Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Kapaliny a plyny Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Kapaliny a plyny Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita."— Transkript prezentace:

1 Kapaliny a plyny Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze,

2 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20152Kapaliny a plyny 2013/20142 Základy lékařské chemie Kapaliny a plyny  Kapalný a plynný stav hmoty  Jednotlivé typy rozpouštědel (polární, protická atd.),  Vztah mezi objemem a tlakem  Stavová rovnice ideálního plynu

3 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20153Kapaliny a plyny 2013/20143 Chemická vazba a význam jejího charakteru pro biologické vlastnosti sloučenin  Vazba – sdílení elektronových párů mezi prvky  Charakter vazby je dán rozdílem elektronegativit prvků do vazby vstupujících. Vzniká tak řada vazeb pohybujících se mezi dvěma extrémy – zcela nepolární vazbou vznikající v jednoprvkových molekulách a iontovou vazbou vznikající při úplném přetažení elektronu k jednomu atomu (výjimku tvoří méně biologicky významná kovová vazba) Elektronegativita: empiricky nalezené číslo vyjadřující schopnost atomu prvku přitahovat vazebné elektrony kovalentní vazby

4 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20154Kapaliny a plyny 2013/20144 Druhy vazby Kovová vazba: (měrná vodivost ss nebo nf pole  -1 cm -1 (=vodivá látka), kationty v mřížce, valenční elektrony- elektronový mrak, plyn, tedy nelze určit který elektron je od kterého kationtu Kovalentní vazba: Zprostředkovaná sdílenou elektronovou dvojicí ( kJ/mol). (Každý partner 1 e - nebo donorakceptorová vazba) Mezimolekulové síly:  Van der Walsovy síly (4-8 kJ/mol) (a)coulombické síly (dipól je permanentní) b) indukční (dipól je indukovaný) c) disperzní (rozložené těžiště + a - náboje)  Vodíkový můstek (20-30 kJ/mol) – dipól-dipólová vazba Iontová vazba: coulombické přitažlivé síly

5 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20155Kapaliny a plyny 2013/20145 Koordinační sloučeniny  1s H   2s 2p N Donor-akceptorová vazba NH 3 H H  1s  2s 2 2p 3 d Např. [Fe 2+ (CN) 6 ] 4-, [Fe 3+ (CN) 6 ] 3-, Fe(CO) 5, [Cu + (NH 3 ) 2 ] +, [Cu + (CN) 2 ] -, [Cu 2+ (H 2 O) 4 ] 2+, [Cu 2+ (NH 3 ) 4 ] 2+,   3d 4s 4p Cu 0 NH 3   NH 3 3d 4s 4p Cu 2+ dsp 2

6 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20156Kapaliny a plyny 2013/20146 Koordinační sloučeniny Centrální atom Jednojaderné Ligandy Vícejaderné Centrální atom

7 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20157Kapaliny a plyny 2013/20147Cheláty Chelaton I Chelaton II (=EDTA=kyselina ethylendiamintetraoctová) Chelaton III (=EDTA=disodná sůl kyseliny ethylendiamintetraoctové) Chelaton IV (=DTPA=diethylentriaminpentaoctová kyselina) DTPA Dva či více donorových atomů téhož ligandu na jeden centrální atom

8 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20158Kapaliny a plyny 2013/20148 Vodíkový můstek  Slabá interakce mezi atomem vodíku, "ochuzeným" o elektrony a jiným atomem, který má "přebytek" elektronů.  K "ochuzení" atomu vodíku dochází v případě, že je vodík vázán chemickou vazbou na tzv. elektronegativní atom. Nejčastějším příkladem může být hydroxylová skupina (-O-H). Kyslík je silně elektronegativní, tzn. že přitahuje 2 elektrony, sdílené ve vazbě s vodíkem "k sobě".  Vzniká tzv. dipól, tj. nerovnoměrné rozdělení nábojů, kdy jsou elektrony blíže atomu kyslíku, ten má pak tzv. částečně (parciálně) záporný náboj, zatímco vodíkový atom je o elektrony částečně ochuzen, takže má částečně (parciálně) kladný náboj.  Pokud se takovýto atom vodíku, "vyčnívající" ze své molekuly na okraji OH-skupiny, octne blízko jiného elektronegativního atomu, který si "k sobě stáhl" elektrony z jiné chemické vazby a získal tak jejich "přebytek" a částečně záporný náboj, budou mezi částečně kladně nabitým vodíkem a částečně záporně nabitým partnerem působit přitažlivé síly a vznikne vodíkový můstek. molekula -- O - H O -- molekula molekula -- O - H N -- molekula molekula -- N - H O -- molekula molekula -- N - H N -- molekula

