Folie092 Homogene Systeme Ein Stoffsystem, das in einer Phase (gasförmig, flüssig, fest) vorliegt, bezeichnet man als homogen. Beispiele: a) Reinstoffe in einer Phase 1 Ballon gefüllt mit O 2 -Gas 1 Glas gefüllt mit Wasser (H 2 O (fl.)) 1 Goldbarren (Au (s)) b) Stoffmischungen in einer Phase Atemluft ⇒ Gemisch von Gasen: 78% N 2 , 21% O 2 , 0.036% CO 2 + Edelgase und Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit) Lösungen: z.B. Salzlösungen (l): Na + Cl - in H 2 O (Kochsalzlösung) Legierungen: z.B. Messing (s): 56-57% Cu + 44-33% Zn c) Lösungen von noch größeren Teilchen, die man unter dem Lichtmikroskop sichtbar machen kann, gehören zu den heterogenen Systemen. Lösungen a) Echte Lösungen ⇒ die Moleküle oder Ionen liegen molekular dispers vor (gelöster Stoff ≤ 3nm) b) Kolloidale Lösungen ⇒ Lösung von Makromolekülen der Größe 3-200 nm (Kolloid-dispers) Heterogen Systeme enthalten zwei oder mehrere nicht miteinander mischbare homogene Systeme. Beispiel: Eis / Wasser (zwei reine Stoffe)
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Folie092Homogene Systeme
Ein Stoffsystem, das in einer Phase (gasförmig, flüssig, fest) vorliegt, bezeichnet man als homogen.
Beispiele:a) Reinstoffe in einer Phase1 Ballon gefüllt mit O2 -Gas1 Glas gefüllt mit Wasser (H2O (fl.))1 Goldbarren (Au (s))
b) Stoffmischungen in einer PhaseAtemluft ⇒ Gemisch von Gasen: 78% N2, 21% O2, 0.036% CO2
+ Edelgase und Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit)Lösungen: z.B. Salzlösungen (l): Na+ Cl- in H2O (Kochsalzlösung)Legierungen: z.B. Messing (s): 56-57% Cu + 44-33% Zn
c) Lösungen von noch größeren Teilchen, die man unter dem Lichtmikroskop sichtbar machen kann,gehören zu den heterogenen Systemen.
Lösungena) Echte Lösungen ⇒ die Moleküle oder Ionen liegen molekular dispers vor (gelöster Stoff ≤ 3nm)
b) Kolloidale Lösungen ⇒ Lösung von Makromolekülen der Größe 3-200 nm (Kolloid-dispers)
Heterogen Systeme
enthalten zwei oder mehrere nicht miteinander mischbare homogene Systeme.
* = Trennung durch physikalische Methoden; ** = Überführung durch Stoffumwandlung (chemische Methode)
Folie094Löslichkeit358 g Kochsalz (Na+Cl-) in 1 l H2O (Sättigungskonzentration)ca. 80 g Diethylether (CH3-CH2-O-CH2-CH3) in 1 l H2Oca. 80 g 1-Butanol (CH3-CH2-CH2-CH2-O-H) in 1 l H2OEthanol (CH3-CH2-OH) völlig mischbar mit H2O
Verantwortlich für die Löslichkeit sind hier Ion-Dipol- oder Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sowie Wasserstoffbrückenbindungen.
Gleiches löst sich in Gleichempolar / unpolar hydrophil / hydrophob lipophob / lipophil
(gr. Hydror - Wasser; phil - liebend; phobie - Angst) (lipos - Fett)
Folie095
H3C CH2 CH2 CH2 OH
vgl. löslich wie Diethylether
H3C CH2 O CH2 CH3
1-Butanol
Weniger löslich in H2O als Ethanolwegen der größeren unpolaren Reste.
H3N CH CO
RO
Aminosäuren: inneres Salz löslich in H2O
H2N CH CO
ROH
Unpolare Reste könen nicht solvatisiert werden, da dieWechselwirkung zwischen den polaren Solvensmolekülenuntereinander stärker ist, als zwischen dem unpolarenAlkylrest und dem polaren Solvensmolekül.
