Skript für Eingangstestat des Praktikums "Chemie für

Skript zum Eingangstestat zum Chemischen Praktikum
für Studierende der Medizin und Zahnmedizin
(ergänzend zu Vorlesung und Lehrbüchern, Druckfehler vorbehalten)
1. Name und Struktur von Säuren, Basen/Laugen, Ampholyten, Salzen, Oxiden
Säuren
Basen
Ampholyte
Salze
Laugen
Oxide
Protonendonatoren
Protonenakzeptoren
können sowohl als Säuren als auch als Basen reagieren
bestehen aus Kationen und Anionen
stellen in wässrigen Lösungen OH--Ionen zur Verfügung
Verbindungen von Sauerstoff mit Metallen oder Nichtmetallen
Beispiele:
Säure
Formel
Salzsäure
Salpetersäure
HCl
HNO3
Chloride
Nitrate
Formel der
Anionen
ClNO3-
Schwefelsäure
Hydrogensulfat
H2SO4
HSO4-
Hydrogensulfate
Sulfate
HSO4SO42-
Kohlensäure
Hydrogencarbonat
Phosphorsäure
Dihydrogenphosphat
Hydrogenphosphat
Essigsäure
H2CO3
HCO3H3PO4
H2PO4HPO42CH3COOH
Hydrogencarbonate
Carbonate
Dihydrogenphosphate
Hydrogenphosphate
Phosphate
Acetate
HCO3CO32H2PO4HPO42PO43CH3COO-
Lauge
Natronlauge
Kalilauge
Ammoniumhydroxid
Salze
Sulfate
Natriumsulfat
Kupfersulfat
Mangan(II)-sulfat
Nickelsulfat
Strukturformel
Summenformel
NaOH
KOH
NH4OH
Formel
Namen der Salze
Base
Hydroxid
Ammoniak
Chlorid
Nitrat
Hydrogensulfat
Sulfat
Dihydrogenphosphat
Hydrogenphosphat
Phosphat
Acetat
Hydrogencarbonate
Carbonate
Formel
Dihydrogenphosphate/
Hydrogenphosphate
Salze
Chloride
Natriumchlorid
Ammoniumchlorid
Calciumchlorid
Eisen(III)-chlorid
Zinkchlorid
Hydrogencarbonate/
Carbonate
Kaliumdihydrogenphosphat KH2PO4
Natriumhydrogenphosphat Na2HPO4
Natriumhydrogencarbonat
Natriumcarbonat (Soda)
NaHCO3
Na2CO3
Na2SO4
CuSO4
MnSO4
NiSO4
NaCl
NH4Cl
CaCl2
FeCl3
ZnCl2
Formel der Base
OHNH3
ClNO3HSO4SO42H2PO4HPO42PO43CH3COOHCO3CO32Salze
Nitrate
Silbernitrat
Kupfernitrat
Zinknitrat
Formel
AgNO3
Cu(NO3)2
Zn(NO3)2
Permanganate
Kaliumpermanganat KMnO4
Ampholyte
Wasser
Hydrogensulfat
Hydrogencarbonat
Hydrogenphosphat
Dihydrogenphosphat
Formel
H 2O
HSO4HCO3HPO42H2PO4-
Oxide
Wasser
Wasserstoffperoxid
Kohlendioxid
Mangandioxid
(Braunstein)
H 2O
H 2O 2
CO2
MnO2
2. Reaktionsgleichungen
Elektrolyt: Stoff, der beim Lösen in Ionen zerfällt (Dissoziation).
Beispiele: Salze, Säuren und Basen in Wasser
Dissoziationsgleichung: Gleichung für die Bildung von Ionen aus einem Elektrolyten
Beispiele:
NaCl
Na2SO4
NaHSO4
HNO3
⇌
⇌
⇌
⇌
⇌
Na+ + Cl-
CH3COOH
2 Na+ + SO42-
NaOH
Na+ + HSO4-
NH4OH
⇌
⇌
⇌
⇌
⇌
H3O + + Cl-
⇌
⇌
⇌
H+ + CH3COONa+ + OHNH4+ + OH-
H+ + NO3-
H3PO4
H+ + H2PO4Protolysegleichung: Gleichung für die Abspaltung des Protons einer Säure bei gleichzeitiger Anlagerung an
eine Base
Beispiele:
HCl + H2O
H2SO4 + H2O
HSO4- + H2O
H2CO3 + H2O
HCO3-
+ H 2O
⇌
H2PO4 + H2O ⇌
HPO42- + H2O ⇌
CH3COOH + H2O ⇌
H3PO4
H3O+ + HSO4H3O+ + SO42H3O+ + HCO3-
H3O+ + H2PO4-
+ H 2O
H3O+ + HPO42H3O+ + PO43H3O+ + CH3COO-
H3O+ + CO32-
3. Massenwirkungsgesetz (MWG)
In jeder Gleichgewichtsreaktion ist das Produkt der Konzentration der Produkte geteilt durch das Produkt der
Konzentration der Edukte konstant (Massenwirkungskonstante K).
Beispiele:
NaCl
⇌
[Na ][Cl ]
+
+
K=
-
Na + Cl
−
[NaCl]
[H O ][HSO ]
−
+
H2SO4 + H2O
⇌
5 Fe2+ + MnO4- + 8 H+
+
H3O + HSO4
⇌
-
5 Fe3+ + Mn2+ + 4 H2O
K=
3
4
[H 2 SO4 ][H 2O]
[Fe3+ ]5 [Mn2+ ][H 2O]4
K=
[Fe ] [MnO ][H ]
2+ 5
−
+ 8
4
4. Stoffmengen und Konzentrationen
Mol: Stoffmenge; sie berechnet sich aus der Summe der relativen Atommassen in Gramm
Beispiel: H2SO4: relative Atommassen H = 1; S = 32; O = 16
Ein Mol hat eine Masse von 98 g.
[x]: Konzentration des Stoffes x
M: Einheit für Molarität (Konzentrationsangabe in Mol pro Liter, mol/l)
Beispiel: Eine 0,1 molare Lösung (0,1 M) hat eine Konzentration von 9,8 g/l.
