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Vorlesung: Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen Seite 201

PSEChemie für

Mediziner und Medizinische

Biologen

WS 2007/2008

Hochschuldozent

Klaus Schaper


PSELöslichkeit

Die Löslichkeit hängt ab

vom Lösungsmittel,

von der gelösten Substanz

von der Temperatur (Die Löslichkeit von Feststoffen und Flüssigkeiten steigt mit der Temperatur, die von Gasen fällt mit der Temperatur)

vom Druck (Die Löslichkeit von Gasen steigt mit steigendem Druck –Der Druck hat keinen Einfluss auf die Löslichkeit von Feststoffen und Flüssigkeiten.)

Die Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme (nicht die Menge) eines Gewässers hängt von der Oberfläche ab.


PSENernstscher Verteilungssatz 1

2 K: Verteilungskoefizient (Konstante, f(T)),

c: Konzentration

PhaseAPhaseA

cKc

=

100 ml Wasser und Ether,

4 g von B, K = 0,01 = 1/99

=>Im Becherglas 2 sind:

0,04 g B im Ether und

3,96 g B im Wasser,

Im Becherglas 4 sind:

0,04 g B im Ether und

3,92 g B in Wasser,

Also insgesamt:

0,04 g B in 200 ml EtherVerglichen mit 3,75 g A in 200 ml Ether! => Trennung


PSEAdsorption

Adsorption findet an der Oberfläche eines Feststoffes statt.

Adsorbiert werden Gase, Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten gelöste Stoffe.

Bsp.: Aktivkohle, Kieselgel, Aluminiumoxid, …

Abhängig vom adsorbierten Stoff, vom Adsorbens (und evtl. vom Lösemittel).

Größe der Oberfläche => mahlen.

Konzentration (bzw. Druck) des adsorbierten Stoffes.

Temperatur.

Sättigung


PSEFragen 1/Zeeck


PSEFragen 2/Zeeck

110/94

Siehe nächste Seite.


PSEPeriodensystem des Lebens


PSEFragen 2/Zeeck



PSERadionuklide


PSEFragen 3/Zeeck

Anion > neutrales Atom > Kation

NHH

HH

Siehe Folie 117SO

OO O

Sulfat

CO

O

O

2

Siehe Folie 148

(kovalente Bindung)


PSEFragen 3/Zeeck

Stickstoff:

3-bindig


Hybridisierung


PSEDipolmoment von CO2

CO2 bildet zwei σ-Bindungen und zwei π-Bindungen (siehe Theorie der Doppelbindung)

⇒sp-Hibridisierung

⇒Linear

⇒O ist Elektronegativer als C, Dipol jeder Bindung weißt von C nach O

⇒Zwei identische Vektoren mit entgegen gesetzter Orientierung

⇒Dipol ist 0!

CO O


PSEFragen 4/Zeeck



Siehe nächste Seite.Siehe nächste Seite.


PSEDiverses

Zu 9: Beim verdunsten/verdampfen wird Energie benötigt. Daraus resultiert ein Verbrauch an Wärme (Abkühlung)!

Zu 11:

Zu 13: 78 % N2, 21 % O2, 1 % Edelgase (Argon) , 0.038 % CO2

Zu 14: In kolloidalen Lösungen sind Makromoleküle (z. B. Eiweiße) gelöst, keine kleinen Moleküle. Je nach Standpunkt, sind solche Lösungen homogen oder heterogen.


PSEFragen 5/Zeeck

(mehr als gesättigt, nicht stabil)


PSEMembranenDiffusion durch die Membran

Zwei Lösungen enthalten den gleichen gelösten Stoff (X) im gleichen Lösungsmittel.

Allerdings ist die Konzentration verschieden.

Diese beiden Lösungen sind durch eine Membran getrennt.

Die Membran ist nicht für das Lösungsmittel durchlässig, aber für den Stoff X (Dies hängt ab von der Größe der „Löcher“ in der Membran und evtl. auch von den Polaritäten der Membran und der beteiligten Stoffe.)

Dies führt zur Diffusion von X durch die Membran => Konzentrationsausgleich.

Bsp.: Resting Ion Channels („Ruhende“ Ionenkanäle) und Ligandengesteuerte Ionenkanäle, beide im Nervensystem.


