Anorganische Chemiefür Biologen

Nadja Giesbrecht

AK Prof. Dr. Thomas BeinRaum: E3.005Tel: 089/218077625nadja.giesbrecht@cup.uni-muenchen.de

Organisatorisches

• Seminartermine: 05.04.-18.04.2019, 8 Uhr ct bis 10:00

• Raum: Liebig-Hörsaal

• Vorlesungsunterlagen:

http://bein.cup.uni-muenchen.de/teaching/anorganisch-chemisches-praktikum-fur-biologen/

Passwort: ACBiologen

• Abschlussklausur: Mittwoch, 15.05.2019, 13:00, Liebig-HS und Buchner-HS

• Wiederholungsklausur: Mittwoch, 05.06.2019, 13:00, Liebig-HS

• Sicherheitsunterweisung für das Praktikum (verpflichtend):

05.04.2019 Liebig-HS im Anschluss

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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 präparativenanorganischen Chemie, S. Hirzel Verlag

Nachschlagewerk für anorganische Chemie:

Holleman/Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, de Gruyter Verlag

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Inhalte

• Stöchiometrie – chemisches Rechnen

• Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz

• Säure-Base-Theorie

• Komplexchemie

• Redox-Theorie

• Löslichkeitsgleichgewichte

• Anionen-Kationen-Nachweise

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Was ist Chemie?

Laut Duden: “Naturwissenschaft, die die Eigenschaften, die Zusammensetzung und die Umwandlung der Stoffe und ihrer Verbindungen erforscht.“

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Materie

Elemente Verbindungen

Was definiert ein Element?

Aufbau der Atome:

Alle Atome mit der gleichen Ordnungszahl (Protonenzahl) gehören zu einem Element.

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C Symbol des Elements126

Massenzahl(Anzahl der Protonen und Neutronen)

Ordnungszahl(Anzahl der Protonen bzw. der Elektronen)

Welche Elemente gibt es?

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Aus welchen Elementen besteht der Körper?

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Elemente Wo?

Menge im menschlichen Körper (70 kg)

Mengenelemente:

NichtmetalleC, H, O, N, P, S

Hauptbestandteil aller Biomoleküle (Proteine,

Zucker..)

zusammen68 kg

Metalle und ChloridNa, K, Mg, Ca, Cl

als Ionen (Elektrolyte) zusammen1,5 kg

Spurenelemente:

Fe Hämoglobin 5 g

Zn, Cu, Mn, Co, Mo, Se, F, I

bekannte Funktionen in Enzymen

Zn 2 g, sonst, 5-100 mg

Sind alle Atome eines Elements gleich?

Isotope: Atome mit gleicher Ordnungszahl aber verschiedener Neutronenzahl unterschiedliche Masse

Mischelemente: Mehrere Isotope kommen vor, z. B:

Reinelemente: Nur ein natürlich vorkommendes Isotop, z. B. 19F, 23Na, 31P

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Symbol Name Anzahl Protonen

Anzahl Elektronen

Anzahl Neutronen

1H Wasserstoff 1 1 0

2H Deuterium 1 1 1

3H Tritium 1 1 2

Kenngrößen von Elementen und Verbindungen

Die Masse von Atomen setzt sich hauptsächlich aus der Masse der Protonen und Neutronen zusammen.

Masse eines Atoms: 12C: 1,99265 * 10-26 kg, definiert als 12 u

u: atomare Masseneinheit, 1.66054 * 10-27 kg

Die Atommasse von Isotopen wird in u angegeben:35Cl: 34,969 u (75,78% natürliche Häufigkeit)37Cl: 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

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Massenerhaltungssatz:

A. L. de Lavoisier (1789): “Bei einer chemischen Reaktion in einem geschlossenen System ist die Gesamtmasse vor und nachder Reaktion gleich”.

Gesetz der konstanten Proportionen:

J. L. Proust (1797): “In einer bestimmten chemischen Verbindungliegen die Elemente immer im gleichen Massenverhältnis vor”.

Grundprinzipien der Stöchiometrie, der Lehre von der Mengeder an chemischen Reaktionen beteiligten Stoffe

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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 12C: 6,022 * 1023 Atome.

Die Anzahl von Teilchen pro mol ist die Avogadro-Konstante (NA).

