = 3: f Maximum von : (max) = n-1 Magnetquantenzahl m: diskrete Werte zwischen - und + -, - +1, , Spinquantenzahl = Eigendrehimpulsquantenzahl s: 1/2 15

16 Elektronischer Zustand und Elektronenkonfiguration Pauli-Prinzip Die Elektronen eines Atoms unterscheiden sich in mindestens einer ihrer Quantenzahlen. Jedes Elektron eines Atoms besitzt mit einem bestimmten Satz an Quantenzahlen einen eigenen elektronischen Zustand, welcher e einem e energetischen e e Niveau des Elektrons entspricht. Eine bestimmte Besetzung der Energieniveaus eines Atoms mit einem oder mehreren Elektronen nennt man Elektronenkonfiguration. Sie bezeichnet einen energetischen Zustand ddes Atoms. Der energetisch günstigste davon ist der Grundzustand. 16

17 Einfachste Bezeichnung der Elektronenkonfiguration eines Atoms Hauptquantenzahl nl x Zahl der Elektronen Nebenquantenzahl l = 0: s; l = 1: p; ; l = 2: d; l = 3: f etc. 17

18 Maximale Elektronenzahl pro Haupt- und Unterschalen (abgeleitet aus den Quantenzahlen) 18

19 Regeln zur Ermittlung des Grundzustandes (Zustand eines Atoms mit niedrigster Energie) 1. Niveaus haben mit steigendem Wert der Hauptquantenzahl höhere Energie. 2. Energiezunahme der Nebenquantenzahlen innerhalb einer Hauptquantenzahl pq mit steigendem l: s < p < d < f. 3. Die Magnetquantenzahlen innerhalb einer Nebenquantenzahl ergeben energiegleiche (entartete) Niveaus. 4. Die beiden Spinquantenzahlen innerhalb eines Niveaus mit einer Magnetquantenzahl sind energiegleich; max. 2 Elektronen pro Niveau. 5. Bei energetisch gleichwertigen (entarteten) Niveaus innerhalb einer Unterschale erfolgt zunächst Besetzung mit je einem Elektron (mit der gleichen Spinquantenzahl). Wenn alle Niveaus einfach besetzt sind, erfolgt sukzessive Doppelbesetzung mit der anderen Spinquantenzahl: Hund'sche Regel. 19

20 Elektronenkonfiguration der ersten 12 Elemente des Periodensystems Element Abkürzung Kernladungszahl Elektronenkonfiguration Valenzelektronen Magnesium Mg 12 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 2 Natrium Na 11 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1 Neon Ne 10 1s 2 2s 2 2p 6 (8) Fluor F 9 1s 2 2s 2 2p 5 7 Sauerstoff O 8 1s 2 2s 2 2p 4 6 Stickstoff N 7 1s 2 2s 2 2p 3 5 p Kohlenstoff C 6 1s 2 2s 2 2p 2 4 Bor B 5 1s 2 2s 2 2p 1 3 Beryllium Be 4 1s 2 2s 2 2 Lithium Li 3 1s 2 2s 1 1 Helium He 2 1s2 (2) Wasserstoff H 1 1s11 1 Die Elektronen der äussersten Schale nennt man Valenzelektronen. 20

21 Die Quantenzahlen n und l im Energieniveauschema Hauptschalen können sich durchdringen und eine den Regeln der Quantenzahlen widersprechende energetische Abfolge verursachen. rsachen 21

22 Darstellung der 1s, 2s und 2p Orbitale 1s Das betrachtete Elektron bewegt sich mit 90% Wahrscheinlichkeit innerhalb der Orbitalgrenzen 22

23 Energieniveauschema für das Kohlenstoffatom (Grundzustand) d) Einbeziehung der Quantenzahlen n, l, m, s 23

24 Energieniveauschema für das Kohlenstoffatom (angeregter Zustand) Energie 2 s p x p y p z 1 s 24

25 Anregungsenergie Energetische Differenz zwischen dem Grund- und einem angeregten Zustand = Anregungsenergie. Die Anregungsenergie wird frei, wenn ein angeregter Zustand in den Grundzustand zurückfällt: E =h h = Js (h = Planck'sches Wirkungsquantum; Einheit: Joule Sekunde) Aufnahme von Anregungsenergie = Absorption Abgabe von Anregungsenergie = Emission 25