PSEOsmose

Die Membran ist so ausgewählt, dass nur das Lösungsmittel durch Sie hindurch treten kann.

Wieder sind zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch diese Membran getrennt.

Δp


PSEOsmose

Die Membran ist so ausgewählt, dass nur das Lösungsmittel durch Sie hindurch treten kann.

Wieder sind zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch diese Membran getrennt.

Das Lösungsmittel (Wasser) diffundiert durch die Membran von links nach rechts.

Dadurch steigt der Pegel im rechtem Rohr und sinkt im Linken.

Daher baut sich ein Druck auf, der osmotische Druck.

A c [ ]osm A

osm A

p c R T Aoder

p c R T

= • • =

Δ = Δ • •1 mol in einem l bedeutet einen osmotischen Druck von 22,4 bar.


PSEOsmose

isotonisch (gleicher osmotischer Druck wie die Umgebung).

hypotonisch (niedrigerer osmotischer Druck als die Umgebung)

hypertonisch (höherer osmotischer Druck als die Umgebung)

z. B. isotonische Kochsalzlösung


PSEDefinition

Ein heterogenes Gleichgewicht ist dynamisch!

Wenn man im Gleichgewicht ist kommt die Reaktion/der Prozess nicht zum erliegen, aber Hinreaktion und Rückreaktion sind gleich schnell.

In dem Beispiel (3 Folien nach vorne) diffundiert Wasser genauso schnell von links nach rechts, wie von rechts nach links. Scheinbar passiert nichts mehr!


PSEOsmose

Bsp.: Rote Blutkörperchen in Wasser. Die Konzentration an vielen Stoffen im innern ist hoch, in Wasser ist sie Null. => Wasser diffundiert in die Zelle, bis die Blutkörperchen platzen.

Daher darf man bei Infusionen kein Wasser geben!

Achtung beim Rechnen: Löst man ein Salz in Wasser so finden sich im Wasser freie Ionen! => Mehr Teilchen.

1 mol Ethanol („Alkohol“) in Wasser bedeutet 1 mol Teilchen

1 mol NaCl in Wasser bedeutet 2 mol Teilchen (Na+ + Cl-)

1 mol CaCl2 in Wasser bedeutet 3 mol Teilchen (Ca2+ + 2 Cl-)

1 mol Na2CO3 in Wasser bedeutet 3 mol Teilchen (2 Na+ + CO32-)


PSEDialyse

Membran mit einer Porengröße von ca. 10 nm, eine semipermeable Membran.

Kleine Moleküle (Wasser, Ionen) passen durch diese „Löcher“, große Moleküle (Proteine) passen nicht => Abtrennung der Hochmolekularen vonden niedermolekularen Bestandteilen.

Die Dialyse in der Medizin trennt Harnstoff (und andere niedermolekulare Stoffe) ab. Dies geschieht im gesunden Körper in der Niere.

Heute werden an den Tankstellen gesundheitsschädliche Gase im Benzin abgesaugt. Diese werden durch Dialyse aus der Absaugluft entfernt. Daraus ergibt sich flüssiges Benzin und reine Luft.

Dialyse an einer Membran


PSEDonnan-Gleichgewicht

Abbildung 5-4 (K+ und Cl- können die Membran passieren, die Proteinanionen nicht):

Einstellung eines Donnan-Gleichgewichtes (→ Diffusionsrichtung von Ionen; => osmotischer Druck);

a) Ausgangslage,

b) Donnan-Gleichgewicht.

Gleichgewicht: K+ und Cl-

diffundieren in beide

Richtungen

I I II IIK Cl K Cl

c c c c+ − + −• = •


PSEStofftrennung

Destillation

Sublimation

Kühlwasser

Unterdruck oder offen


PSEStofftrennung

Gefriertrocknen (Sublimation von Wasser bei unter 0 °C im Vakuum-Verdunstungskälte) zur Isolierung von Proteinen und …

Kristallisation (Umkristallisation – Lösen und Kristallisieren durch Temperaturänderung => Dekantieren/Filtrieren), Die Löslichkeit hängt stark von der Temperatur ab, das Verhalten ist unterschiedlich für unterchiedliche Substanzen, Ziel: Das Produkt soll in reiner Form Kristallisieren, die Verunreinigung

Flüssig/Flüssig-Extraktion („Ausschütteln“)

Dialyse

Chromatographie


PSEWas ist Chromatographie?