δ- δ+HO
HH O
H
HO H
O
H
CH2
Ο
Η
Η
ΗΟ
Η
Ethanol
CH3
δ+
δ-
δ-δ+
Folie096
Kalottenmodell des Triölsäureesters des Glycerins
Monomolekulare Schicht von Ölmolekülenan einer Wasser-Luft-Grenzfläche
CH2 O C R´O
CH
CH2
O
O
C
C
R´´
R´´´
O
Oδ+
δ+
δ+δ-
δ-
δ-
mäßig polarer Kopf
unpolarerSchwanz: R´, R´´, R´´´ unpolare lange Kohlenwasserstoffketten zwischen C11 und C28
Beispiel: Stearinsäure-Rest
O
O 12
3
4
5
6
7
8
9
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Fette (Lipide)
Folie097Nernstsches Verteilungsgesetz
Schema zur Überführung von Stoff A aus der Wasserphase in eine organische Phase durchwiederholte Extraktion mit Ether (K = 3). Die abnehmende Grautönung entspricht derabnehmenden Konzentration von Stoff A in der wässrigen Unterphase.
CA 0.25 CA 0.25⋅0.25 CA = 0.0625 CA ⇒ 6.25% CA
0.75 · 0.25 CA
0.25 · 0.25 CA
K = = 30.75 CA
0.25 CA
K = = 3
CA (Oberphase)
C‘A (Unterphase) = K (Verteilungskoeffizient)
CA, C‘A Konzentrationen des Stoffes A [mol/l oder g/l] in der Oberphase und Unterphase
Beispiele für Oberphase/UnterphaseDiethylether/Wasser; Hexan/Wasser; Wasser/CHCl3 (Chloroform)
Folie098Henry-Daltonsches Gesetz
PA (Gasphase)CA (Flüssigkeit)
= KPA - Partialdruck des Gases A [bar]CA - Konzentration des gelösten Gas A in der FlüssigkeitK - Verteilungskoeffizient
Beispiel: Gasembolie bei TaucherIn der Tiefe herrscht höherer Druck. Dadurch löst sich mehr N2 im Blut. Beim Auftauchen bewirktdie Druckminderung die Bildung von Gasbläschen infolge der geringeren Löslichkeit ähnlich wiebeim Öffnen der Sprudelflasche, wobei CO2 entweicht.Abhilfe: die Verwendung von Kunstluft 21% O2 + 79% He (nicht löslich im Blut)
Folie099Gleichgewichte in Gegenwart von Membranen
Membran durchlässig für Stoff A
CA C´A
I IIA
CA > C´A ⇒ A
diffundiert von Kammer I in Kammer II bis CA = C´A
Dialyse: Membran mit einer Porengröße von ca. 10 nm (semipermeabel - halbdurchlässig) erlaubt dieDiffusion von niedermolekularen Stoffen (kleine Moleküle wie Harnstoff, Salze, überschüssige Arneimittel und deren Abbauprodukte, sowie Lösungsmittel) jedoch keine Diffusion von Makromolekülen wie Proteine, Enzyme etc..
Im Körper besitzt die Niere eine semipermeable Membran⇒ Ausscheidung der niedermolekularen Stoffwechselprodukte aus dem Blut im Urin.
Bei Nierenfunktionsstörung: Blut wird durch einen Dialysator gepumpt und an einer künstlichensemipermeablen Membran mit einer physiologischen Kochsalz-Lösung (NaCl in H2O) gewaschen ⇒ die nierdermolekularen Stoffwechselprodukte diffundieren in dieKochsalzlösung.
Folie100Osmose: osmotischer Druck π
π ·V = n ·R ·T n -Molzahl des gelösten Stoff im Volumen VR - allgemeine GaskonstanteT - absolute Temperatur in [K]
Darstellung der Osmose. Zustand zu Beginn des Experiments und nach Erreichen desGleichgewichtes (→ Diffusionsrichtung des Lösungsmittels; p = hydrostatischer Überdruck, der posm der Lösung entspricht).
π =nV
· R ·T = c ·R ·T c - Konzentration in mol/lR = 8.31 [J/mol ·K]
Folie101Berechnung des osmotischen Druckes von Blut bei 37°C und einer Teilchenkonzentration von c = 0.296 mol/l
π = c · R ·T = 0.296 [mol/l] · 8.31·103 [Pa·l/mol·K] · (273 + 37) [K]
= 763 · 103
= 7.63 · 105 Pa ≡ 7.63 bar
mol · Pa ·l ·Kl ·mol ·K
Den gleichen osmotischen Druck wie Blut hat eine physiologische Kochsalzlösung (0.95 g NaCl in 100 ml H2O).
isotonisch - Lösung mit dem gleichen osmotischen Druck wie Blut
hypotonisch - Lösung mit geringerem osmotischen Druck
hypertonisch - Lösung mit größerem osmotischen Druck
Folie102
Supramolekularer Aufbau der Zellmembran
Phospholipid-Doppelschicht- Bestandteil der Zellmembran Kalottenmodell eines
Phosphatidylcholinmoleküls
unpolarerSchwanz
polarerKopf
Folie103Anwendungen von heterogenen Gleichgewichten bei TrennverfahrenDestillation: flüssig ⇒ gasförmig ⇒ flüssig
Bei unterschiedlichen Siedepunkten lassen sich Flüssigkeitsgemische trennen.Beispiele: Ethanol (CH3-CH2-OH), Sdp. 78°C / H2O, Sdp. 100°C
Hexan (C6H14), Sdp. 68.9°C / Benzol (C6H6), Sdp. 80.1 °C
Sublimation: fest ⇒ gasförmig ⇒ festWird zur Reinigung von Feststoffen im Vakuum genutzt.