9 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/20159Kapaliny a plyny 2013/20149 Elektronegativita: empiricky nalezené číslo vyjadřující schopnost atomu prvku přitahovat vazebné elektrony kovalentní vazby X A -X B =0,21  ΔD, kde ΔD=D AB -  ( D AA D BB ) I=100 (1-exp[-0.21(X A -X B ) 2 ]) Např. X Na = 0,9 X Cl =3,1 tedy X Cl -X Na =3,1-0,9=2,2 tedy I = 64 % iontová vazba > 50% X H = 2,15 X Cl =3,1 tedy X Cl -X H =3,1-2,15=0,95 tedy I = 18 % kovalentní vazba, polární Iontovost D…disociační energie, X … elektronegativita

10 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201510Kapaliny a plyny 2013/201410Skupenství SkupenstvíSymbol Plynnég (gas) Kapalnél (liquid) Tuhé (pevné)s (solid) Plazma Soustavy látek – fáze 1)Látky (soustavy) fyzikálně homogenní – 1 fáze 2)Látky (soustavy) fyzikálně heterogenní – více fází Oblast, kde se fáze stýkají, nazýváme fázové rozhraní (mezifází – interface). Děje na rozhraní fází mají velký význam pro analytickou chemii (chromatografie, polarografie, voltametrie, obecně elektrochemii), ale i pro biologii a lékařské vědy (např. biomembrány, chemie koloidních látek a chemie buňky). Plyn I kapalina jsou tekutiny

11 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201511Kapaliny a plyny 2013/ Polarita vazby Polarita vazby ve sloučeninách má značný biologický význam. Obecně platí, že sloučeniny s málo polární vazbou dobře interagují s jinými nepolárními sloučeninami, kdežto polární mají vyšší afinitu k ostatním polárním a iontovým sloučeninám. Proto nepolární rozpouštědla mají vysokou afinitu k nervové tkáni obsahující velké množství nepolárních tukových látek, kdežto polární a iontové látky se dobře rozpouštějí ve vodných roztocích (krevní plazma, lymfa, mozkomíšní mok). Délka vazby l(Si-C)=l(C-C)/2 + l(Si-Si)/2 = 154/ /2 = 194 pm – kovalentní vazba l(A-B)=l(A-A)/2 + l(B-B)/2 – 0,9 (X A -X B ) - polární vazba Vazba se krátí: násobností, hybridizací

12 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201512Kapaliny a plyny 2013/ Iontové sloučeniny jsou ve vodě nejlépe rozpustné a velmi dobře se vstřebávají ze zažívacího traktu; mají zpravidla také rychlejší a silnější biologické účinky než hůře vstřebatelné málo polární sloučeniny. Nepolární látky působí silněji při vdechování (narkóza, celková anestesie) kde se na velkém povrchu plic mohou přímo navazovat na tukové složky krve (biomemrány erytrocytů, lipoproteiny krevní plazmy).

13 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201513Kapaliny a plyny 2013/ Polarita vazby-dipól LátkaDipólový moment p [C.m -1 ] H2OH2O6,15 NH 3 4,88 HCN9,79 H2SH2S3,67 HF6,08 HCl3,57 HBr2,64 KI30,86 KF28,72 1 Debay = 3, C.m -1 Polaritu rozpouštědla charakterizuje relativní permitivita (značně závislá na teplotě) a) dvouatomová mlk: dipólový moment p= .l (náboj.délka vazby) b) polyatomické mlk: vektorový součet dipólových momentů všech vazeb v molekule

