Anorganische Chemie für Biologen

Transkript

1 Anorganische Chemie für Biologen Nadja Giesbrecht AK Prof. Dr. Thomas Bein Raum: E3.005 Tel: 089/

2 Organisatorisches Seminartermine: , 8 Uhr ct bis 10:00 Raum: Liebig-Hörsaal Vorlesungsunterlagen: Passwort: ACBiologen Abschlussklausur: Mittwoch, , 13:00, Liebig-HS und Buchner-HS Wiederholungsklausur: Mittwoch, , 13:00, Liebig-HS Sicherheitsunterweisung für das Praktikum (verpflichtend): Liebig-HS im Anschluss Seminar Anorganische Chemie für Biologen 2

3 Literatur Basiswissen der Chemie: Charles E. Mortimer, Ulrich Müller, Johannes Beck: Chemie, Thieme Verlag Kationen- und Anionennachweise und Trennungsgänge: Jander/Blasius: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie, S. Hirzel Verlag Nachschlagewerk für anorganische Chemie: Holleman/Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, de Gruyter Verlag Seminar Anorganische Chemie für Biologen 3

4 Inhalte Stöchiometrie chemisches Rechnen Chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Säure-Base-Theorie Komplexchemie Redox-Theorie Löslichkeitsgleichgewichte Anionen-Kationen-Nachweise Seminar Anorganische Chemie für Biologen 4

5 Was ist Chemie? Laut Duden: Naturwissenschaft, die die Eigenschaften, die Zusammensetzung und die Umwandlung der Stoffe und ihrer Verbindungen erforscht. Elemente Verbindungen Materie Seminar Anorganische Chemie für Biologen 5

6 Was definiert ein Element? Aufbau der Atome: Massenzahl (Anzahl der Protonen und Neutronen) Ordnungszahl (Anzahl der Protonen bzw. der Elektronen) 12 C Symbol des Elements 6 Alle Atome mit der gleichen Ordnungszahl (Protonenzahl) gehören zu einem Element. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 6

7 Welche Elemente gibt es? Seminar Anorganische Chemie für Biologen 7

8 Aus welchen Elementen besteht der Körper? Elemente Mengenelemente: Nichtmetalle C, H, O, N, P, S Metalle und Chlorid Na, K, Mg, Ca, Cl Spurenelemente: Wo? Hauptbestandteil aller Biomoleküle (Proteine, Zucker..) als Ionen (Elektrolyte) Menge im menschlichen Körper (70 kg) zusammen 68 kg zusammen 1,5 kg Fe Hämoglobin 5 g Zn, Cu, Mn, Co, Mo, Se, F, I bekannte Funktionen in Enzymen Zn 2 g, sonst, mg Seminar Anorganische Chemie für Biologen 8

9 Sind alle Atome eines Elements gleich? Isotope: Atome mit gleicher Ordnungszahl aber verschiedener Neutronenzahl unterschiedliche Masse Mischelemente: Mehrere Isotope kommen vor, z. B: Symbol Name Anzahl Protonen Anzahl Elektronen Anzahl Neutronen 1 H Wasserstoff H Deuterium H Tritium Reinelemente: Nur ein natürlich vorkommendes Isotop, z. B. 19 F, 23 Na, 31 P Seminar Anorganische Chemie für Biologen 9

10 Kenngrößen von Elementen und Verbindungen Die Masse von Atomen setzt sich hauptsächlich aus der Masse der Protonen und Neutronen zusammen. Masse eines Atoms: 12 C: 1,99265 * kg, definiert als 12 u u: atomare Masseneinheit, * kg Die Atommasse von Isotopen wird in u angegeben: 35 Cl: 34,969 u (75,78% natürliche Häufigkeit) 37 Cl: 36,966 u (24,22% natürliche Häufigkeit) Mittlere Atommasse von Chlor: m(cl) = 75,78% * 34,969 u + 24,22% * 36,966 u = 35,453 u Seminar Anorganische Chemie für Biologen 10

11 Kenngrößen von Elementen und Verbindungen Massenerhaltungssatz: A. L. de Lavoisier (1789): Bei einer chemischen Reaktion in einem geschlossenen System ist die Gesamtmasse vor und nach der Reaktion gleich. Gesetz der konstanten Proportionen: J. L. Proust (1797): In einer bestimmten chemischen Verbindung liegen die Elemente immer im gleichen Massenverhältnis vor. Grundprinzipien der Stöchiometrie, der Lehre von der Menge der an chemischen Reaktionen beteiligten Stoffe Seminar Anorganische Chemie für Biologen 11