Gefriertrocknung: Sublimation von H2O in Form von Eis bei niedriger Temperatur und im Vakuum (ca. 0.01 Torr). Wird zur Entwässerung von schwerflüchtigen Feststoffen und Flüssigkeiten genutzt.
Kristallisation: Feststoff + Lösungsmittel ⇒ Lösung ⇒ Beim Verdampfen des Lösungsmittels kristallisiert der Feststoff aus der Lösung aus. Die Methode wird zur Reinigungvon Feststoffen genutzt, besonders von Feststoffgemischen mit unterschiedlicherLöslichkeit ⇒ Feststoff mit geringerer Löslichkeit kristallisiert aus und der löslichereFeststoff bleibt in der Mutterlauge.
Flüssig-flüssig-Extraktion: Bei Verteilung des gelösten Stoffes in den beiden nicht mischbarenLösungsmitteln richtet sich nach dem Nernstsche Verteilungsgesetz.
Chromatographie: Flüssigkeitschromatographie(LC - Liquid Chromatography; HPLC - High Pressure (Performance) LCstationäre Phase: festmobile Phase: flüssig (Lösungsmittel wie Heptan, Ether, Essigester)
Gaschromatographie (GC)stationäre Phase: flüssig oder fest(Film auf der Säulenwand oder imprägnierte Festphase)mobile Phase: Gas (He, N2)
Folie104
Adsorptions-Isotherme in Abhängigkeit vom Partialdruck (p) bzw.Von der Konzentration (c) eines zu adsorbierenden Stoffes
Folie105Verschiedene Arten der Chromatographie
Folie106Stofftrennung durch Säulenchromatographie
III: B ist mit dem Elutionsmittel aus derSäule herausgetropft und befindet sichim Eluat.
I: Stoffgemisch A/B, im Fließmittel gelöst,wird auf die stationäre Phase (in einerGlassäule) aufgegeben.
II: Mit dem Fließmittel (= Elutionsmittel) wird nachgewaschen, A und B trennensich bei der Wanderung durch die Säule.
Folie107Dünnschichtchromatographie
Schematische Zeichnung eines Dünnschichtchromatogramms
I: Reiner Stoff A und Stoffgemisch sind an der Startlinie aufgetragen.
II: Nach der Entwicklung des DCs. a = Laufstrecke von Stoff A, b = Laufstrecke vonStoff B, c = Laufstrecke des Fließmittels, Rf-Wert für A: a/c; Rf-Wert für B: b/c.
Folie108Gaschromatograph
1- Gaszylinder mit Trägergas (He, N2)2- Gasventil3- Injektor4- Trennsäule5- Ausgang vom Detektor6- Meßgerät für den Gasfluß7- Schreiber
Folie112Stöchiometrie (Erhaltung von Ladung und Masse)
Frage: Wieviel Natriumhydroxid (NaOH) und Salzsäure (HCl aq.) wird benötigt, um 150g Kochsalz (NaCl)herzustellen? Dabei stehen 2M Salzsäure (M - molar [mol/l] und festes NaOH als Ausgangsstoffe zur Verfügung.
Bei chemischen Reaktionen findet neben dem Stoffumsatz ein Energieumsatz statt.
Exotherme Reaktion: Energie wird in Form von Wärme frei.
Endotherme Reaktion: Für die Reaktion ist eine Enegiezufuhr erforderlich.
Die Energiebilanz lässt sich als Reaktionswärme bzw. Reaktionsenthalpie ausdrücken; dieReaktionsenthalpie ist die Differenz der sogenannten Bildungsenthalpien der reagierenden Stoffe.Da die Enthalpiewerte druck- und temperaturabhängig sind, bezieht man sie auf die sogenanntenStandardbedingungen:
25°C ≡ 298 K und 1 atm ≡ 1.013 bar
⇒ Standard-Bildungsenthalpie: ∆H°f
∆H°f (Element) ≡ 0 kJ/mol (gilt für den bei den Standardbedingungen energetisch günstigsten Aggregatzustand)
Folie117
Beispiel:
Kohlenstoff C existiert in zwei Modifikationen: Graphit und Diamant.