Stationäre Phase (Feststoff, Flüssigkeit)

Mobile Phase (Gas, Flüssigkeit)

Analysemischung (A + B) (zu trennende Probe) in der mobilen Phase gelöst => strömt so schnell wie mobile Phase.

Analysemischung (zu trennende Probe) adsorbiert an stationärer Phase => wird aufgehalten

Gute Adsorption bedeutet langsamer Transport A, Schlechte Adsorption bedeutet schneller Transport B => Trennung

Ziel: Gute und schnelle Trennung => schlechte aber stark unterschiedliche Adsorption



HahnGlasfritte

Stationäre Phase (Kieselgel)

Mobile Phase (Lösungsmittel)

Sand

Partielle Trennung

Sammelgefäß



Beispiel aus dem „täglichen Leben“

Mobile Phase: Fluss

Stationäre Phase: Bierstände

Analysemischung (zu trennende Probe): „Boote mit Männern“ und „Boote mit Frauen“.

Trennprinzip: Männer werden stärker an den Bierständen „adsorbiert“.

Vorurteil!

Ergebnis 1: je mehr Bierstände, desto besser die Trennung, aber die Trenndauer nimmt zu.

Die Absorption an Wasserständen ist für Männer und Frauen schlecht (schnelle Eluation, keine Trennung)

Aus einer Lehrprobe für die gymnasiale Mittelstufe (nach Daniela Breuer)


PSEChromatographie

unpolar

polar

HPLC: High Performance Liquid Chromatography

High Pressure Liquid Chromatography

High Price Liqid Chromatography


PSEChromatographie


PSEDünnschicht-Chromatographie (DC)Thin-Layer-Chromatography (TLC)

Af

aRc

=


PSE


PSEPapierchromatographie


PSEGaschromatographie

Retentionszeit


PSEHeterogene Gleichgewichte


PSEFragen 5/Zeeck

(mehr als gesättigt, nicht stabil)

Ad 10: Pumpen können Ionen gegen den Gradienten transportieren


PSEFragen 5/Zeeck


PSEInhalt: Allgemeine, Anorganische und Physikalische Chemie

1 Atombau und Periodensystem2 Chemische Bindung3 Zustandsformen der Materie4 Heterogene Gleichgewichte5 Chemische Reaktionen6 Gleichgewichtsreaktionen7 Säuren und Basen8 Redoxvorgänge9 Energetik und Kinetik


PSEWas ist Chemie?

Chemie ist die Lehre von den Stoffen und

den stofflichen Veränderungen!

„Alle“ Prozesse im menschlichen Körper beinhalten stoffliche

Veränderungen!


PSEChemische Reaktionen

Stoffliche Veränderungen nennt man chemische Reaktionen!

Bsp.: Natrium und Chlor bilden Natriumchlorid (Kochsalz)

2 Na + Cl2 2 NaCl

oder:

2 Na + Cl2 2 Na+ + 2 Cl-

Erinnerung: Die Summenformel ergibt sich aus der Stellung der Elemente im Periodensystem!

Wasser hat die Summenformel H2O, aber Wasserstoffperoxid hat die Summenformel H2O2


PSEChemische Reaktionen

Stoffliche Veränderungen nennt man chemische Reaktionen!

HCl + NaOH NaCl + H2O

In wässriger Lösung liegen die Edukte (Ausgangstoffe) als einzelne Ionen vor!

AgN03 + NaCl NaNO3 + AgCl↓

AgCl ist in Wasser fast unlöslich. Das Salz fällt in Wasser aus!

2 H2 + O2 2 H2O

Knallgasreaktion!

CuSO4 + 4 NH3 [Cu(NH3)4]SO4

In wässriger Lösung liegen die Edukte als Ionen vor. Das Cu2+ wird durch NH3 komplexiert!

IonenIonen


PSEChemische Gleichungen

2 H2 + O2 2 H2O + Energie

Links stehen die Ausgangsstoffe (Edukte)

Rechts stehen die gebildeten Stoffe (Produkte)

Der Pfeil besagt, dass die Reaktion von links nach rechts läuft!

