Dr. Stefan Wuttke Butenandstr. 11, Haus E, E 3.039 stefan.wuttke@cup.uni-muenchen.de www.wuttkegroup.de Anorganische-Chemie Grundpraktikum für Biologen 2017
Organisation Informationen: www.wuttkegroup.de Praktikum: 13:00-18:00 Abschlussklausur: 12.04.2017 15:00-17:00 Uhr Praktikum: - Anmelden - Anweisungen des Assistenten ist Folge zu leisten - Anwesenheitspflicht (ärztliches Attest) - Platzannahme und Platzabgabe Das ist kein Vorlesungsskript, sondern eine Vorlesung mit Abbildung. Stefan Wuttke # 2
Inhaltliche Schwerpunkte Stöchiometrie chemisches Rechnen Chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Chemische Bindung Säure-Base-Theorie Komplexchemie Redox-Theorie Löslichkeitsgleichgewichte Anionen-Kationen-Nachweise Stefan Wuttke # 3
Ziele der Vorlesung Verständnis verschiedener Konzepte der Chemie Chemisches Gleichgewicht Säure-Base-Theorie Komplexchemie Anwendung dieses Wissens auf das Fachgebiet Biologie Bestehen der Abschlussklausur! Stefan Wuttke # 4
Was ist Chemie? Chemie befasst sich mit der Zusammensetzung, Charakterisierung und Umwandlung von Materie. Materie ist alles Stoffliche, aus dem unser Universum aufgebaut ist, also alles, was eine Masse hat und einen Raum einnimmt. Stefan Wuttke # 5
Materie Materie Physikalische Heterogene Umwandlung Gemische (variable Zusammensetzung) Homogene Stoffe Homogene Gemische (variable Zusammensetzung) Reine Stoffe (definierte Zusammensetzung) Verbindungen Chemische Umwandlung Elemente Stefan Wuttke # 6
Was ist Chemie? Chemie befasst sich mit der Zusammensetzung, Charakterisierung und Umwandlung von Materie. Materie ist alles Stoffliche, aus dem unser Universum aufgebaut ist, also alles, was eine Masse hat und einen Raum einnimmt. Materie besteht aus chemischen Elementen und lässt sich in diese durch chemische oder physikalische Methoden trennen. Stefan Wuttke # 7
Periodensystem der Elemente Stefan Wuttke # 8
Biologisches Vorkommen der Elemente 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, 5-100 mg Stefan Wuttke # 9
Ordnungszahlen, Massenzahlen, Isotope und Atommassen Massenzahl (Anzahl der Protonen und Neutronen) Ordnungszahl (Anzahl der Protonen bzw. der Elektronen) 12 6 C Symbol des Elements Isotope des Elements Wasserstoff (Mischelemente) Symbol Name Anzahl Protonen Anzahl Elektronen Anzahl Neutronen 1 H Wasserstoff 1 1 0 2 H Deuterium 1 1 1 3 H Tritium 1 1 2 Reinelemente: Natrium, Aluminium, Phosphor, Fluor 19 Reinelemente Stefan Wuttke # 10
Ordnungszahlen, Massenzahlen, Isotope und Atommassen Massenzahl (Anzahl der Protonen und Neutronen) 12 6 12,01 Atommasse [u] C Symbol des Elements Ordnungszahl (Anzahl der Protonen bzw. der Elektronen) Die atomare Masseneinheit u ist 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12 C. 1 u = 1,66054 10-24 g 1 g = 6,02214 10 23 u Die Atommasse eines Elements errechnet sich aus den Atomassen der Isotope unter Berücksichtigung der natürlichen Isotopenhäufigkeit. Beispiel: Natürlich vorkommendes Chlor besteht aus zwei Isotopen; 75,78 % 35 Cl mit einer Atommasse von 34,969 u und aus 24,22 % 37 Cl mit einer Atommasse von 36,966 u. Stefan Wuttke # 8
