Základy lékařské chemie 1. ročník - zimní semestr 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, 2005 - 2015

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 Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 2

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 Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 3

Druhy vazby Kovová vazba: (měrná vodivost ss nebo nf pole <1, 106>-1cm-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 (400-600 kJ/mol). (Každý partner 1 e- nebo donorakceptorová vazba) Iontová vazba: coulombické přitažlivé síly 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 Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 4

Koordinační sloučeniny Donor-akceptorová vazba NH3 d  N 2s  2p 2s2 2p3 Např. [Fe2+(CN)6]4-, [Fe3+(CN)6]3-, Fe(CO)5, [Cu+ (NH3)2]+, [Cu+(CN)2]-, [Cu2+(H2O)4]2+, [Cu2+(NH3)4]2+, H 1s  1s  H 1s  H   3d 4s 4p Cu0 NH3 Cu2+ dsp2 Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 5

Koordinační sloučeniny Jednojaderné Ligandy Vícejaderné Centrální atom Centrální atom Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 6

Cheláty Dva či více donorových atomů téhož ligandu na jeden centrální atom DTPA Chelaton I Chelaton II (=EDTA=kyselina ethylendiamintetraoctová) Chelaton III (=EDTA=disodná sůl kyseliny ethylendiamintetraoctové) Chelaton IV (=DTPA=diethylentriaminpentaoctová kyselina) Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 7

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 Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 8

XA-XB=0,21  ΔD, kde ΔD=DAB-( DAA DBB ) Elektronegativita: empiricky nalezené číslo vyjadřující schopnost atomu prvku přitahovat vazebné elektrony kovalentní vazby XA-XB=0,21  ΔD, kde ΔD=DAB-( DAA DBB ) D…disociační energie, X … elektronegativita Iontovost I=100 (1-exp[-0.21(XA-XB)2]) Např. XNa= 0,9 XCl=3,1 tedy XCl-XNa=3,1-0,9=2,2 tedy I = 64 % iontová vazba > 50% XH= 2,15 XCl=3,1 tedy XCl-XH=3,1-2,15=0,95 tedy I = 18 % kovalentní vazba, polární Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 9

Skupenství Skupenství Symbol Plynné g (gas) Kapalné l (liquid) Tuhé (pevné) s (solid) Plazma Plyn I kapalina jsou tekutiny Soustavy látek – fáze Látky (soustavy) fyzikálně homogenní – 1 fáze 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). Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 10

Polarita vazby Délka 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 + 234/2 = 194 pm – kovalentní vazba l(A-B)=l(A-A)/2 + l(B-B)/2 – 0,9 (XA-XB) - polární vazba Vazba se krátí: násobností, hybridizací Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 11

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). Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 12

Polarita vazby-dipól a) dvouatomová mlk: dipólový moment p=.l (náboj.délka vazby) b) polyatomické mlk: vektorový součet dipólových momentů všech vazeb v molekule Polaritu rozpouštědla charakterizuje relativní permitivita (značně závislá na teplotě) Látka Dipólový moment p.1030 [C.m-1] H2O 6,15 NH3 4,88 HCN 9,79 H2S 3,67 HF 6,08 HCl 3,57 HBr 2,64 KI 30,86 KF 28,72 1 Debay = 3,34.10-30 C.m-1 Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 13

Mixotropní řada rozpouštědel Voda Methanol Ethanol Aceton Fenol n-Butanol Ethylacetát Diethylether Trichlormethan Benzen Tetrachlormethan Cyklohexan Hexan Parafinové oleje Hydrofóbní Hydrofilní Rozpouštědla: Omezená mísitelnost rozpouštědel + Rozdílná rozpustnost ► Extrakce (distribuční koeficient) Anorganická Organická Lipofóbní Lipofilní Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 14

Voda – vlastnosti I. Prostorové uspořádání molekuly H2O H2O Elektronegativita: O - 3,5 H - 2,2 Rozdíl 1,3 Vazba mezi O a H je silně polární (dipólový moment p=6,15.10-30 Cm-1=1,8 Debay) Prostorové uspořádání molekuly H2O Čtyřstěn, do dvou vrcholů směřují volné elektronové páry, další dva vrcholy jsou obsazeny jádry vodíku Vazebný úhel (104,5o) je ovlivněn dvěma volnými elektronovými páry. Délka 96 pm. Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 15

Voda – vlastnosti II. Molekula vody je silně polární Což výrazně ovlivňuje její vlastnosti: Srovnání s H2S (Elektronegativita S = 2,6):   H2O H2S Bod varu [oC] 100 -63,5 Bod tání [oC] -91 Tyto výrazné odlišnosti jsou způsobeny tvorbou vodíkových můstků mezi molekulami vody. Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 16

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 H2O obklopena čtyřmi dalšími molekulami H2O, 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. Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 17

Roztoky patří mezi disperzní soustavy (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. Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 18

Voda – vlastnosti IV - rozpouštění Při rozpouštění neiontových sloučenin dochází k solvataci (hydrataci) molekul tvorbou vodíkových můstků. Příkladem může být rozpouštění močoviny (NH2-CO-NH2) (Vysokomolekulární biomolekuly – bílkoviny, nukleové kyseliny) nebo glukózy Podobná molekula cyklohexanu nemůže tvořit vodíkové můstky a proto se ve vodě nerozpouští Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 19