Nur Stoffe die an der Reaktion beteiligt sind, stehen in der Reaktionsgleichung, Lösungsmittel stehen nicht in der Reaktionsgleichung!

AgN03 + NaCl NaNO3 + AgCl↓

oder

oder3 3 + NO + + Cl + NOAg Na Na AgCl+ − + − + −→ + ↓

+ ClAg AgCl+ − → ↓


PSEChemische Gleichungen

2 H2 + O2 2 H2O + Energie

Um die Reaktion beschreiben zu können, müssen wir wissen das:

Wasserstoff als H2 vorkommt,

Sauerstoff als O2 vorkommt,

Wasser die Formel H2O hat. Allgemein: Elemente vereinigen sich immer im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.

Die Summen der Atome rechts muss gleich der Summe der Atome links sein. Also links stehen 2 * 2 = 4 Wasserstoffatome, rechts auch => Summe der Massen rechts und links ist gleich.

Bei chemischen Reaktionen ist die Gesamtmasse der Edukte gleich der Gesamtmasse der Produkte. Gesetz von der Erhaltung der Masse

Die Gesamtladung der Edukte muss gleich der Gesamtladung der Produkte sein. Gesetz von der Erhaltung der Ladung


PSEChemische Gleichung

Die Gesamtladung der Edukte muss gleich der Gesamtladung der Produkte sein. Gesetz von der Erhaltung der Ladung

3 3 + NO + + Cl + NOAg Na Na AgCl+ − + − + −→ + ↓


PSEStöchiometrie(Rechnen in der Chemie)

2 H2 + O2 2 H2O

2 Moleküle 1 Molekül 2 Moleküle

2 mol 1 mol 2 mol

4.03 g 31.99 g 36.02 g

44.8 l 22.4 l 36.02 ml flüssig (Dichte von Wasser 1 g/ml)

oder

44.8 l Wasserdampf?

Nein!

1. Wasserdampf ist kein gasförmiges Wasser, sondern Wassertröpfchen in der Luft (Wasserdampf ist heterogen – er ist „trüb“, weil sich das Licht an den Tröpfchen bricht – das selbe gilt für Nebel und Wolken)!

2. Wasser ist unter Normalbedingungen kein Gas! (siehe p V = n R T)


PSEStöchiometrie

Wie viel Wasserstoff und Sauerstoff benötige ich, um ein 2.3 g Wasser herzustellen?

2 H2 + O2 2 H2O

2 Moleküle 1 Molekül 2 Moleküle

2 mol 1 mol 2 mol

4.03 g 31.99 g 36.02 g

44.8 l 22.4 l 36.02 ml flüssig (Dichte von Wasser 1 g/ml)

Vorgehen: Dreisatz

36.02 g Wasser å 4.03 g Wasserstoff

1.00 g Wasser = 36.02 g/ 36.02 Wasser å 4.03 g/36.02 Wasserstoff

2.30 g Wasser = 1,00g * 2.3 Wasser å (4.03 g/36.02) * 2.3 Wasserstoff

= 0.257 g Wasserstoff

å 5.76 l Wasserstoff


PSEStöchiometrie

Wie viel Wasserstoff und Sauerstoff benötige ich, um ein 2.3 g Wasser herzustellen?

Antwort: 0.257 g Wasserstoff

å 5.76 l Wasserstoff

Sauerstoff: analog, oder

2.3 g Wasser – 0.257 g Wasserstoff = 2.043 g Sauerstoff


PSEMengenangaben

• Es ist schwierig (aber nicht unmöglich) Gase zu wiegen.

• Es ist relativ leicht, das Volumen eines Gases zu messen (Gase verdrängen Flüssigkeiten, oder Gasuhr)!

• Feststoffe kann man gut abwiegen! Das Volumen eines Feststoffes ist dagegen schwer zu bestimmen (Das Schüttvolumen ist nicht sehr genau - Messbecher)

• Flüssigkeiten kann man gut abwiegen (nicht immer: Brom), man kann aber auch leicht das Volumen bestimmen.

• Häufig benutzt man auch Lösungen von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen bekannter Konzentration. Dann müssen nur Volumen bestimmt werden.


PSEKonzentrationsangaben

Wie oben schon gesehen, werden Konzentrationen üblicherweise in g/l oder mol/l angegeben.