Wie zählen wir Mengen in der Chemie? Stöchiometrie Gebiet der Chemie, das sich mit den Mengen der eingesetzten und gebildeten Stoffe chemischer Reaktionen beschäftigt Stoicheion = Element metron = messen Die Stöchiometrie basiert auf dem Konzept von Atommassen, chemischen Formeln und dem Gesetz der Erhaltung der Masse (1789 - Antoine Lavoisier). Vor wie nach dem Experiment liegt dieselbe Materie vor. Stefan Wuttke # 12
Wie zählen wir Mengen in der Chemie? Stefan Wuttke # 13
Wie zählen wir Mengen in der Chemie? n(stoffmenge) = 1 mol = 6,022 10 23 Teilchen (N A ) Teilchen können sein: Atome, Moleküle, etc 1 mol H 2 = 2 g 1 mol C = 12 g Die Berechnung der molaren Masse M einer Substanz besteht in der Addition aller Molteilgewichte. Beispiel: Berechnung des Molekulargewichtes (=molare Masse) von Glukose C 6 H 12 O 6 Stefan Wuttke # 14
Wie zählen wir Mengen in der Chemie? Konzentration Stoffmenge pro Volumen c(x) = n(x) V 1 mol/l = 1 mol des gelösten Stoffes in einem Volumen von 1 l Herstellung einer Lösung mit einer bestimmen Konzentration: 1. Molgewicht (M) der Substanz berechnen. 2. Wie viel Lösung brauche ich? 3. Benötigte Menge der Substanz abwiegen. 4. Diese wird in ein geeichtes Gefäß (z.b. Messkolben) vorgelegt. 5. Zufügen einer kleinen Mengen der Lösung auflösen der Substanz. 6. Auffüllen bis zur Eichmarke. Stefan Wuttke # 15
Kurze Zusammenfassung Stoffmenge n = m(x) M(X) Konzentration c(x) = n(x) V Übungsaufgaben: Berechnen Sie die molare Masse von Ca(NO 3 ) 2. Wie viele Mol Natriumhydrogencarbonat (NaHCO 3 ) sind in 508 g NaHCO 3 enthalten? Berechnen Sie die Konzentration einer Lösung, die aus 5g Glukose (C 6 H 12 O 6 ) und 100 ml Lösung hergestellt wird. Wie viel Gramm Na 2 SO 4 befinden sich in 15 ml einer 0,50 M Na 2 SO 4 -Lösung? Wie viel Milliliter einer 0,5 M Na 2 SO 4 -Lösung werden benötigt, um 0,038 mol dieses Salzen abzumessen? Stefan Wuttke # 16
Molvolumen von Gasen 1 mol (Gas unter Normalbedingungen) hat immer ein molares Volumen von 22,4 l/mol. Stefan Wuttke # 17
Oktettregel Atome sind im Allgemeinen bestrebt, 8 Außenelektronen zu besitzen. Das entspricht dem Elektronenoktett in der Außenschale eines Edelgas-Atoms. besonders günstiger Elektronenzustand Stefan Wuttke # 18
Lewis-Strukturformel Beispiel Wasser 1. Summieren Sie die Valenzelektronen aller Atome. 2. Schreiben Sie die Symbole der Atome auf, um zu zeigen, welches Atom mit welchem verknüpft ist, und verbinden Sie sie mit einer Einfachbindung (ein Strich, der für zwei Elektronen steht). 3. Vervollständigen Sie die Oktette um alle an das Zentralatom gebundenen Atome. 4. Platzieren Sie jedes übrig gebliebene Elektron am Zentralatom. 5. Wenn nicht genug Elektronen vorhanden sind, um dem Zentralatom ein Oktett zu geben, versuchen Sie es mit Mehrfachbindungen. Beispiele: Cl 2 PCl 3 CO 2 N 2 H 2 N-CO-NH 2 Stefan Wuttke # 19
Periodensystem der Elemente Stefan Wuttke # 20
Mesomerie - Resonanzformeln Beschreibt das Phänomen, dass sich für eine Verbindung verschiedene äquivalente Lewis-Formeln aufstellen lassen. Ozonmolekül - O 3 O O + + O - - O O O Die eigentliche Anordnung der Elektronen in Molekülen wie O 3 muss als eine Mischung der Resonanzformeln betrachtet werden. Stefan Wuttke # 21
Resonanz in der organischen Chemie Benzol Die sechs π-elektronen sind über den gesamten Ring delokalisert. Verbindungen mit delokalisierten π-elektronen sind in der Regel energetisch günstiger und damit stabiler als solche mit lokalisierten Mehrfachbindungen. Stefan Wuttke # 22