Speicherung von Lichtenergie in Form von chemischer Energie
Satz von Hess: Additivität von Reaktionsenthalpien
A + B → C + D + ∆H (1)
C + B → E + ∆H (2)
A + 2 B → D + E + ∆H (3) ∆H (3) = ∆H (1) + ∆H (2)
Folie121
Zwei Gase mischen sich spontanMischungsentropie: ∆S > 0
Entropie S in [J K-1mol-1] ist ein Maß für die Ordnung bzw. Unordnung eines Systems.Je geringer die Ordnung eines Systems ist, destogrößer ist seine Entropie.Die Entropie eines Stoffes und damit der Grad derUnordnung nimmt zu beim Übergang vom kristallinenüber den flüssigen zum gasförmigen Aggregatzustand.
Bei chemischen Reaktionen ändern die reagierendenStoffe ihren Entropieinhalt und damit tritt fast immereine Entropieänderung auf, die als Reaktionsentropie ∆Sbezeichnet wird.
a) Beim Reaktionsstart nur A + B ⇒ Hinreaktion bis zum Erreichen des Gleichgewichtes ⇒ ∆G < 0.
∆G = ∆G° + RT ln = 0 beim Gleichgewicht[C] [D]
[A] [B]
∆G° = - RT ln = - RT ln K[C] [D]
[A] [B]
R = 8.31 J ·K-1 mol-1 T - abs. Temp. [K]allgemeine Gaskonstante
K gibt Auskunft über die Differenz der freien Standardenthalpie (bei 25°C)
K = 102 101 1 10-1 10-2
∆G° [KJ ·mol-1] -11.4 -5.7 0 5.7 11.4
A + B C + D
c) Im Gleichgewichtszustand keine meßbare Reaktion ⇒ ∆G = 0.
b) Beim Reaktionsstart nur C + D ⇒ Rückreaktion bis zum Erreichen des Gleichgewichtes ⇒ ∆G < 0.
Folie124Gekoppelte Reaktionen
Gleichgewichtskonstante K3 soll aus K1 und K2 berechnet werden
A B K1 =[B][A]
[B] = K1 [A]
CB K2 = [B][C]
K2 =[C]
K1 [A][C] = K2 K1 [A]
A C K3 = [A][C]
K3 =K2 K1 [A]
[A] = K1 K2
Fließgleichgewicht: offenes System
A → B → C : Wenn die Geschwindigkeits der Teilschritte A → B und B → C gleich ist⇒ stationärer Zustand, in dem [B] über einen weiten Teil der Reaktion konstant ist.
Beispiel: Blutzuckerspiegel: [Glucose] schwankt nur wenig, da über den Stoffwechsel Glucose gebildet
wird und mit Hilfe von Insulin abgebaut wird. Wenn der Abbau von Glucosedurch Insulin nicht mehr funktioniert ⇒ Anstieg des Blutzuckerspiegels⇒ Diabetes
Folie125Elektrolyte: Salze
+ n H2O
Na+ Cl- Na+ (aq) + Cl- (aq)H2O aq- hydratisiert von
aqua - WasserSalz
Kupfersulfat:
Cu2+ SO42- Cu2+ SO4
2- ·5 H2O [Cu (H2O)2]2+
wasserfreifarbloses Salz
blauKupfervitriol
Aquokomplex:schwach blau
Folie126Ionenradius und Hydratationsenergie (∆HH) einiger Ionen
In (1) liegt das Gleichgewicht auf der rechten Seite, in (2) auf der linken Seite wegen desgeringeren Löslichkeitsproduktes von AgBr.
K =[Ba2+] [SO4
2-][BaSO4]
[BaSO4] = const. K [BaSO4] = L = [Ba2+] [SO42-] L = 10-10 mol2/ l2
Folie128Elektrolyse von Kupfer(II)chlorid in H2O
Akkumulator
KathodeAnode-+
Cu2+
Cl-Cl-
Elektrodenprozesse:
2 Cl - 2e 2 Cl Cl2Chlorgas(Oxidation)Anode:
Kathode: Cu2+ + 2e Cu (Metall) (Reduktion)
Cu2+ + 2 Cl Cu + Cl2Gesamt-reaktion:
Redox-Reaktion
Die Reaktion ist endergon und läuft freiwillig in der entgegengesetzten Richtung ab.Die hierfür erforderliche Energie wird dem System als elektrische Energie zugeführt.