Insbesondere die Einheit mol/l ist in der Chemie sehr nützlich. Sie wird als Molarität bezeichnet und mit M abgekürzt.

Der Massenanteil einer Lösung wird in Gewichtsprozenten angegeben.

Eine 15%ige wässrige Lösung von HCl in Wasser entspricht 15 g HCl in 100 g Lösung (nicht in 100 g Wasser, nicht in 100 ml Lösung – 100 ml Lösung wiegen mehr als 100 ml Wasser).

Statt % 1/100

benutzt man auch:

‰ 1/1000

ppm 1/106

ppb 1/109


PSEAktivität

Wie oben schon gesehen, werden Konzentrationen üblicherweise in g/l oder mol/l angegeben.

Insbesondere die Einheit mol/l ist in der Chemie sehr nützlich. Sie wird als Molarität bezeichnet und mit M abgekürzt.

Nicht immer ist die tatsächliche Konzentration von Bedeutung, sondern manchmal muss auf die wirksame Konzentration korrigiert werden. Diese nennt man Aktivität! Dies wird bei hohen Konzentrationen wichtig! Dort ist die scheinbare Konzentration kleiner als die beobachtete.

a: Aktivität, f 1 (Aktivitätskoeffizient)a f c= • ≤


PSEDas chemische Gleichgewicht

CO2 + H2O H2CO3

CO2 + H2O H2CO3

Eine chemische Reaktion kann vorwärts und rückwärts ablaufen.

Ist das chemische Gleichgewicht erreicht, so ist die Hinreaktion so schnell wie die Rückreaktion, von außen betrachtet geschieht nichts.

Ein solcher Pfeil deutet an, dass an, dass das Gleichgewicht auf der linken Seite liegt.

Allgemein:

m * A + n * B o * C + p * D


PSEMassenwirkungsgesetz (MWG)

Allgemein:

m * A + n * B o * C + p * D

0

Produkte[ ] [ ] = m, n, o, p [ ] [ ]

o p

m nC DKA B Edukte

•= ∈

•∏∏

K: Gleichgewichtskonstante

K > 1: Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der Produkte

K < 1: Das Gleichgewicht liegt auf der Seite der Edukte

Genauer müsste man hier die Aktivitäten benutzen.


PSEPrinzip von Le ChâtelierPrinzip des kleinsten Zwanges

Durch den äußeren Zwang lässt sich eine Reaktion beeinflussen!

Bsp.: Synthese von NaNO3, Chilesalpeter – (Kriegs)wichtig zur Sprengstoffherstellung und wichtig in der Dünnung.

Chilesalpeter wird überwiegend in Chile gefunden, Deutschland hatte im 1. Weltkrieg keinen Zugriff auf Chilesalpeter (Chilesalpeter ist sehr gut wasserlöslich, daher findet man ihn fast nur in der chilenischen Wüste, kein Ragen seit 5000 Jahren).

Chilesalpeter ist aus der katalytischen Verbrennung von Ammoniak zugänglich.

Wie kann man Ammoniak herstellen?

Haber-Bosch Verfahren (Patent der BASF 1910, erste industrielle Anlagewährend des 1. Weltkrieges)



Wie kann man Ammoniak herstellen?

N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) + WärmeDie Reaktion verläuft sehr (unmessbar) langsam!

Um die Reaktion zu Beschleuniger, erwärmt man auf 450 °C

Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht nach links (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts produziert Wärme, die Reaktion von rechts nach links verbraucht Wärme => Wärmezufuhr treibt die Reaktion nach links, die Reaktion weicht der Wärmezufuhr unter Wärmeverbrauch aus!) => Die Reaktion kann nicht mehr sinnvoll genutzt werden!

Nun erhöht man den Druck auf 300 bar, das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts verbraucht Volumen, aus 4 mol Gas werden 2 Mol Gas, das Volumen halbiert sich. Unter hohem Druck weicht das System der Druckerhöhung unter Volumenabnahme aus)



Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht nach links (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts produziert Wärme, die Reaktion von rechts nach links verbraucht Wärme => Wärmezufuhr treibt die Reaktion nach links, die Reaktion weicht der Wärmezufuhr unter Wärmeverbrauch aus!) => Die Reaktion kann nicht mehr sinnvoll genutzt werden!