26 Deutung der Quantenzahlen mit Orbitalmodell und Spins (Eigendrehimpuls) z 3s n=3, l =0, m=0 z z y y y x x x 2p x 2p z 2p y n=2, l =1, m=-1n=2, l =1, m=0 n=2, l =1, m=+1 2s n=2, l=0, m=0 1s n=1, l =0, m=0 2 Knoten 1 Knoten kein Knoten Elektronen sind in der Hülle eines Atoms als stehende räumliche Welle aufzufassen. Der Wellencharakter verschmiert ein Elektron über weite Bereiche eines Atoms. Für verschmierte Elektronen gibt es nur Wahrscheinlichkeiten für den Aufenthalt. Der Aufenthaltsbereich eines Elektrons in einem Atom mit bestimmter Wahrscheinlichkeit (z.b. 90%) wird Orbital genannt. Grösse der Orbitale bestimmt die Hauptquantenzahl. Form der Orbitale ist gegeben durch Nebenquantenzahl; Orientierung durch magnet. Quantenzahl. 26

27 Modellvorstellung zum Spin eines Elektrons Es gibt ein resultierendes magnetisches Moment e Elektron dreht sich um eine Achse = Eigendrehimpuls = Spin Drehrichtung ist durch die Quantenzahl 1/2 bestimmt (Viele Atomkerne haben ebenfalls einen Spin = Kernspin) 27

28 Das Periodensystem der Elemente (PSE) Das Periodensystem ensteht durch Reihung der Elemente nach steigender Kernladungszahl und Zusammenfassung chemisch verwandter Elemente in Gruppen. Die Änderung der Elektronenhülle beim Übergang von einem Element zum nächsten folgt dem Aufbauprinzip. 28

29 Aufbauprinzip der Elektronenhülle der Elemente im PSE Das Aufbauprinzip ergibt sich aus der Reihung der Energieniveaus, wie sie für die Ermittlung von Grundzuständen der Atome angewendet wurden. Zusätzliche Effekte, wie die gegenseitige Abschirmung der Elektronen, verursachen bei Vielelektronensystemen gelegentlich veränderte Reihungen. 29

30 Reihenfolge bei der Auffüllung der Orbitale innerhalb der Perioden des Periodensystems: Aufbauprinzip 1. Periode 1s Periode 2s 1-2 2p Periode 3s 1-2 3p Periode 4s 1-2 3d p Periode 5s 1-2 4d p Periode 6s 1-2 4f d p Periode 7s 1-2 5f d p 1-? 30

31 Das Periodensystem der Elemente Rumpf [He] [Ne] [Ar] [Kr] [Xe] [Rn] Start 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d Ende Horizontal: Perioden Vertikal: Gruppen Perioden und/oder Gruppen werden auch zu Blöcken zusammengefasst 31

32 Das Periodensystem der Elemente 32

33 Chemische Familien des PSE Einteilung nach Gruppen Hauptgruppenelemente (gekennzeichnet durch Auffüllung von s- und p-schalen) Nebengruppenelemente (gekennzeichnet durch Auffüllung von d- oder f-schalen ) 33

34 Biochemisch und medizinisch wichtige Elemente Li Tc Ag Cd Ba Pt Hg Pb Po Gü Grün: biochemisch i h wichtige ihti Elemente; grau: pharmakologisch hoder toxikologisch i bd bedeutsame Elemente; weiss: Elemente, die in Naturstoffen bzw. Lebewesen vorkommen. 34

35 Chemische Familien des PSE Einteilung nach Perioden erste, zweite oder dritte Übergangsmetallreihe: 3d-, 4d- oder 5d-Elemente Lanthanoide oder Actinoide: 4f- oder 5f-Elemente 35

36 Einteilung nach chemischen Blöcken z.b. Metalle Nichtmetalle 36

37 Massenanteil wichtiger Hauptgruppenelemente im menschlichen Körper Der Mensch besteht zu ca. 60% aus Wasser. Die Körpersubstanz ist meist organischer Natur: nur 5% des Menschen sind mineralisch. 37

38 Biochemisch wichtige Nebengruppenelemente (Gesamtmenge bei einem 70 kg schweren Erwachsenen) 38

39 Atom- und Ionenradien, Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität Atomradien (Atome und Ionen werden als kugelförmig angenommen) 39

40 Ionenradien Durch hentfernen oder Hinzufügen von Elektronen von oder zu Atomen entstehen positiv oder negativ geladene Ionen (Kationen oder Anionen) Auswahl von Ionenradien (pm) Der Radius des H + -Ions ist ausserordentlich klein. Er entspricht dem eines Protons! 40

41 Ionenradien Anionen sind stets grösser als die entsprechenden Atome. Kationen sind kleiner als die neutralen Atome. 41