5. Stärke von Säuren und Basen
N: Einheit für Normalität (Konzentration der ‚interessanten’ Teilchen: übertragbare Protonen bei Säuren,
übertragbare Elektronen bei Redoxreaktionen), Normalität = Molarität * Wertigkeit
Beispiel: H3PO4
3-wertige Säure
1M=3N
Zn ⇌ Zn2+ + 2 e-
2 übertragene Elektronen
1M=2N
In wässriger Lösung vollständig dissoziiert
In wässriger Lösung wenig dissoziiert
Starke Säure:
Schwache Säure:
Ks-Wert groß
Ks-Wert klein
pKs-Wert klein
pKs-Wert groß
pH-Wert: negativer dekadischer Logarithmus der Hydroniumionenkonzentration, pH = -lg [H3O+]
Ks-Wert: Säurekonstante, Maß für die Stärke einer Säure, Ks = MWG-Konstante * [H2O]
Beispiel:
⇌
H2SO4 + H2O
H3O+ + HSO4-
[H O ][HSO ][H O] = [H O ][HSO ]
= K ⋅ [H O ] =
[H SO ][H O]
[H SO ]
−
+
KS
3
−
+
4
3
2
4
2
2
4
2
2
4
pKs-Wert: negativer dekadischer Logarithmus der Säurekonstante, pKs = -lg Ks
pH-Wert starker Säuren: pH = -lg [Säure]
Beispiel: 0,1 M HCl: pH = - lg 0,1 = - (-1) = 1
pH–Wert schwacher Säuren: pH = ½(pKS - lg [Säure] )
Beispiel: 0,01 M CH3COOH, pKS = 4,76: pH = ½(4,76 - lg [0,01] ) = 3,38
pH–Wert von Ampholyten: pH = ½(pKS1 + pKS2 )
Beispiel: 0,1 M HPO42HPO42- als Base:
H2PO4- + H2O
2-
HPO4 als Säure:
HPO4
pH = ½(7,12 + 12,32) = 9,72
2-
⇌
⇌
H3O+ + HPO42+
pKS1 = 7,12
3-
+ H 2O
H3O + PO4
pKS2 = 12,32
(Beachte: Ergebnis ist unabhängig von [HPO42-].
6. Löslichkeitsprodukt von Salzen
In einer gesättigten Salzlösung ist das Produkt der Konzentration der gelösten Ionen bei gegebener Temperatur
konstant. Die Konstante heißt Löslichkeitsprodukt LP.
Beispiel:
CaCl2
⇌
Ca2+ + 2 Cl-
[
][ ]
LP = Ca 2+ ⋅ Cl −
2
7. Puffer
Ein Puffer ist eine Mischung, die den pH-Wert bei Zugabe von begrenzten Mengen an Säure oder Base
weitgehend konstant hält.
Zusammensetzung: a) Gemisch aus einer schwachen Säure und der korrespondierenden Base (z.B. ein Salz
dieser Säure mit einer starken Base).
b) Gemisch aus einer schwachen Base und der korrespondierenden Säure (z.B. ein Salz dieser Base mit
einer starken Säure).
Beispiele: a)
b)
Acetatpuffer (Essigsäure-Acetatpuffer)
CH3COOH / CH3COONa
Carbonatpuffer (Kohlensäure-Carbonatpuffer)
H2CO3 / NaHCO3, besser: CO2 / NaHCO3
Phosphatpuffer (Dihydrogenphosphat-Hydrogenphosphatpuffer)
NaH2PO4 / Na2HPO4
Ammoniumchloridpuffer (Ammoniumchlorid-Ammoniakpuffer)
NH4Cl / NH3
Puffergleichung: Henderson-Hasselbalch Gleichung
pH = pK S + lg
[Base]
[Säure]
Beispiel: Wie ist der pH eines Puffers mit 1 M CH3COOH und 0,1 M NaCH3COO? pKS (CH3COOH) = 4,76
wird angegeben.
[Säure] = 1 M; [Base] = [CH3COO-] = [NaCH3COO] = 0,1 M; pH = 4,76 + lg 0,1 M/1 M = 3,76
8. Osmose
Eine semipermeable Wand ist nur für kleine Moleküle (z.B. H2O) durchlässig. Konzentrationsunterschiede
∆cgelöst zwischen der einen und der anderen Seite der Membran (Konzentrationsgradient) erzeugen einen
osmotischen Druck posm (genauer: Druckdifferenz ∆posm).
∆posm = ∆cgelöst * R * T
R allgemeine Gaskonstante, T absolute Temperatur
9. Thermodynamik
∆H:
Reaktionsenthalpie
Wärme, die bei einer Reaktion verbraucht oder frei wird
exotherme Reaktion
∆H negativ
Wärme wird frei
endotherme Reaktion ∆H positiv
Wärme wird verbraucht
Beispiele: Hydratationswärme, Neutralisationswärme, Gitterenergie, Reaktionswärme
∆S:
Reaktionsentropie
∆G:
(Gibbs’) freie Enthalphie
Gesamte zur Verfügung stehende Energie.
Maß für die Triebkraft einer Reaktion.
exergone Reaktion
∆G negativ
Reaktion läuft freiwillig ab
endergone Reaktion
∆G positiv
Reaktion läuft nicht freiwillig ab
Maß für die Unordnung. S steigt mit wachsender Unordnung.
Eine große Unordnung stabilisiert ein System.