Nun erhöht man den Druck auf 300 bar, das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts (Prinzip des kleinsten Zwanges – Die Reaktion von links nach rechts verbraucht Volumen, aus 4 mol Gas werden 2 Mol Gas, das Volumen halbiert sich. Unter hohem Druck weicht das System der Druckerhöhung unter Volumenabnahme aus)

Problem: Für hohen Druck und hohe Temperatur ist kein Werkstoff geeignet.

Lösung des Problems ist das besagte Haber-Bosch Verfahren.


PSEEnergetik

Wie wir schon gesehen haben werden bei chemischen Reaktion Stoffe ineinander umgewandelt – „stoffliche Veränderungen“.

Gleichzeitig wird Energie abgegeben (Bei einer Verbrennung wird Wärme/Hitze frei und wird an die Umgebung abgegeben. Ein Knicklicht gibt Licht ab/Die Spaltung von ATP zu ADP liefert Energie).

oder aufgenommen (Ein Kältepack verbraucht Energie/Wärme – Dadurch kühlt er ab.).

Die Energiebilanz steht gleichwertig neben der Stoffbilanz. (Wichtig für Energiegewinnung und Planung chemischer Prozesse.)

Eine Reaktion verläuft freiwillig nur unter „Abgabe von Energie“ – siehe Gibbs‘ freie Energie


PSEEnergetik

Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre)

Energie kann von einer Form in eine andere Form umgewandelt werden, sie kann jedoch weder erschaffen noch vernichtet werden – es gibt kein Perpetuum Mobile.

Formen der Energie:

Wärme

Elektromagnetische Strahlung (IR, Licht, UV, Röntgenstrahlen (X), γ-Strahlen)

Chemische Energie (Bindungsenergie)

Kinetische Energie (Bewegung)

Potentielle Energie (Lage)

Elektrische Energie

„Perpetuum Mobile, Stein der Weisen, Blei zu Gold“


PSEThermodynamik einer chemischen Reaktion

Bei einer chemischen Reaktion wird Bindungsenergie umgewandelt in

Wärme (Normalfall: Verbrennung (Motor), …)

Licht (Glühwürmchen, Knicklicht, …)

elektrische Energie (Batterie, Akku, Brennstoffzelle, …)

Oder Bindungsenergie wird aus

Wärme (Prinzip des kleinsten Zwanges …)

Licht (Photosynthese, …)

elektrische Energie (laden eines Akku, Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff, …)

gewonnen.


PSEElektromagnetische Strahlung

Licht besteht aus „kleinsten Lichtteilchen“, den Photonen (Quantentheorie –Planck, Einstein).

Die Energie des Lichtes hängt ab von der Anzahl der Lichtteilchen (Intensität) und der Farbe des Lichtes.

Der optische Eindruck der Farbe kann physikalisch durch die Frequenz ([ν] = 1/s = Hz) der zugehörigen elektromagnetischen Welle beschrieben werden.

Nach Planck/Einstein kann die Energie eines Photons berechnet werden nach E = h*ν. (h = 6.626 * 10-34 J*s)

Die Energie eines Photons nimmt zu in der Reihe:

IR – rot – grün – violett – UV – Röntgenstrahlung - γ-Strahlen

In einer chemischen Reaktion wird ein Photon von einem Molekül absorbiert. Die absorbierte Energie wird benutzt um in diesem einem Molekül eine chemische Reaktion energetisch bergauf zu treiben.


PSEPhotosynthese

Glucose + SauerstoffKohlendioxid + Wasser

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

O

HO

OH

HOHO

OH


PSEReaktionswärme (enthalpie)

Bei exothermen Reaktionen ist ΔH negativ (ΔH < 0 kJ/mol), Wärmeabgabe!

Bei endothermen Reaktionen ist ΔH positiv (ΔH > 0 kJ/mol), Wärmeverbrauch!

Die Enthalpie ist abhängig von Druck und Temperatur.

Enthalpien werden bei 25 °C und 1.013 hPa angegeben (Normalbedingungen).

Das heißt, es wird die Energie gemessen, die das System aufnimmt oder abgibt, wenn die Reaktion bei konstanter Temperatur (isotherm, 25 °C) und konstantem Druck (isobar, 1.013 hPa) abläuft.