42 Ionisierungsenergie Die Ionisierungsenergie I eines Elements gibt an, wie leicht ein Elektron aus einem im gasförmigen Zustand befindlichen Atom des Elements abgelöst werden kann. Beim zweiten Ionisierungsschritt entsteht mehr Ladung auf engerem Raum. 42

43 Die periodische Änderung der ersten Ionisierungsenergien der Elemente He Ne N Ar Kr O C B Li Na Al K Zn Ga Rb Xe Cd Hg Rn In Cs Lu TlRa Pu

44 Elektronenaffinität E A Elektronenaffinität ität ist die bei der Elektronenaufnahme durch ein Atom oder Ion freiwerdende Energie in der Gasphase. E(g) + e - (g) E - (g) E A Ausgewählte Elektronenaffinitäten (kj/mol) Elektronenaffinitäten sind dann besonders günstig (negativ), wenn durch das Hinzufügen eines Elektrons ein Schalenabschluss (stabile Elektronenkonfiguration) erreicht wird. 44

45 Periodisches Verhalten: Atom- und Ionenradien, Ionisierungsenergie g und Elektronenaffinität von Elementen 45

46 Radioaktivität, Radioisotope und Kernchemie Protonen und Neutronen (Nukleonen) in Atomkernen werden durch die spezifischen Kernkräfte zusammengehalten (nur einige fm Reichweite). Typische Bindungsenergie g von 8 MeV oder 100 MJ/mol pro Nukleon: 10 5 bis 10 6 mal mehr als bei chemischen Reaktionen. Diese Kernenergie ist so gross, dass der Massendefekt (m = E/c 2 ) messbar wird d( (~2 der Kernmasse). 46

47 Radioaktivität, Radioisotope und Kernchemie Von etwa 1000 bekannten Nukliden sind nur ca. 1/3 stabil. Die instabilen Kerne zerfallen spontan unter Abgabe von energiereicher Strahlung (Radioaktivität). Die Lebensdauer der radioaktiven Nuklide kann sehr unterschiedlich sein und wird in der Halbwertszeit t 1/2 gemessen. 47

48 Die Halbwertszeit Halbwertszeit t = Zeit bis die Hälfte einer Anzahl von Atomen zerfallen ist 48

49 Radioaktive Strahlung Der radioaktive Zerfall entspricht einer spontanen Kernreaktion, die mit radioaktiver Strahlung verbunden ist * Für jedes Teilchen sind mehrere Symbole aufgeführt; oft genügt das einfachste (jeweils das letzte). c ist die Lichtgeschwindigkeit # Ein Kern im energetisch angeregten Zustand wird normalerweise mit einem Stern gekennzeichnet. 49

50 Schematisierte Darstellung von Kernzerfällen Häufige Zerfälle α-zerfall β-zerfall γ-zerfall 50

51 Schematisierte Darstellung von Kernzerfällen Seltenere Zerfälle + + e - 2 Proton nimmt Elektron auf 51

52 Kernspaltungsreaktor: z.b. 92 Induzierte Kernreaktionen Künstliche Kernreaktionen U 1 Te + Zr + 2 n + 0n Kernfusionsreaktor (Vision): Ba Li n 1 3 H He 3 H + 2 1H 4 2He n 1 Teilchenbeschleuniger (Cyclotron): Ba + 36 Kr n O + p 9 F ( 8 O + + ) zb z.b. fürpositronen-emissions-tomographie (PET) als (teure) medizinische Diagnosemethode 52

53 Induzierte Kernreaktionen Natürliche Kernreaktionen N + 0 n 6 C + 1 H C 7N C Auf dem Zerfall von 6 (t 1/2 = 5730 a) beruht die Radiocarbonmethode zur Altersbestimmung von nicht lebendem organischen Material. 14 Durch Messung des 6 C/ 12 6 C -Verhältnisses kann über die Halbwertszeit das Alter berechnet werden. 53

54 Biochemisch & medizinisch wichtige Radioisotope (= Radionuklide) Radioaktive Nuklide werden in der Biologie zur Markierung von Radioaktive Nuklide werden in der Biologie zur Markierung von Molekülen in chemischen Prozessen ( Tracerelemente ) und in der Medizin zur Diagnostik und Therapie benutzt. 54

55 Radioisotope in der Diagnostik Aufnahme eines Szintigramms: Radiopharmakon wird in der Schilddrüse angereichert Gemessene Strahlung ist proportional p zur Stoffwechselaktivität: Unterscheidung kranker und gesunder Gewebe 55