Gibbs-Helmholtz-Gleichung
∆G = ∆H − T ⋅ ∆S
10. Redoxreaktionen
Oxidation
Abgabe von Elektronen (OZ steigt)
Zn ⇌ Zn2+ + 2 e-
Reduktion
Aufnahme von Elektronen (OZ sinkt)
Ag+ + e-
Redoxreaktion
Elektronenübertragungsreaktion
besteht immer aus einer Oxidation und einer Reduktion
⇌ Ag
Zn + 2 Ag+ ⇌ Zn2+ + 2 Ag
Oxidationsmittel (OM) Stoff, der durch Aufnahme von Elektronen
die Oxidation eines anderen Stoffes ermöglicht
Reduktionsmittel (RM) Stoff, der durch Abgabe von Elektronen
die Reduktion eines anderen Stoffes ermöglicht
hier: Ag+
korrespondierende Redoxpaare Stoffe, die durch Elektronenübergang
ineinander übergehen
hier: Zn/Zn2+
Ag/Ag+
Oxidationszahl (OZ)
von Elementen
von einfachen Ionen
in Molekülen
für komplexe Ionen
hier: Zn
formale Hilfsgröße für jedes Atom zur Aufstellung von Redoxgleichungen
0
Ag
Zn
O2
H2
Ladung des Ions
Zn2+: +2
Cl- : -1
ergänzen sich zu 0, wobei jedes H +1 und O -2 hat (Ausnahme H2O2 mit je -1 für O)
H2O: Summe = 2*(+1) + (-2) = 0; CH4: je +1 für H, damit -4 für C
ergänzen sich zur Ionenladung
SO42- : je -2 für O, +6 für S, Summe = 6 + 4*(-2) = -2
Spannungsreihe listet korrespondierende Redoxpaare nach steigender Oxidationskraft (Normalpotential E0) auf
Nernstsche Gleichung
Redox-Ampholyt
0,06 V
[oxidierteSeite]
lg
[reduzierteSeite]
z
E = Potential E0 = Normalpotential
E = E0 +
z = Anzahl der übertragenen Elektronen
ein Stoff, der sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel wirken kann
-1
-2
H2O2 als OM:
H2O2 als RM:
H 2O 2 + 2 I - + 2 H + ⇌ 2 H 2O + I 2
-1
±0
5 H2O2 + 2 MnO4- + 6 H+ ⇌ 5 O2 + 2 Mn2+ + 8 H2O
Formeln ausgewählter organischer Verbindungen nach Gegenstandskatalog
Alkane: Methan
Alken:
Ethan
Ethen
Arene: Benzol
Cyclohexen
Toluol
Halogenverbindungen:
Alkohole:
Thiole:
Versch.
Reste
Cystein
Methyl
CH3-
Steran
Isopren
o-, m-, p- Disubstitutionsprodukte
Ethanol
Dihydroxyaceton
Cyclohexan
Butadien
Methylchlorid
Methanol
Phenole: Phenol
Cyclopentan
Methylenchlorid
Isopropanol
Glucose
Hydrochinon
Chloroform
tert. Butanol
Tetrachlorkohlenstoff
Glycol
Glycerin
Cholesterol (Cholesterin)
Resorcin
Ether: “Ether” (Diethylether)
Ethyl
C2H5-
Naphthalin
Benzyl
C6H5CH2-
Phenyl
C6H5-
Brenzkatechin
1-Naphthol
Tetrahydrofuran
Tetrahydropyran
Acetyl
CH3-CO-
Benzoyl
C6H5-CO-
Aldehyde, Ketone: Formaldehyd Acetaldehyd
Methyl-phenyl-keton
Benzaldehyd
o-Chinon
Carbonsäuren ( u. –carboxylate):
Ameisensäue (Formiat)
Essigsäure (Acetat)
Ölsäure (Oleat)
Benzoesäure (Benzoat)
Carbonsäurehalogenide:
Aceton
p-Chinon
Palmitinsäure (Palmitat)
Stearinsäure (Stearat)
Benzoylchlorid
Acetessigester
O
||
CH2-O-C-C15H31
|
CH-O-CO-C17H35
|
CH2-O-C-C17H33
||
O
Phosphorsäureester:
Naphthochinon
Salicylsäure (Salicylat)
Acetylchlorid
Carbonsäureester:
Essigsäureethylester
Methyl-ethyl-keton
Acetylsalicylsäure
Fette z.B.
-ester
-diester
-triester
Speziell mit Ribose und Desoxyribose
Säureanhydride:
Acetanhydrid
Phosphorsäureanhydride und deren Ester:
Diphosphate und Ester
Triphosphate (Bes. in Verbindung mit Zuckern)
Säureamide: Acetamid
Benzamid
Acetanilid
Harnstoff
Guanidin
Di- Tri- … Polypeptide
R1 O
R2 O
R3
|
||
|
||
|
NH2 – CH – C – NH – CH - C – NH - CH – COOH
Amine: Methylamin
Dimethylamin
Sulfonsäuren, Sulfonsäurenamide:
Benzolsulfonsäure
Trimethylamin
Naphthalin-1-sulfonsäure
Di- u. Tricarbonsäuren (Anion):
Oxalsäure
(Oxalat)
Weinsäure
(Tartrat)
Ketocarbonsäuren: Brenztraubensäure
(Anion)
(Pyruvat)
Aminosäuren:
Glycin
Histidin
Alanin
Tryptophan
Anilin
Dimethylanilin
Benzolsulfonsäureamid
Hydroxycarbonsäuren:
Zitronensäure
(Citrat)
Milchsäure
(Lactat)
Acetessigsäure
(Acetacetat)
Phenylalanin
Weinsäure Zitronensäure
Oxalessigsäure
(Oxalacetat)
Tyrosin
Cystein
alle proteinogenen Aminosäuren mit Abkürzung
(Ala, Arg, Asn, Asp, Cys, Gln, Glu, Gly, His, Ile, Leu, Lys,
Met, Phe, Pro, Ser, Val, Thr, Tyr, Trp)
Kohlenhydrate
Glyceral
(Glycerinaldehyd)
Mannose
Ribose
2-Desoxyribose
Fructose
Glucose
ON-Säuren
Galactose
URON-Säuren
Saccharose, Lactose, Maltose, Cellose, Stärke
Heterocyclen
Pyrrol
Imidazol
Thiazol
Pyridin
Tetrahydrofuran
Pyrimidin
Tetrahydropyran
Indol
Purin
Porphyrin
Reaktionstypen: Addition, Substitution, Eliminierung, Umlagerung, Redox-Reaktionen
Additionsreaktionen (Spezialfall: Polymerisation):
Anlagerung von 2 Atomen oder Atomgruppen an Mehrfachbindungen
Bsp.:
Substitutionsreaktionen:
Bsp.:
CH3-CH2Br + NH3 → CH3-CH2NH2 + Br- + H+
Eliminierungsreaktionen:
Abspaltung von 2 Atomen oder Atomgruppen von benachbarten Atomen unter Ausbildung einer
Mehrfachbindung
Bsp.:
Umlagerungen:
Positionswechsel von Atomen oder Atomgruppen im Molekül unter Verschiebung von Bindungen
Bsp.:
Redox-Reaktionen:
Reaktion unter Änderung der Oxidationszahl im Molekül
Bsp.:
Reaktionszentren in organischen Molekülen:
- positive oder negative Ladungen
- π-Elektronen
- freie Elektronenpaare
- positive oder negative Partialladungen
Nucleophile, electrophile Reagenzien, radikalische Reaktionen
nucleophil (kernliebend)
Anionen: ClOHR3C|- SRCOO
ambidente Anionen: CNNO2freie Elektronenpaare
|NH3
electrophil
(elektr.liebend)
Kationen:
H+
Br+
R3C+
NO+
NO2+
polare Verbindungen
|NHR2
π-Elektronen:
Eine Reaktion ist electrophil, wenn das Reagens das Substrat electrophil angreift.
ist nucleophil, wenn das Reagens das Substrat nucleophil angreift.