12 Kenngrößen von Elementen und Verbindungen Teilchenanzahl N: Zahl der Atome/Moleküle in einer Stoffportion Stoffmenge n: Teilchenzahl, angegeben in mol 1 mol ist die Anzahl von Atomen in einer Portion von 12,000 g 12 C: 6,022 * Atome. Die Anzahl von Teilchen pro mol ist die Avogadro-Konstante (N A ). Seminar Anorganische Chemie für Biologen 12

13 Kenngrößen von Elementen und Verbindungen Molare Masse: Für jedes Element und jede Verbindung kann man die molare Masse M angeben, die der Masse von 1 mol der jeweiligen Substanz entspricht. Die molare Masse von Verbindungen ist die Summe der molaren Massen der enthaltenen Elemente: M(H) = 1 g/mol M(O) = 16 g/mol M(C) = 12 g/mol M(H 2 O) = 2 * M(H) + 1 * M(O) = 18 g/mol M(C 6 H 12 O 6 ) = Übung Seminar Anorganische Chemie für Biologen 13

14 Kenngrößen von Elementen und Verbindungen Seminar Anorganische Chemie für Biologen 14

15 Kenngrößen von Stoffgemischen Liegt eine Stoffmenge n eines Stoffes in einem Volumen V eines anderen Stoffes (Lösungsmittel) gelöst vor, so kann die Zusammensetzung der Lösung durch die Konzentration c beschrieben werden. Einheit: mol/l, kurz M (für molar). c = n V Ansetzen einer definierten Lösung: benötigt: V, c, M des Stoffes Berechnung von n, dann m des Stoffes Abwiegen des Stoffes in geeichtes Gefäß (z.b. Messkolben) Auffüllen mit Lösungsmittel bis V erreicht ist Seminar Anorganische Chemie für Biologen 15

16 Konzentration bestimmt biologische Wirkung EC 50 Effective Concentration: bei 50% der Versuchspopulation wird ein Effekt beobachtet LC 50 Lethal Concentration: Letalkonzentration 50% der Versuchsorganismen sterben innerhalb eines bestimmten Beobachtungszeitraumes LD 50 Lethal Dose: Letale Dosis bestimmte Giftmenge Allein die Menge macht das Gift Paracelsus ( ) Seminar Anorganische Chemie für Biologen 16

17 Übungen Welche molare Masse hat Kohlensäure (H 2 CO 3 ): 62 g/mol Was ist die Stoffmenge von 200 g NaHCO 3?: 2,38 mol Welche Konzentration hat eine Lösung von 34,2 g Saccharose (C 12 H 22 O 11 ) in 500 ml Wasser?: 0,2 M Welche Masse an NaCl liegt in 1 L Meerwasser mit einer Salzkonzentration von 0.05 mol/l vor?: 2,92 g Eine Na 2 SO 4 -Lösung hat eine Konzentration von 0,1 mol/l. Welches Volumen dieser Lösung enthält 10 mmol (0,01 mol) Natrium?: 50 ml Seminar Anorganische Chemie für Biologen 17

18 Inhalte Stöchiometrie chemisches Rechnen Chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Säure-Base-Theorie Komplexchemie Redox-Theorie Löslichkeitsgleichgewichte Anionen-Kationen-Nachweise Seminar Anorganische Chemie für Biologen 18

19 Chemische Reaktionen In chemischen Reaktionen werden Ausgangstoffe (Edukte) in andere Endstoffe (Produkte) umgewandelt. Reaktionen werden durch Reaktionsgleichungen beschrieben: Edukte Produkte Die Gesamtzahl der Atome jedes Elements bleibt dabei gleich. CH O 2 CO H 2 O Seminar Anorganische Chemie für Biologen 19

20 Übung Magnetit (Fe 3 O 4 ) wird mit Kohlenstoff unter Bildung von Kohlenstoffdioxid zu elementarem Eisen reduziert. Stellen sie die stöchiometrische Reaktionsgleichung auf. Wieviel Eisen wird aus 10 g Fe 3 O 4 gewonnen? Fe 3 O C 3 Fe + 2 CO 2 M(Fe) = 55,8 g/mol M(Fe 3 O 4 ) = 231,5 g/mol n(fe) = 3 * n(fe 3 O 4 ) = 3 * m(fe 3 O 4 )/M(Fe 3 O 4 ) = 0,13 mol m(fe) = M(Fe) * n(fe) = 7,23 g Hochofen zur Eisengewinnung Seminar Anorganische Chemie für Biologen 20

21 Gleichgewichtsreaktionen Viele Reaktionen laufen nicht nur vorwärts, d. h. Edukte Produkte sondern zugleich auch rückwärts ab Produkte Edukte Ist die Geschwindigkeit von Hin- und Rückreaktion gleich, so ändern sich die Stoffmengen der Reaktionspartner nicht, die Reaktion ist im Gleichgewicht. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 21