14 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201514Kapaliny a plyny 2013/ Mixotropní řada rozpouštědel Voda Methanol Ethanol Aceton Fenol n-Butanol Ethylacetát Diethylether Trichlormethan Benzen Tetrachlormethan Cyklohexan Hexan Parafinové oleje Hydrofóbní Hydrofilní Rozpouštědla: 1.Anorganická 2.Organická 1.Lipofóbní 2.Lipofilní Omezená mísitelnost rozpouštědel + Rozdílná rozpustnost ► Extrakce (distribuční koeficient)

15 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201515Kapaliny a plyny 2013/ Voda – vlastnosti I. H2OH2OH2OH2O Elektronegativita: O- 3,5 H-2,2 Rozdíl1,3 Vazba mezi O a H je silně polární (dipólový moment p=6, Cm -1 =1,8 Debay) Prostorové uspořádání molekuly H 2 O Čtyřstěn, do dvou vrcholů směřují volné elektronové páry, další dva vrcholy jsou obsazeny jádry vodíku Vazebný úhel (104,5 o ) je ovlivněn dvěma volnými elektronovými páry. Délka 96 pm.

16 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201516Kapaliny a plyny 2013/ Voda – vlastnosti II. Molekula vody je silně polární Což výrazně ovlivňuje její vlastnosti: Srovnání s H 2 S (Elektronegativita S = 2,6): H2OH2OH2SH2S Bod varu [ o C] ,5 Bod tání [ o C] 0-91 Tyto výrazné odlišnosti jsou způsobeny tvorbou vodíkových můstků mezi molekulami vody.

17 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201517Kapaliny a plyny 2013/ Voda – vlastnosti III. Tvorba vodíkových můstků je též podkladem anomálie vody, který pravděpodobně ovlivnila (umožnila) vznik života v té podobě, jaký ho známe dnes. V pevném stavu má voda vysoce uspořádanou krystalickou strukturu (hexagonální), ve které je každá molekula H 2 O obklopena čtyřmi dalšími molekulami H 2 O, se kterými je vázána vodíkovými můstky (celkem existuje asi 7 různých modifikací – v závislosti např. na tlaku). Tím vznikají poměrně velké prázdné prostory, což má za následek nižší hustotu ledu, který na vodě plave. Polarita molekuly a schopnost tvorby vodíkových můstků dělá z vody ideální rozpouštědlo pro iontové sloučeniny a polární látky.

18 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201518Kapaliny a plyny 2013/201418Roztok (disperzní systém makroskopicky homogenní) Roztok – jednofázová soustava, která se skládá nejméně ze dvou čistých látek (chemických individuí) a)plynný (vzduch) b)kapalná (pitná voda) c)pevná (kovové slitiny, sklo) a) i b) jsou tekutiny Roztoky patří mezi disperzní soustavy Rozpouštění látek = jejich vzájemné prostoupení na molekulární úrovni, tedy promísení stavebních prvků (molekul, iontů) původních složek, často za vzniku nových vazeb, asociátů.

19 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201519Kapaliny a plyny 2013/ Voda – vlastnosti IV - rozpouštění Při rozpouštění neiontových sloučenin dochází k solvataci (hydrataci) molekul tvorbou vodíkových můstků. Příkladem může být rozpouštění močoviny (NH 2 -CO-NH 2 ) (Vysokomolekulární biomolekuly – bílkoviny, nukleové kyseliny) nebo glukózy Podobná molekula cyklohexanu nemůže tvořit vodíkové můstky a proto se ve vodě nerozpouští

20 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201520Kapaliny a plyny 2013/ Voda jako rozpouštědlo 1.Nízkomolekulární látky, vazby nepolární nebo slabě polární kovalentní vazba-v roztoku není žádná změna konfigurace-solvatace (obklopení molekulami rozpouštědla, poutání Van der Walsovými silami) 2.Rozpouštěná látka tvoří s rozpouštědlem systém, v němž je přítomen v ionizované podobě – roztok je vodivý – elektrolyty – a)pravé (Na 2 SO 4 ve H 2 O) b)potenciální (H 2 SO 4 ve H 2 O) Obr. Schematické znázornění chování látek při rozpouštění a)Látka je neelektrolyt, rozpouští se molekulárně; b)Látka je pravý elektrolyt, při rozpouštění se její ionty rozptylují mezi molekuly rozpouštědla; c)Látka je potenciální elektrolyt, její původně polárně kovalentní molekuly se ionizují a rozptylují mezi molekuly rozpouštědla.