Ein Reagens kann nur electrophil reagieren, wenn ein nucleophiles Substrat vorhanden ist (korrespondierende
Paare von Electrophilen und Nucleophilen).
Radikalische Reaktionen an unpolaren Molekülen durch homolytischeSpaltung der Bindung, initiiert durch UVLicht (hν), hohe Temperatur oder Radikalbildner (Azoverbindungen, Peroxide)
Bsp.:
R-R → R· + · R
Wichtige organische Stoffklassen und ihre funktionellen Gruppen (Substituenten)
Kohlenwasserstoffe
4. HG
Alkane
5. HG
primäre Amine
Derivate der Kohlenwasserstoffe
6. Hauptgruppe
Alkohole
Thioalkohole
Alkene
sec. Amine
Ether
Thioether
Alkine
tertiäre Amine
Aldehyde
Thioaldehyde
7. HG
Halogenide /
Halogenverb.
(Propylchlorid,
Chlorpropan)
(Fluorid, Chlorid,
Bromid, Iodid)
Aromaten
Hydrazine
Ketone
Azoverb.
Halbacetale/Acetale
(Halbketale/Ketale)
Thioketone
Nitrosoverb.
steigende Reaktivität
Nitroverb.
Carbonsäuren
Sulfonsäuren
C. amide
S. amide
C. ester
S. ester
C. anhydride
C. halogenide
S. halogenide
Reaktionen der wichtigsten Stoffklassen
1. Alkane
Struktur: unpolare C-C bzw. C-H-Bindungen, reaktionsträge, sp³-Hybridisierung, tetraedrischer Aufbau
Reaktionen: radikalische Substitution (SR) = Kettenreaktion
Bsp.: Halogenierung:
2. Alkene (=Olefine)
Struktur: C=C-Doppelbindung, bestehend aus einer σ- und einer π-Bindung, sp²-Hybridisierung; trigonalplanarer Aufbau, nucleophile Eigenschaften
Reaktionen: electrophile Addition (AE), über π-Komplex, Carbokation, Addition des Anions
Spezialfall: Polymerisation (auch nach radikalischem und nucleophilem Mechanismus
möglich), bei konjugierten Dienen 1,2- und 1,4-Addition
Bsp.:
3. Aromaten
Struktur: - Cyclisches vollkonjugiertes π-Elektronensystem mit 4n+2 π-Elektronen,
Mesomeriestabilisierung; benzoide Aromaten (Benzol) π-Elektronensextett. Planarer Aufbau,
nucleophile Eigenschaften.
- Elektronendichte kleiner als in Alkenen, Katalysatoren werden benötigt.
- Disubstituierte Verbindungen: o-, m-, und p-Stellung (ortho = 1,2; meta = 1,3; para = 1,4)
Reaktionen: electrophile Substitution (SE), über π-Komplex, Cabokation, Rearomatisierung (stabiles
π-Elektronensextett wird zurückgebildet => Unterschied zu Alkenen)
Bsp.:
4. Alkylhalogenide (=Halogenalkane)
Struktur: stark polare C-Halogen-Bindung, positivierter Kohlenstoff
Reaktionen: 1. nucleophile Substitution (SN); Übertragung des Alkylrestes auf alle O,-N,-C- und SNucleophile = Alkylierung (s.o.); SN1- und SN2-Reaktionen
2. Eliminierungen (E)
SN
E
5. Hydroxyverbindungen (Alkohole und Phenole)
Alkohole: Das C-Atom, an welchem die OH-Gruppe gebunden ist, ist sp³-hybridisiert.
Einteilung: - primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole (je nachdem, ob sich die OH-Gruppe an einem
prim., sec. oder tert. C-Atom befindet, d.h., das C-Atom ist mit 1, 2 oder 3 weiteren C-Atomen
verbunden),
bzw.
- ein-, zwei-, drei-wertigen Alkohole (nach der Anzahl der OH-Gruppen)
Struktur: - H-Brückenbindung
- polare C-O-Bindung (positivierter Kohlenstoff); polare O-H-Bindung; freie e---Paare am O
Reaktionen: a. Amphoterie
b. nucleophile Substitution (SN) der OH-Gruppe
c. electrophile Substitution (SE) des H
d. Eliminierung (E)
e. Oxidation (Ox)
Bsp.: Amphoterie:
nucleophile Substitution:
Eliminierung:
electrophile Substitution:
Oxidation:
weitere Reaktionen:
Phenole: OH-Gruppe befindet sich am sp2- hybridisierten C- Atom eines aromatischen Rings
Reaktion: a. deutliche Acidität
b. Farbreaktionen mit FeCl3
(Komplexbildung)
Bsp.: Acidität, Salzbildung in wässrigen Lösung:
Ursache: Mesomeriestabilisierung des Anions:
c. Oxidation von o- bzw. p- Hydroxyphenolen zu
o- bzw. p- Chinonen
d. SN und SE- Reaktionen wie Alkohole
Oxidation zum chinoiden System:
(vollkonjugiert, unter Einbeziehung von 2
exocyclischen Bindungen)
6. Carbonylverbindungen (Aldehyde und Ketone)
Struktur:
- Unterschied Aldehyde – Ketone: Aldehyde wegen des H in der funktion. Gruppe oxidierbar
- polare C=O –Doppelbindung (partiell positives C-Atom, nucleophil angreifbar, erster
Reaktionsschritt immer nucleophile Addition; häufig Folgereaktion), Protonenkatalyse
- Keto-Enol-Tautomerie
- δ+ am Carbonyl-C-Atom bewirkt Elektronenzug auf benachbarte C-H-Bindungen (dadurch
Protonen durch Basen abspaltbar (C-H-Acidität), Carbanion electrophil angreifbar (z.B. Aldolreaktion))
Reaktionen: a) Nucleophile Addition an die polare C=O-Doppelbindung- und Folgereaktionen
- Addition von H2O, R-OH, NaHSO3 zu Hydraten, Halbacetalen und NaHSO3-Addukten
- Additions-Substitutionsreaktionen von R-OH bzw. R-SH zu Acetalen bzw. Ketalen
- Additions-Eliminierungsreaktionen mit Verbindungen mit NH2-Gruppen zu Azomethinen,
Hydrazonen u.ä.