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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 molarenMassen der enthaltenen Elemente:

M(H) = 1 g/mol M(O) = 16 g/mol M(C) = 12 g/mol

M(H2O) = 2 * M(H) + 1 * M(O) = 18 g/mol

M(C6H12O6) = Übung

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Kenngrößen von Elementen und Verbindungen

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Kenngrößen von Elementen und Verbindungen

Kenngrößen von Stoffgemischen

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Liegt eine Stoffmenge n eines Stoffes in einem Volumen V einesanderen Stoffes (Lösungsmittel) gelöst vor, so kann die Zusammensetzung der Lösung durch die Konzentration cbeschrieben 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

Konzentration bestimmt biologische Wirkung

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EC50 – Effective Concentration: bei 50% der Versuchspopulation wird ein Effekt beobachtet

LC50 – Lethal Concentration: Letalkonzentration

50% der Versuchsorganismen sterben

innerhalb eines bestimmten

Beobachtungszeitraumes

LD50 – Lethal Dose: Letale Dosis

bestimmte Giftmenge

„Allein die Menge macht das Gift“ Paracelsus (1493-1541)

Übungen

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• Welche molare Masse hat Kohlensäure (H2CO3): 62 g/mol

• Was ist die Stoffmenge von 200 g NaHCO3?: 2,38 mol

• Welche Konzentration hat eine Lösung von 34,2 g Saccharose(C12H22O11) in 500 mL Wasser?: 0,2 M

• Welche Masse an NaCl liegt in 1 L Meerwasser mit einerSalzkonzentration von 0.05 mol/L vor?: 2,92 g

• Eine Na2SO4-Lösung hat eine Konzentration von 0,1 mol/L. Welches Volumen dieser Lösung enthält 10 mmol (0,01 mol) Natrium?: 50 mL

Inhalte

• Stöchiometrie – chemisches Rechnen

• Chemisches Gleichgewicht – Massenwirkungsgesetz

• Säure-Base-Theorie

• Komplexchemie

• Redox-Theorie

• Löslichkeitsgleichgewichte

• Anionen-Kationen-Nachweise

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Chemische Reaktionen

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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.

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Übung

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Magnetit (Fe3O4) wird mit Kohlenstoff unter Bildung von Kohlen-stoffdioxid zu elementarem Eisen reduziert. Stellen sie die stöch-iometrische Reaktionsgleichung auf. Wieviel Eisen wird aus 10 g Fe3O4 gewonnen?

Fe3O4 + 2 C 3 Fe + 2 CO2

M(Fe) = 55,8 g/mol M(Fe3O4) = 231,5 g/mol

n(Fe) = 3 * n(Fe3O4) = 3 * m(Fe3O4)/M(Fe3O4)

= 0,13 mol

m(Fe) = M(Fe) * n(Fe) = 7,23 gHochofen zurEisengewinnung

Gleichgewichtsreaktionen

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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.

Massenwirkungsgesetz

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Die Gleichgewichtskonstante K gibt die Lage des Gleichgewichtsan:

Zusammensetzung des Systems im Gleichgewicht:

K << 1 K = 1 K >> 1

a A + b B d D + e EHinreaktion

Rückreaktion

Kc =𝑐𝑑 𝐷 ∙ 𝑐𝑒(𝐸)

𝑐𝑎 𝐴 ∙ 𝑐𝑏(𝐵)

Produkte

Edukte

Übung

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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 Kc?

CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O

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

𝐾𝑐 =2,431 × 2,431

2,571 × 0,571= 4,03

Einflüsse auf das Gleichgewicht

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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.

Einflüsse auf das Gleichgewicht

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2 NO2 N2O4 ∆RH = -59 kJ·mol

𝒄(𝑵𝟐𝑶𝟒)

𝒄(𝑵𝑶𝟐)

Temperatur

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.

Einflüsse auf das Gleichgewicht

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2 NO2(g) N2O4 (g)

𝒄(𝑵𝟐𝑶𝟒)

𝒄(𝑵𝑶𝟐)

Druck

Druckerhöhung ist ein äußerer Zwang.

Druckerhöhung:

Die Reaktion, die unter Volumenabnahmeverläuft wird begünstigt.

Druckerniedrigung:

Die Reaktion, die unter Volumenzunahmeverläuft wird begünstigt

Übung

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Betrachten Sie die Gleichgewichtsreaktion:

A2 + B A + AB

Bei zwei unterschiedlichen Temperaturen werdem im GGW folgende Konzentrationen gemessen:

Ist die Reaktion exo- oder endotherm?

𝐾300𝐾 =3 × 4

1 × 1= 12 𝐾500𝐾 =

1 × 3

3 × 2= 0,5

K sinkt mit steigender Temperatur die Reaktion ist exotherm

Stoff Konz. bei 300 K Konz. bei 500 K

A 3 mol/L 1 mol/L

B 1 mol/L 3 mol/L

A2 1 mol/L 2 mol/L

AB 4 mol/L 3 mol/L

Gleichgewichte in der Biologie

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Höhenakklimatisierung:

O2 + Hb HbO2 (Hb = Hämoglobin)

O2-Partialdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab

Anteil der roten Blutkörperchen (Hämatokrit) steigt mehr Hb verfügbar.

Ort Meeres-höhe

P(O2) 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

Oktettregel

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Atome sind im allgemeinen bestrebt, volleAußenelektronenschalen zu besitzen. Das entspricht dem Elektronenoktett in der Außenschale eines Edelgas-Atoms.

Struktur von Molekülen

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Atome sind besonders stabil, wenn sie eine volle Valenzelek-tronenschale 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 HO

HH