Lösung zur Übung 5
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Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen 02.12.2011 Lösung Übung 5 Teil 1: Stoffgemische 1. Was bedeutet hydrophil, lipophil, hydrophob und amphiphil? altgriechisch: Hydor = Wasser Lipos = Fett philos = liebend Phobos = Furcht amphi = auf beiden Seiten daraus folgt: Hydrophil = wasserliebend lipophil = öllliebend hydrophob = wassermeidend amphiphil = beides liebend Hydrophile Substanzen können gut mit Wasser wechselwirken, z.B. Dipol-DipolWechselwirkungen, speziell Wasserstoffbrückenbindungen. Mit wenigen Ausnahmen sind sie deshalb auch löslich in Wasser. Bei hydrophoben Substanzen tritt der umgekehrte Fall auf, d.h. sie können nur schlecht wechselwirken und sind deshalb sehr schlecht löslich in Wasser. Das gilt für für viele Kohlenwasserstoffe, die nur wenige oder keine polaren Bindungen aufweisen. Dafür sind diese Stoffe dann lipophil und lösen sich in ähnlich unpolaren Verbindungen, wie z.B. Ölen. Amphiphile Moleküle enthalten sowohl hydrophile als auch lipophile/hydrophobe Bereiche im Molekül, so dass sie sowohl in Wasser als auch in Öl löslich sind. Sind diese Bereiche ausreichend räumlich voneinander getrennt bilden sich selbstorganisierte Strukturen, welche den löslichen Teil außen und den unlöslichen Teil innen tragen. Ein bekanntes Beispiel sind Mizellen. 2. Teilen Sie die folgenden organischen Substanzen ein. Sind sie hydrophil, lipophil oder amphiphil? blau = hydrophil rot = hydrophob grün = amphiphil 3. Definieren Sie die folgenden Begriffe und geben Sie jeweils ein Beispiel: Emulsion, Suspension, Aerosol, Dispersion Emulsion: Ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Flüssigkeiten, die sich nicht oder kaum miteinander vermischen. Die Tröpfchengröße ist so klein, dass das Gemisch mit bloßem Auge homogen aussieht. Beispiele: Milch ist eine Öl-in-Wasser-Emulsion; Mayonnaise ist eine Wasser-in-Öl-Emulsion. Suspension: Ein heterogenes Gemisch aus mindestens einem Feststoff in einer Flüssigkeit. Beispiele: Wandfarbe, Mörtel Aerosol: Ein heterogenes Gemisch aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas. Beispiele: Diskonebel, Staub in der Luft Dispersion: Ein heteregones Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen. Emulsionen, Suspensionen und Aerosole sind deshalb alle auch Dispersionen. Beispiele: siehe oben 4. Wieso sind Dispersionen instabil? Was benötigen Sie um längerfristige Stabilität zu gewährleisten? Zwischen zwei nichtmischbaren Stoffen herrscht eine große Oberflächenspannung, welche natürlich proportional zur gesamten Grenzfläche des Systems ist. Ist ein Stoff in Form von feinen Partikeln oder Tröpfchen im Dispergiermittel verteilt, ist die gesamte Grenzfläche viel größer als bei makroskopisch getrennten Phasen. Aus diesem Grund lagern sich diese kleinen Partikel schnell zu immer größeren zusammen. Um das zu verhindern, werden sogenannte Tenside eingesetzt. Sie sind amphiphil und setzen sich an die Grenzflächen. Im Falle einer Öl-in-Wasser-Emulsion mit dem lipophilen Teil zum Öltröpfchen und mit dem hydrophilen Teil zum Wasser. Die Grenzflächenspannung wird so deutlich herabgesetzt. Oft tragen Tenside auch Ladungen, so dass das Zusammenlagern der Tropfen/Partikel zusätzlich durch elektrostatische Abstoßung verhindert wird. 5. Erklären Sie wie ein Fettfleck auf Ihrem T-Shirt mit Hilfe von Tensiden im Waschmittel entfernt wird. Das Tensid (z.B. Natriumdodecylsulfat aus Aufgabe 2) schließt das Fett in einer Mizelle ein (siehe schematische Abbildung). Nun kann leicht eine Emulsion von Fett in Wasser gebildet werden und das Fett wird aus dem T-Shirt herausgewaschen. 