Protonenkatalyse
b) Reaktionen in α-Stellung zur Carbonylgruppe (Keto-Enol-Tautomerie, AldoladditionFolgereaktion: Aldolkondensation
c) Redox- Reaktionen
- Folgereaktion:
Sustitution (SN)
Bsp.: Nucleophile Addition (AN)
Nucleophile Addition (AN)
-
Folgereaktion: Eliminierung (E)
Protonenkatalyse
Aldoladdition:
Folgereaktion:
„Kondensation“ (E)
Keto- Enol- Tautomerie
Tautomerie: Platzwechsel eines H im Molekül bei gleichzeitiger Verschiebung von Bindungen
Oxidation
Reduktion
Oxidationsmittel: Tollens Reagens: Ag+ , OH-, NH3 (Wirkungsweise!)
Fehlingsche Lösung: Cu2+, OH-, Seignettesalz (Wirkungsweise!)
7.Carbonsäure und Carbonsäurederivate
Carbonsäuren:
Struktur:
- funktionelle Gruppe ist Carboxylgruppe: -COOH,
- Elektronenzug von Sauerstoff und Carbonyl- Gruppe lockert O-H- Bindung
(reagieren sauer, H der OH-Gruppe kann electrophil substituiert werden)
- Salze: Carboxylate, Mesomeriestabilisierung des Anions (Mesomerie s.u.)
- polare C=O- Doppelbindung, partiell positives C-Atom (nucleophil angreifbar; erster
Reaktionsschritt: nucleophile Addition; Folgereaktion: Eliminierung), Protonenkatalyse
- z.T leichte Abspaltung (Eliminierung) von CO2 (Decarboxylierung)
Reaktionen: a. Acidität
c. Decarboxylierung (E)
b. Veresterung
d. Oxidation von Ameisen- u. Oxalsäure
Bsp.: Protolyse:
Mesomerie des Carboxylat- Ions
Veresterung: Gleichgewichtsreaktion, liegt auf Seiten der Eddukte
K=
[ Ester][Wasser]
[ Säure[[ Alkohol]
Säure
Alkohol
Ester
Wasser
Man erhält mehr Ester durch Verschiebung der Konzentrationen und neue Einstellung des GG durch Entfernung
des gebildeten H2O mit konz. H2SO4 oder Abdestillieren des Esters.
Decarboxylierung:
Oxidation von Ameisensäure und Oxalsäure:
Oxalessigsäure
Brenztraubensäure
Derivate der Carbonsäuren: (Carbonsäurehalogenide, -anhydride, -ester, -amide…)
Struktur:
- funktionelle Gruppe: - COX. –OH der Carboxylgruppe durch andere funkt. Gruppen ersetzt.
- Polarität der C=O – Doppelbindung durch X verstärkt (nucleophiler Angriff am C (AN);
immer gefolgt von einer Eliminierung), Protonenkatalyse
- Positivierung des C bewirkt Elektronenzug auf benachbarte C-H Bindung, Proton durch
Basen abspaltbar (C-H- Acidität), Carbanion electrophil angreifbar (Esterkondensation)
Reaktionen: a. aus reaktiven Derivaten werden weniger reaktive Derivate über AN- E hergestellt
Ausnahme: Veresterung (s.o.)
- Reaktivität gegenüber Nucleophilen siehe Tabelle und Beispiele Addition-Eliminierung
b. Reaktionen in α-Stellung zur funktionellen Gruppe (Esterkondensation vgl. Aldol-Reaktion)
Bsp. : Nucleophile Addition- Eliminierung:
„Esterkondensation“
Essigsäureethylester
potentielles Carbanion
Acetessigester
Mesomerie: Delokalisierung von Elektronen über mehrere Bindungen unter Energiegewinn (Stabilisierung)
Voraussetzung: konjugierte Bindungssysteme (alternierend Doppelbindung- Einfachbindung- Doppelbindung,
Doppelbindung- Einfachbindung- freies Elektronenpaar, Doppelbindung- Einfachbindung- positive Ladung)
Beschreibung: durch mesomere Grenzstrukturen, Mesomeriepfeil; Elektronen können nur
auf benachbarte Bindungen bzw. ein benachbartes Atom verschoben werden,
realer Zustand: Zwischenzustand
Bsp.: aliphatische Strukturen: Enolat-Ion, Carboxylat-Ion, Nitrogruppe, Carbonat- Ion usw.
aromatische Strukturen: Benzol, substituierte Aromaten, Phenolat-Ion usw.