22 Massenwirkungsgesetz a A + b B Hinreaktion Rückreaktion d D + e E Die Gleichgewichtskonstante K gibt die Lage des Gleichgewichts an: K c = cd D c e (E) c a A c b (B) Zusammensetzung des Systems im Gleichgewicht: K << 1 K = 1 K >> 1 Produkte Edukte Seminar Anorganische Chemie für Biologen 22

23 Übung Bei der Reaktion von 5 mol Essigsäure und 3 mol Ethanol bei 25 C sind bis zur Einstellung des Gleichgewichts 2,43 mol Essigsäureethylester und 2,43 mol Wasser entstanden. Wie groß ist die Gleichgewichtskonstante K c? CH 3 COOH + C 2 H 5 OH CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O Essigsäure Ethanol Essigsäureethylester Menge an Essigsäure im GGW: (5 2,43) mol = 2,57 mol Menge an Ethanol im GGW: (3 2,43) mol = 0,57 mol K c = 2,431 2,43 1 2,57 1 0,57 1 = 4,03 Seminar Anorganische Chemie für Biologen 23

24 Einflüsse auf das Gleichgewicht Prinzip von Le Châtelier (aka Prinzip des kleinsten Zwangs): Wird auf ein sich im chemischen Gleichgewicht befindendes stoffliches System ein Zwang ausgeübt, dann weicht dieses System dem Zwang so aus, dass die Wirkung des Zwanges verringert wird. Beispiele: 1. Setzt eine Reaktion beim Ablauf Wärme frei (exotherm), verschiebt Abkühlung das GGW zugunsten der Produkte. 2. Verlässt eines der Produkte das System (z.b. Gasentwicklung), werden die Produkte bevorzugt gebildet. 3. Unter Druck wird die Seite des GGW bevorzugt, auf der weniger Teilchen in der Gasphase vorliegen. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 24

25 Einflüsse auf das Gleichgewicht 2 NO 2 N 2 O 4 R H = -59 kj mol c(n 2 O 4 ) c(no 2 ) Temperaturerhöhung ist ein äußerer Zwang. Für endotherme Reaktionen: Erhöhung von T führt dazu, dass K größer wird. Für exotherme Reaktionen: Erhöhung von T führt dazu, dass K kleiner wird. Temperatur Seminar Anorganische Chemie für Biologen 25

26 Einflüsse auf das Gleichgewicht 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) c(n 2 O 4 ) c(no 2 ) Druckerhöhung ist ein äußerer Zwang. Druckerhöhung: Die Reaktion, die unter Volumenabnahme verläuft wird begünstigt. Druck Druckerniedrigung: Die Reaktion, die unter Volumenzunahme verläuft wird begünstigt Seminar Anorganische Chemie für Biologen 26

27 Übung Betrachten Sie die Gleichgewichtsreaktion: A 2 + B A + AB Bei zwei unterschiedlichen Temperaturen werdem im GGW folgende Konzentrationen gemessen: Stoff Konz. bei 300 K Konz. bei 500 K A 3 mol/l 1 mol/l B 1 mol/l 3 mol/l A 2 1 mol/l 2 mol/l AB 4 mol/l 3 mol/l Ist die Reaktion exo- oder endotherm? K 300K = = 12 K 500K = = 0,5 K sinkt mit steigender Temperatur die Reaktion ist exotherm Seminar Anorganische Chemie für Biologen 27

28 Gleichgewichte in der Biologie Höhenakklimatisierung: O 2 + Hb HbO 2 (Hb = Hämoglobin) O 2 -Partialdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab Ort Meereshöhe P(O 2 ) Hämatokrit Lima 160 m 200 hpa 45 % Denver 1610 m 170 hpa 48 % Mexico City 2270 m 150 hpa 51% Moroccocha (Peru) 4400 m 120 hpa 60 % Mount Everest 8848 m ca. 50 hpa Anteil der roten Blutkörperchen (Hämatokrit) steigt mehr Hb verfügbar. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 28

29 Oktettregel Atome sind im allgemeinen bestrebt, volle Außenelektronenschalen zu besitzen. Das entspricht dem Elektronenoktett in der Außenschale eines Edelgas-Atoms. Seminar Anorganische Chemie für Biologen 29

30 Struktur von Molekülen Atome sind besonders stabil, wenn sie eine volle Valenzelektronenschale besitzen, d. h. Edelgaskonfiguration Die Zahl und Verteilung der Valenzelektronen bestimmt die Molekülstrukur (VSEPR-Modell) Vorgehen zum Aufstellen der Lewis-Formel: Zentralatom und daran gebundene Atome aufzeichnen Valenzschalen der gebundenen Atome vervollständigen Übrige Valenzelektronen ans Zentralatom Wenn das ZA kein Oktett hat, Mehrfachbindungen Beispiel Wasser: O 2 x H H O H Seminar Anorganische Chemie für Biologen 30