21 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201521Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost oxidů

22 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201522Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost hydroxidů

23 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201523Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost fosforečnanů, uhličitanů, siřičitanů

24 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201524Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost halogenidů

25 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201525Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost sulfidů

26 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201526Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost pevných látek

27 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201527Kapaliny a plyny 2013/ Disperzní soustavy I Disperzní prostředí Disperzní podíl (částice) PlynnéKapalnéTuhé PlynnýSměsi plynů (vzduch) Pěny Roztoky plynů v kapalinách Tuhé pěny (inkluze) (pěnové sklo, guma, umělé hmoty) KapalnýAerosoly (mlha) (podávání léků) Emulze (mléko, majonéza) – roztoky kapalin v kapalinách TuhýDým (podávání léků) Suspenze (krev) Lyosoly a koloidní roztoky Roztoky tuhých látek v kapalinách Tuhé směsi Tuhé roztoky (slitiny, sklo)

28 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201528Kapaliny a plyny 2013/ Disperzní soustavy II Druh směsiHrubá disperze Koloidní roztokPravý roztok Velikost dispergovaných částic>1000 nm>1 nm < 1000 nm< 1 nm Horní hranice velikosti částic u koloidních roztoků není ostrá mezi ( nm) Téměř neprůhledné Zákal, refraktometrie Čiré DěleníSedimentace v gravitačním poli, neprochází papírovými filtry, nedifundují, částice jsou vidět v optickém mikroskopu Např. krev: Rychlost sedimentace krve může upozornit na probíhající chorobný proces. Zvýšené hodnoty (tj. zvýšená rychlost sedimentace krve) se objevují u onemocnění charakterizovaných zmnožením GLOBULINŮ (záněty, bakteriální infekce, anémie, některá nádorová onemocnění). Snížené hodnoty (snížená schopnost sedimentace krve) se vyskytují při přebytku krvinek (polyglobulie) a při nedostatku globulinů. Sedimentují v ultracentrifuze, neprocházejí speciálními membránovými filtry, difundují pomalu, vidět jsou jen v elektronovém mikroskopu; opaleskují Neoddělite lné v centrifuze, procházejí všemi filtry, rychle difundují

29 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201529Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost tuhých látek v kapalinách Když je pevné látky dostatečné množství, dochází k ustavení rovnováhy mezi dvěma fázemi pevnou (obecně nerozpuštěná látka) a kapalnou (nasycený roztok). Tato rovnováha je zpravidla závislá na teplotě. Rozpuštěná látka může být v roztoku v podobě nedisociované, částečně disociované nebo plně disociované. Při částečné disociaci vzniká rovnováha BA  B + +A -, pro kterou platí:

30 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201530Kapaliny a plyny 2013/ Aktivita – aktivitní koeficient c (mol.L -1 )  (HCl)pH= -log (c HCl.  HCl ) pH= -log (c HCl ) pH = -log a H + = -log (c H+.  H+ ) a i =c i.  i, kde kde a… aktivita, γ… aktivitní koeficient c (mol.L -1 )  (H 2 SO 4 )pH= -log (2.c H2SO4.  H2SO4 ) pH= -log (2.c H2SO4 ) a i = x i.  i, kde x i je molární zlomek Jiná definice aktivity:

31 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201531Kapaliny a plyny 2013/ Disociace, disociační konstanta AB  B + + A - obecně B  A   B  + +  A  - K BA …disociační konstanta a i =c i.  i, kde kde a… aktivita, γ… aktivitní koeficient a i = x i.  i, kde x i je molární zlomek nebo:

32 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201532Kapaliny a plyny 2013/ Rozpustnost tuhých látek v kapalinách II Dále se také ustavuje heterogenní rovnováha mezi tuhou látkou a jejím roztokem: S…Solid – pevná; L … Liquid – kapalná [BA]  [BA] L a [BA] s je v nadbytku tj. konst., a proto: [B + ][A - ] = [BA] S.K.K AB =S BA – (koncentrační) součin rozpustnosti =>=> Celková analytická koncentrace je pak součtem koncentrací nedisociovaného a disociovaného podílu. Vzhledem k tomu, že aktivita pevné složky zůstává stálá - [BA] = 1 lze psát: S BA =[B + ].[A - ] – (koncentrační) součin rozpustnosti Slovy: Součin molárních koncentrací (aktivit) iontů tvořících málo rozpustnou sůl v roztoku, který je v rovnováze s přebytkem nerozpuštěné soli nazýváme jej součinem rozpustnosti (význam v biologii: mineralizace kostí a zubů, kde se v podstatě jedná o obrácený pochod).