=> alle freiwerdende Energie wird nach außen abgegeben, oder

=> alle verbrauchte Energie wird von außen aufgenommen.

Die Enthalpie ist eine Zustandsfuntion: Sie beschreibt den aktuellen Zustand des Systems. Dafür ist der Weg, auf dem der Zustand erreicht wurde unerheblich.


PSEStandardreaktionsenthalphie

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O (l) ΔH0 = -286 kJ/mol

ΔH0: 25 °C, 1.013 hPa, 1 mol Produkt

Veraltet: 1 cal = 4.18 J


PSE„Verbrennung“ von Zucker

C6H12O6 (s) + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(l)

Umkehrung der Photosynthese („Verbrennung“ von Glucose (Zucker) zu Wasser) und Kohlendioxid.

Daher atmen wir Sauerstoff ein und Kohlendioxid aus.

Energielieferant für den Körper.

ΔH0 = - 2815 kJ/mol

Die „Verbrennung“ erfolgt indirekt in mehreren Schritten.

Satz von Heß: Bei mehreren aufeinander folgenden Schritten setzt ich die Gesamtenthalpie aus der Summe der Enthalpien der einzelnen Schritte zusammen. (Folgt aus der Tatsache, dass die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist.)

Überschüssige Energie wird im Körper als Fett gespeichert.


PSEReaktionsentropie

Die Entropie S ist ein Maß für die Unordnung eines Systems!

Je größer die Unordnung eines Systems, desto größer ist dessen Entropie!

Je größer die Ordnung eines Systems, desto kleiner ist dessen Entropie!

Entropie:

Festkörper < Flüssigkeit < Gas

Zwei reine Stoffe < Mischung von zwei Stoffen

Die Entropie ist eine Zustandsfunktion!

Ein System strebt danach, die Entropie zu vergrößern (also ΔS >0)!


PSEGibbs‘ freie Energie

kJG: Gibbs' freie Reaktionsenthalpie, [ G]=mol

kJ: Reaktionsenthalpie, [ ]=mol

: Tem

G

peratur, [T]=KJS: Reaktionsentropie, [ S]=

K mo

ibbs-Helmholtz-Gleichu

l

ngG H T S

H H

T

Δ Δ

Δ

Δ =

Δ

Δ Δ•

Δ − Δ



Gibbs‘ freie Enthalpie = Gibbs‘ Enthalpie = freie Enthalpie

Die Gibbs‘ freie Enthalpie ist eine Zustandsfunktion!

Die Reaktionsenthalpie ΔG beschreibt die Triebkraft einer Reaktion.

Eine Reaktion läuft spontan ab, wenn ΔG < 0 kJ/mol.

ΔG < 0 kJ/mol: exergonisch

ΔG > 0 kJ/mol: endergonisch

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O (l) ΔH0 = -286 kJ/mol

ΔG0 = -237 kJ/mol

Die Ordnung nimmt zu => ΔS < 0 J/(K*mol)

=> -T*ΔS > 0 J/mol

=> ΔG0 > ΔH0 (weniger negativ)



Voraussetzungen:

Isotherm (Wärme wird aufgenommen oder abgegeben)

Isobar (Das Volumen muss sich eventuell ändern)

abgeschlossenes System (keine Stoffe verlassen das System, keineStoffe kommen hinzu)


PSEGibbs‘ freie Energie und das chemische

GleichgewichtMassenwirkungsgesetz (MWG)

m * A + n * B o * C + p * D

0

Produkte[ ] [ ] = m, n, o, p [ ] [ ]

o p

m nC DKA B Edukte

•= ∈

•∏∏


PSEGibbs‘ freie Energie und das chemische Gleichgewicht

m * A + n * B o * C + p * D

0 0[ ] [ ]ln = ln[ ] [ ]

o p

m nC DG G R T G R T KA B

•Δ = Δ + • • Δ + • •

•


PSEGibbs‘ freie Energie und das chemische Gleichgewicht

m * A + n * B o * C + p * D

0 0[ ] [ ]ln = ln[ ] [ ]

o p

m nC DG G R T G R T KA B

•Δ = Δ + • • Δ + • •

•Im Gleichgewicht gilt:

0

0ln

GG R T K

Δ =

⇒ Δ = − • •

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