8. Amine
Einteilung: - primäre, sekundäre, tertiäre Amine je nach Anzahl der organischen Reste am N
prim. Amin
Methylamin
sec. Amin tert. Amin quart. Ammoniumsalz
Dimethylamin Trimethylamin Tetramethylammonium-Ion
-aliphatische Amine (nur Alkyl- Substituenten), aromatische Amine (NH2 am aromatischen Ring)
Struktur: - Freies Elektronenpaar am N wird von zahlreichen Electrophilen angegriffen (Basizität,
Alkylierung, Acylierung, Azomethinbildung, Diazotierung)
- aromat. Amine: Beteiligung des freien Elektronenpaares an der Mesomerie des Rings
führt zu geringerer Basizität sowie Erhöhung der Reaktivität des Rings gegenüber Elektrophilen (größere Elektronendichte), Bsp.: Kupplungsreaktion
- Polarität der C-N- Bindung ist geringer, keine nucleophile Substitution der Aminogruppe
Reaktionen: a. Basizität
b. Electrophile Substitution des H an der Aminogruppe und ggf. Folgereaktion: durch
R- Cl (Alkylierung), R-COX (Acylierung), R-CHO (Azomethinbildung),
HNO2 (Diazotierung)
Bsp.: Basizität (nur schwach bei aromatischen Aminen wegen Mesomerie):
Protolyse:
Salzbildung:
Methylamin
Methylammoniumchlorid
Mesomerie aromatischer Amine:
Alkylierung:
Reaktionen mit Carbonylverbindungen:
Anilin
Acylierung
Anilin
Diazotierung:
Acetylchlorid
Acetanilid = Acetylanilin
Benzoldiazoniumchlorid
Benzaldehyd
Benzyliden-anilin
9. Diazoniumsalze
Struktur: - sehr instabil, reaktive Zwischenprodukte, aromatische Diazoniumsalze mesomeriestabilisiert:
- stabiler, molekularer Stickstoff (N2) im Molekül vorgebildet, leicht abspaltbar
(„Verkochen“)
- endständiger, positiver Stickstoff kann elektronenreiche Aromaten electrophil angreifen
(Kupplung zu Azoverbindungen)
Reaktionen: a. Diazoniumgruppe wird substituiert (SN): Austausch gegen OH
b. Kupplung mit Phenolen bzw. aromat. Aminen ( SE am aromatischen Ring)
Bsp.: „Verkochen“ mit Wasser zu Phenolen:
Kupplung mit Aminen, analog Phenole, Naphthole
Skript zur Sicherheitstechnischen Klausur zum chemischen
Praktikum
Institut für Biochemie 2001-2014, Gottfried Palm
1
Verhaltensregeln im Labor, Personenschutz
1.1
Sauberkeit und Ordnung
•
•
•
•
•
•
•
1.2
Halten Sie Ordnung und Sauberkeit am Arbeitsplatz.
Damit erleichtern Sie sich die Arbeit und arbeiten sicherer. Wenn etwas umfällt, lässt sich dann viel
leichter aufräumen und aufwischen!
Essen, Trinken und Rauchen im Labor sind verboten.
Befolgen Sie die Sicherheitsvorschriften und Anweisungen der Assistenten.
Halten Sie die Glasgeräte sauber.
Am Ende des Praktikumstages sind die Glasgeräte mit Leitungswasser zu waschen. Unbekannte Reste
verfälschen nicht nur Ihre Experimente. Sie möchten auch nicht ein Becherglas anfassen, das mit
Natronlauge verschmutzt ist oder doch?
Ausgeliehene Geräte sind nach dem Versuch an die Assistenten zurückzugeben.
Am Ende des Praktikumstages wird der aufgeräumte Arbeitsplatz vom Assistenten abgenommen.
Im ausgefüllten Praktikumsheft bekommen Sie eine Unterschrift für die Rückgabe Ihres Arbeitskastens
und für die erfolgreichen Experimente.
Schutzbekleidung
•
•
•
•
•
1.3
Im Labor muss ein Laborkittel getragen werden.
Der Laborkittel darf nicht aus synthetischem Material sein, das beim Erhitzen schmilzt. Er muss leicht
auszuziehen sein (bei Brand oder Verschütten von Säure u.ä.). Alltagskleidung ist kein Laborkittel, auch
wenn Ihnen ein Säureloch egal ist!
Im Labor muss ständig eine Schutzbrille getragen werden.
Unter dem Laborkittel sollte keine wertvolle Kleidung getragen werden, da Beschmutzung und
Beschädigung trotz Kittel nicht auszuschließen sind. Lange Röcke sind nicht zulässig.
Für einige Arbeiten sind Schutzhandschuhe empfehlenswert (siehe Praktikumsheft). Beachte: Auch
Handschuhe können für Lösungsmittel durchlässig sein!
Während des Praktikums ist geschlossenes Schuhwerk zu tragen (keine Sandalen).
Bauliche Maßnahmen
•
•
•
•
2
Für Arbeiten mit übelriechenden und flüchtigen giftigen Chemikalien sind die Abzüge zu benutzen.
Abzüge sind kein Lagerplatz. Bitte in den Abzügen Ordnung halten. Die Abzüge funktionieren nur,
wenn die Fenster geschlossen bleiben.
Machen Sie sich mit den Fluchtwegen vertraut.
Im Brandfall sind die Aufzüge nicht zu benutzen.
Merken Sie sich die Plätze der Feuerlöscher, Brausen (Duschen), Löschdecken.
Benutzung der Geräte
•
•
•
•
•
Benutzen Sie Geräte gemäß Anleitung oder Einweisung.
Lassen Sie sich von eingewiesenen Mitstudenten oder Assistenten die Funktion zeigen. Wenn etwas nur
mit Gewalt zu gehen scheint, machen Sie in der Regel etwas falsch. Fragen Sie nach.
Schalten Sie Geräte nach der Benutzung aus.
Schließen Sie Gas- und Wasserhähne nach der Benutzung.
Organische Lösungsmittel werden nicht auf offener Flamme erhitzt!
Verwenden Sie ein Wasserbad oder eine Heizplatte. Vorsicht, auch der Bunsenbrenner des Nachbarn ist
gefährlich nah, wenn er an ist!
Verwenden Sie keine beschädigten Glasgeräte (mit ‚Stern’ oder Bruchkanten), mechanische oder
thermische Belastung führt leicht zu vollständigem Bruch.
•
•
•
•
•
3
Aufbau und Benutzung eines Bunsenbrenners:
Kleine Mengen wässriger Lösungen werden im Reagenzglas über dem Bunsen- oder Teclubrenner
erhitzt. Dazu das Reagenzglas nur zu einem Drittel oder Viertel füllen, die Öffnung auf keine Person
(auch nicht den Nachbar) richten und ständig leicht schütteln. Ggf. Siedesteine benutzen.