6. Was hat in der Regel die höhere Dichte, der feste oder flüssige Aggregatszustand? Gibt es Ausnahmen? Der feste Aggregatszustand hat in der Regel die höhere Dichte. Eine sehr wichtige Ausnahme ist Wasser. Deshalb schwimmt der Eisberg auf dem Wasser. Teil 2: Komplexe 1. Beschreiben Sie kurz was ein Komplex ist. Ein Komplex oder Koordinationsverbindung ist eine chemische Verbindung, bei der ein Zentralatom (Metall-Ion oder Atom) Lücken in seiner Elektronenkonfiguration aufweist, so dass sich ein oder mehrere Moleküle oder Ionen, die Liganden, anlagern können, die jeweils mindestens ein freies Elektronenpaar für die Bindung zur Verfügung stellen. 2. a) In welchem Orbitaltyp weisen die meisten Zentralatome Lücken auf, so dass Liganden mit ihren freien Elektronenpaaren an sie binden können. b) Wieso umfassen die Nebengruppenelemente genau 10 Gruppen (Spalten) des Periodensystems? c) Sind Zink und Blei typische Komplexbildner? a) Bei den meisten Zentralatomen sind die d-Orbitale nicht vollständig besetzt. b) Es gibt 5 verschiedene d-Orbitale. In ein Orbital passen immer zwei Elektronen. Bei den Nebengruppenelementen werden also die d-Orbitale aufgefüllt. Scandium und Yttrium besitzen zum Beispiel 1 d-Elektron in der äußersten d-Schale während Zink und Cadmium dort 10 Elektronen aufweisen. c) Nein, sowohl bei Zink als auch bei Blei sind die d-Orbitale mit 10 Elektronen voll besetzt. Da sie dort keine Elektronenlücke aufweisen bilden sie auch nicht so leicht Komplexverbindungen. 3. Nennen Sie 2 einzähnige, einen zweizähnigen und einen sechszähnigen Liganden (mit Struktur). Einzähnig: Wasser Ammoniak Zweizähnig: Ethylendiamin Sechszähnig: Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) In der Mitte ist in rot ein potentielles Zentralatom angedeutet. 4. Was gibt die Koordinationszahl eines Komplexes an? Um der Verwirrung vorzubeugen: Die Bindung zwischen Ligand und Zentralatom ist keine gewöhnliche kovalente Bindung. Um diesen Unterschied darzustellen, wird die Bindung manchmal gestrichelt gezeichnet. Häufig wird jedoch ebenfalls die durchgezogenen Linie verwendet, so dass kovalente Bindung und Komplexbindung optisch nicht zu unterscheiden sind (wie in den Beispielen unten). Innerhalb der Ligandenmoleküle wird die Oktettregel eingehalten. Die Donoratome überschreiten jedoch ihre gewöhnliche Bindigkeit. Die Koordinationszahl gibt an, wie viele freie Elektronenpaare an das Zentralatom koordinieren. Im Falle einzähniger Liganden stimmt die Koordinationszahl mit der Anzahl der Liganden überein, nicht jedoch wenn mehrzähnige Liganden vorhanden sind. Beispiele: a) CN- (Cyanid) ist ein einzähniger Ligand Der Komplex [Fe(CN)6]3- besitzt sechs Liganden. Die Koordinationszahl ist ebenfalls sechs. b) Ethylendiamin (kurzschreibwiese „en“) ist ein zweizähniger Ligand. Der Komplex [Co(en)3]3+ besitzt drei Liganden. Die Koordinationszahl ist allerdings sechs. c) Ein Komplex kann selbstverständlich auch unterschiedliche Liganden tragen. Der Komplex [Co(en)2(Cl)(NO2)] 5. Sehr häufig findet man Komplexe mit den Koordinationszahlen 4 und 6. Welche räumliche Struktur weisen diese auf? Zeichnen Sie. Für die Koordinationszahl vier gibt es zwei Möglichkeiten: 1. quadratisch planar 2. tetraedrisch Komplexe mit der Koordinationszahl sechs sind oktaedrisch koordiniert. 6. Wo kommen Komplexe in der Natur vor? Nennen Sie mindestens zwei Beispiele. Was ist das Zentralatom? Was ist der Ligand? Welche Zähnigkeit weist der Ligand auf? Was ist die Koordinationszahl? Wie ist die Geometrie? (Nachschlagen und Internetrecherche ausdrücklich erlaubt; keine Zeichnungen notwendig) Beispiele: a) Der Häm-Komplex als Teil des Proteins Hämoglobin ohne Sauerstoff Zentralatom: Eisen(II)-Ion Ligand: 1 x Porphyrin, vierzähnig Koordinationszahl: vier Geometrie: quadratisch planar (geht nicht anders, weil der vierzähnige Ligand planar ist) mit Sauerstoff Zentralatom: Eisen(III)-Ion Ligand 1: 1 x Porphyrin, vierzähnig Ligand 2: 1 x Sauerstoff, einzähnig Ligand 3: 1 x Histidin-Aminosäure des Proteinteils Koordinationszahl: sechs Geometrie: oktaedrisch b) Chlorophyll Zentralatom: Magnesium(II)-Ion Ligand: 1 x Porphyrin, vierzähnig Koordinationszahl: vier Geometrie: quadratisch planar (geht nicht anders, weil der vierzähnige Ligand planar ist)