33 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201533Kapaliny a plyny 2013/ Součiny rozpustnosti

34 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201534Kapaliny a plyny 2013/ Stavová rovnice ideálního plynu Izobarický: P = konst. (tlak) Izotermický: T = konst. (teplota) Izochorický: V = konst. (objem) Ideální plyn: je plyn, který má na rozdíl od skutečného plynu tyto ideální vlastnosti: 1) je dokonale stlačitelný 2) bez vnitřního tření. 3) Částice vykazují náhodný pohyb 4) Žádné intračásticové síly 5) Částice nezaujímají žádný prostor 6) Pružné kolize Reálný plyn: téměř vyhovují podmínkám ideálního plynu v omezeném rozsahu kolem teploty 0 °C a tlaku Pa (tzn. za normálních podmínek). Reálné plyny se vlastnostem ideálního plynu přibližují při dostatečně vysoké teplotě a nízkém tlaku.

35 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201535Kapaliny a plyny 2013/ Stavová rovnice ideálního plynu Stavovou rovnicí se v termodynamice označuje rovnice, která určuje vztah mezi jednotlivými stavovými veličinami charakterizujícími daný termodynamický systém (závisí pouze na stavu, nikoliv na cestě, jak se tam dostat). Stavová rovnice tedy popisuje stav dané látky za určitých fyzikálních podmínek. p.V=N A.k B.T Stavové veličiny: Objem (V) [m 3 ] Tlak (P) [Pa] Absolutní teplota, termodynamická teplota (T) [K] Vnitřní energie (U) [J] Počet částic (N) [1] k…Boltzmannova konstanta (vyjadřuje vztah mezi teplotou a energií plynu); k=(1, ± 0,000012)· J.K -1 ; N A …Avogadrova konstanta (počet částic v jednotkovém látkovém množství (v 1 molu) - počet atomů v kg izotopu uhlíku 6 12 C, tedy stabilního izotopu, který obsahuje v jádře šest protonů a šest neutronů); N A =(6, ± 0, )·10 23 mol -1

36 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201536Kapaliny a plyny 2013/ Stavová rovnice ideálního plynu p.V=N A.k B.T R…Univerzální plynová konstanta = Vynásobením Boltzmannovy a Avogadrovy konstanty dostaneme univerzální plynovou konstantu R = 8, (15) J.K -1.mol -1 p.V = n.R.T n …počet molů = n = m/M, tj. hmotnost [g] /molekulová hmotnost /[g.mol -1 ]

37 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201537Kapaliny a plyny 2013/ Stavová rovnice ideálního plynu p.V/T=konst. p 1.V 1 = p 2 V 2 = konst. [T] p 1 /T 1 = p 2 /T 2 = konst. [V]

38 Základy lék. chemieKapaliny a plyny 2014/201538Kapaliny a plyny 2013/ Van der Waalsova rovnice Reálný plyn stavová rovnice, která na rozdíl od stavové rovnice ideálního plynu zohledňuje fakt, že nelze zanedbat vlastní objem částic tvořících plyn a to, že přitažlivé síly mezi částicemi, tzv. kohezní síly, ovlivňují pohyb částic. a Van der Waalsovské korekce Kritický bod je bod na fázovém diagramu, který zakončuje křivku vypařování. V kritickém stavu mizí rozdíl mezi kapalinou a její párou. Při teplotě vyšší než kritická teplota T c nemůže látka existovat v kapalném skupenství. Plyn, který má teplotu vyšší než je T c, nelze žádným stlačováním zkapalnit. Stavové veličiny P k, T k a V k v tomto bodě se nazývají kritický tlak, kritická teplota a kritický objem.


Stáhnout ppt "Kapaliny a plyny Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita."

Podobné prezentace


Reklamy Google