Nicht benötigte Brenner sind abzustellen. Dazu den gelben Hahn am Labortisch schließen, nicht das
Regelventil des Brenners! Am Ende des Praktikumstages wird der Gashahn geschlossen, der Schlauch
des Brenners abgezogen und der Brenner in den Gerätekasten gestellt. Bei geringer Luftzufuhr ist die
Flamme leuchtend gelb und kälter, bei höherer Luftzufuhr blau und heißer. Bei zu starker Luftzufuhr
oder zu geringem Gasdruck kann es passieren, dass der Brenner ‚durchschlägt’, d.h. das Gas brennt im
Innern weiter. Der Brenner wird heiß und es treten übelriechende Produkte unvollständiger
Gasverbrennung auf. Brenner sofort ausstellen (wie immer am gelben Hahn, dann am Brenner –
Vorsicht, evtl. heiß). Vor erneutem Anzünden die Luftzufuhr geringer stellen oder die Gaszufuhr
erhöhen.
Nutzen Sie zum Pipettieren die Pipettierhilfen, niemals den Mund!
Benutzen Sie Vakuum nur mit dafür vorgesehenen Schläuchen und Glasgefäßen. Dünnwandige Kolben
können implodieren!
Benutzen Sie nur geerdete elektrische Geräte.
Prüfen Sie Schläuche auf Dichtigkeit (Sprünge im Gummi) und festen Sitz. Ggf. die Anschlüsse
sichern.
Chemikalien
•
•
•
•
•
Die benötigten Chemikalien werden in Vorratsflaschen, großen Maßkolben etc. im Labor bereitgestellt.
Verwenden Sie nur soviel Chemikalien, wie sie wirklich brauchen. Kleine Mengen sparen nicht nur
Geld, Sie sparen in der Regel auch Zeit und verringern den Abfall.
Einmal entnommene Chemikalien nicht in Vorratsflaschen zurückschütten.
Die Gefahr der Verunreinigung ist zu groß. Nicht mehrere Chemikalien gleichzeitig abfüllen, damit
keine Stopfen oder Deckel vertauscht werden.
Chemikalien und Geräte dürfen nicht aus dem Praktikum entfernt oder gar nach Hause genommen
werden.
Lernen Sie die Gefahrenbezeichnung aller Gefahrensymbole in Abschnitt 7.
Beschriften Sie Chemikalienflaschen folgendermaßen: Chemikalie, Name, Datum, ggf.
Gefahrensymbol (Ätzend, giftig, usw.).
•
Beispiele:
NaHCO3
A. Mustermann
20.04.10
•
3.1
30 % Essigsäure
Medizinerpraktikum
20.04.10
0,1 M Oxalsäure
Titer 1,003
Medizinerpraktikum
20. Apr 2010
Unbekannte Substanzen werden zunächst als giftig eingestuft.
Im Praktikum sind Ihnen die Stoffe jedoch alle vorher bekannt (Vorbereitung!).
Wichtige Chemikalienklassen
•
•
•
•
3.2
Säuren und Laugen: Vorsicht beim Arbeiten mit konzentrierten Säuren und Laugen. Beim Verdünnen
entwickelt sich Wärme bis hin zum Sieden (und dann Verspritzen) der Lösung! Geben Sie die
konzentrierte Säure in das Lösungsmittel (z.B. Wasser – erst das Wasser, dann die Säure’).
Viele Schwermetallsalze, z.B. Arsen- und alle Quecksilberverbindungen, sind giftig. Sie werden mit
den Schwermetallsalzen entsorgt.
Arbeiten Sie mit giftigen Gasen im Abzug.
Giftige Gase, die im Praktikum entstehen können, sind H2S, NO/NO2, HCN, CO. Beispielsweise
entstehen H2S und HCN beim Ansäuern ihrer Salze, Stickoxide bei Oxidation mit Salpetersäure. Schon
deshalb müssen Sie sich auf Ihre Versuche vorbereiten!
Organische Lösungsmittel sind nicht nur brennbar, sondern zum Teil auch giftig.
Vermeiden Sie große Mengen Dämpfe und atmen Sie sie nicht unnötig ein. (Auch Schnüffeln hat
gesundheitsschädliche (Neben-)wirkungen).
Entsorgung
•
•
•
3.3
Abfälle von reizenden, giftigen und brennbaren Chemikalien werden getrennt entsorgt. Es gibt
Abfallbehälter für Lösungsmittel, halogenhaltige Lösungsmittel und schwermetallhaltige Lösungen.
Feste schwermetallhaltige Rückstände werden in einem separaten Gefäß entsorgt.
Papier, Glasbruch und spitze Gegenstände (Nadeln, Skalpelle) werden in bereitgestellten
Blechcontainern gesammelt.
Radioaktivität, Gentechnik, Infektionsschutz
•
•
•
4
In diesem Praktikum werden Sie weder mit radioaktiven Reagenzien, gentechnisch veränderten oder
pathogenen Organismen arbeiten. Für diese Versuche gelten weitergehende Bestimmungen:
Für Arbeiten mit radioaktiven Substanzen benötigen Sie eine separate Belehrung. Dies gilt auch für
Mengen, die unter der Freigrenze liegen und generell für ungefährlich erachtet werden.
Auch gentechnische Versuche und Versuche mit pathogenen Organismen dürfen Sie nur nach
zusätzlicher Belehrung durchführen (nach Gentechnikgesetz bzw. Infektionsschutzgesetz).
Brandschutz
4.1
Vermeidung von Bränden
•
•
•
•
4.2
Organische Lösungsmittel werden nicht auf offener Flamme erhitzt!
Verwenden Sie ein Wasserbad oder eine Heizplatte. Vorsicht, auch der Bunsenbrenner des Nachbarn ist
gefährlich nah, wenn er an ist! Halten Sie einen ausreichenden Sicherheitsabstand.
Am Arbeitsplatz dürfen nur die für den Versuch nötigen Mengen an Lösungsmitteln stehen.
Merken Sie sich die Standorte von Feuerlöschern, Brandschutzdecken, Brausen, Fluchtwegen.
Bewahren Sie leichtflüchtige Lösungsmittel im Kühlschrank auf. Sichern sie Stopfen vor dem
Herausfliegen.
Verhalten im Brandfall und bei Alarm
•
•
•
•
•
Kleinere Feuer können mit einer Löschdecke gelöscht werden.
Größere Feuer mit dem Feuerlöscher bekämpfen.