Voda jako rozpouštědlo Nízkomolekulární látky, vazby nepolární nebo slabě polární kovalentní vazba-v roztoku není žádná změna konfigurace-solvatace (obklopení molekulami rozpouštědla, poutání Van der Walsovými silami) Rozpouštěná látka tvoří s rozpouštědlem systém, v němž je přítomen v ionizované podobě – roztok je vodivý – elektrolyty – pravé (Na2SO4 ve H2O) potenciální (H2SO4 ve H2O) Obr. Schematické znázornění chování látek při rozpouštění Látka je neelektrolyt, rozpouští se molekulárně; Látka je pravý elektrolyt, při rozpouštění se její ionty rozptylují mezi molekuly rozpouštědla; Látka je potenciální elektrolyt, její původně polárně kovalentní molekuly se ionizují a rozptylují mezi molekuly rozpouštědla. Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 20

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

Rozpustnost hydroxidů Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 22

Rozpustnost fosforečnanů, uhličitanů, siřičitanů Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 23

Rozpustnost halogenidů Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 24

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

Rozpustnost pevných látek Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 26

Disperzní soustavy I Disperzní prostředí Disperzní podíl (částice) Plynné Kapalné Tuhé Plynný Směsi plynů (vzduch) Pěny Roztoky plynů v kapalinách Tuhé pěny (inkluze) (pěnové sklo, guma, umělé hmoty) Kapalný Aerosoly (mlha) (podávání léků) Emulze (mléko, majonéza) – roztoky kapalin v kapalinách Tuhý Dým Suspenze (krev) Lyosoly a koloidní roztoky Roztoky tuhých látek v kapalinách Tuhé směsi Tuhé roztoky (slitiny, sklo) Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 27

Disperzní soustavy II Druh směsi Hrubá disperze Koloidní roztok Pravý roztok Velikost dispergovaných částic >1000 nm >1 nm < 1000 nm < 1 nm  Horní hranice velikosti částic u koloidních roztoků není ostrá mezi (100-1000 nm) Téměř neprůhledné Zákal, refraktometrie Čiré Dělení Sedimentace 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 Neoddělitelné v centrifuze, procházejí všemi filtry, rychle difundují Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 28

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: Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2013/2014 Kapaliny a plyny 2014/2015 29

Aktivita – aktivitní koeficient ai=ci.i, kde kde a… aktivita, γ… aktivitní koeficient pH = -log aH+ = -log (c H+.H+) c (mol.L-1)  (HCl) pH= -log (c HCl.HCl) pH= -log (c HCl) 0.001 0.966 3.02 3.00 0.1 0.796 1.10 1.00 1 0.809 0.09 0.00 c (mol.L-1)  (H2SO4) pH= -log (2.cH2SO4.H2SO4) pH= -log (2.cH2SO4) 0.001 0.803 2.79 2.70 0.1 0.265 1.28 0.70 1 0.130 0.59 -0.30 Jiná definice aktivity: ai = xi.i, kde xi je molární zlomek Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 30

Disociace, disociační konstanta AB  B+ + A- ai=ci.i, kde kde a… aktivita, γ… aktivitní koeficient ai = xi.i, kde xi je molární zlomek nebo: obecně BAB++A- KBA…disociační konstanta Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 31

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.KAB =SBA – (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: SBA=[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). Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 32

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

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 101 325 Pa (tzn. za normálních podmínek). Reálné plyny se vlastnostem ideálního plynu přibližují při dostatečně vysoké teplotě a nízkém tlaku. Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 34

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. Stavové veličiny: Objem (V) [m3] Tlak (P) [Pa] Absolutní teplota, termodynamická teplota (T) [K] Vnitřní energie (U) [J] Počet částic (N) [1] p.V=NA.kB.T k…Boltzmannova konstanta (vyjadřuje vztah mezi teplotou a energií plynu); k=(1,380658 ± 0,000012)·10-23 J.K-1; NA…Avogadrova konstanta (počet částic v jednotkovém látkovém množství (v 1 molu) - počet atomů v 0.012 kg izotopu uhlíku 612C, tedy stabilního izotopu, který obsahuje v jádře šest protonů a šest neutronů); NA=(6,0221415 ± 0,0000010)·1023 mol-1 Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 35

Stavová rovnice ideálního plynu p.V=NA.kB.T R…Univerzální plynová konstanta = Vynásobením Boltzmannovy a Avogadrovy konstanty dostaneme univerzální plynovou konstantu R = 8,314 472 (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] Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 36

Stavová rovnice ideálního plynu p.V/T=konst. p1.V1 = p2V2 = konst. [T] p1/T1 = p2/T2 = konst. [V] Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 37

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 Tc nemůže látka existovat v kapalném skupenství. Plyn, který má teplotu vyšší než je Tc, nelze žádným stlačováním zkapalnit. Stavové veličiny Pk, Tk a Vk v tomto bodě se nazývají kritický tlak, kritická teplota a kritický objem. Základy lék. chemie Kapaliny a plyny 2014/2015 Kapaliny a plyny 2013/2014 38