Personen mit der Brause oder kurz mit dem Feuerlöscher löschen.
Benutzen Sie im Brandfall nicht die Aufzüge.
Personenschutz geht vor Sachschutz.
•
•
•
•
5
Erste Hilfe
5.1
Verbrennungen
•
•
•
5.2
Unverzüglich mit fließendem Wasser kühlen.
Lange kühlen (20 min), den Patient aber warmhalten. Während der Kühlung bereits den Assistenten
informieren (lassen). Bei brennender Kleidung unverzüglich einen Löschversuch, entweder mit der
Notbrause oder mit einer Löschdecke, unternehmen.
Brandwunden unverzüglich kühlen, aber nicht verändern
Blasen nicht öffnen, festgebrannte Kleidung nicht abreißen, keine Salben o.ä. auftragen.
Verletzung anschließend unbedingt in der Unfallchirurgie vorstellen.
Verätzungen
•
•
•
•
•
5.3
Mit der Substanz getränkte Kleidung schnellstmöglich entfernen (Eigenschutz beachten).
Die Verätzung reichlich mit fließendem Wasser spülen (ggf. Notbrause), auch wenn noch keine äußeren
Verletzungen sichtbar sind.
Bei Verätzungen der Augen sofort reichlich mit der Augendusche spülen.
Notfalls die Augen mit der Hand offen halten. Anschließend beide Augen verbinden und den
Betroffenen in die Augenklinik bringen. Einen Verletzten mit verbundenen Augen nie ohne Betreuung
lassen.
Bei Verschlucken von ätzenden Substanzen den Betroffenen Leitungswasser trinken lassen und auf
keinen Fall zum Erbrechen bringen. Es kann bei Verschlucken von Säure Magnesiumoxid (5 g auf 100
ml) und bei Verschlucken von Lauge stark verdünnte Essigsäure (etwa 1% in Wasser) gegeben werden.
Assistenten informieren und den Patienten schnellstens in der Unfallchirurgie vorstellen.
Assistenten informieren und Vorstellung der Verletzung in der Unfallchirurgie veranlassen.
Verletzungen
•
•
•
6
Schalten Sie Gas und Elektrogeräte aus, wenn dies ohne Gefahr möglich ist.
Telefonnummer bei Unfällen und Feuer: 0-112 Feuerwehr. Geben Sie Ihren Namen an, was passiert ist,
wo, wie viele Personen betroffen sind.
Kommen Sie im Brandfall zu dem vereinbarten Sammelplatz vor dem Gebäude (Pappelallee).
Sand(kästen) dient zum Löschen von Metallbränden (z.B. Li).
Kleinere Verletzungen nicht auswaschen, sondern mit sterilem Verbandmaterial bedecken.
Assistenten informieren und die Verletzung ggf. in der Unfallchirurgie vorstellen.
Stark blutende Wunden nicht abbinden, sondern mit einem Druckverband versorgen.
Den Patienten ggf. in Schocklage bringen, Assistenten informieren und den Betroffenen in der
Unfallchirurgie vorstellen. Große Fremdkörper in der Wunde belassen und ggf. in einen Verband zur
Fixierung mit einbeziehen.
Bei Verletzung der Augen diese ggf. kurz spülen, um lose Fremdkörper zu entfernen. Anschließend
beide Augen verbinden und mit dem Patienten die Augenklinik aufsuchen.
Meldung von Unfällen
Jeder Unfall ist beim Assistenten anzugeben, auch wenn es sich um kleine Verletzungen handelt. Dieser
wird dann entsprechend der Schwere des Unfalls die Weitermeldung veranlassen.
7
Kennzeichnung von Chemikalien nach dem GHS (Global harmonisiertes
System)
Symbol Kenn- Gefahrenbuch- bezeichnung
stabe
(alt)
ExplosionsE
gefährlich
O
Brandfördernd
F, F+ (Hoch)
entzündlich
T, T+ Sehr giftig
Wirkung der Stoffe
Stoffbeispiel
können durch Schlag, Reibung, Erwärmung, Feuer
oder andere Zündquellen auch ohne Beteiligung von
Luftsauerstoff explodieren.
Ethylnitrat
sind in der Regel selbst nicht brennbar, können aber
bei Berührung mit brennbaren Stoffen die Brandgefahr
und die Heftigkeit eines Brandes beträchtlich erhöhen.
Kaliumnitrat
haben als Flüssigkeit einen (extrem) niedrigen
Flammpunkt, selbsterhitzungsfähig, selbstzersetzlich
Diethylether
(Ether)
können in (sehr) geringen Mengen beim Einatmen,
Verschlucken oder Berühren mit der Haut
Gesundheitsschäden bis zum Tod verursachen.
Krebserzeugend.
können durch Einatmen, Verschlucken oder Berühren
mit der Haut Gesundheitsschäden verursachen.
Kaliumcyanid,
Arsen
Glykol
Xn
Gesundheitsgefährdend
C
Ätzend
zerstören lebendes Gewebe (z.B. bei Säuren mit pH <
2 oder Laugen mit pH > 11,5).Korrosiv bei Metallen.
Natronlauge
(>2%)
Xi
Gesundheitsgefährdend
können bei Kontakt mit der Haut zu Entzündungen
führen. Verdacht auf Cancerogenität.
Calciumchlorid,
Dichlormethan
N
Umweltgefährdend
können Wasser, Boden, Luft, Klima, Pflanzen oder
Mikroorganismen derart verändern, dass Gefahren für
die Umwelt entstehen.
Lindan
Druckflasche
Gase unter Druck, tiefkalte Gase
Flüssiger N2
Zusatzpunkte:
Zu 3.1.
• Gase sind über fest installierte Leitungen an den Plätzen zugänglich. Sondergase
werden in Druckgasflaschen bereitgestellt (‚Bomben’). Diese dürfen nur während der
Benutzung (Tagsüber zur Praktikumszeit) innerhalb des Labors aufbewahrt werden
und müssen angekettet sein.
Zu 3.2.
• Papier, Glasbruch und spitze Gegenstände (Nadeln, Skalpelle) werden in
bereitgestellten Blechcontainern gesammelt. Laborglas hat einen höheren
Schmelzpunkt als Normalglas und darf daher nicht in den üblichen Glascontainer.