Praktikum, Chemie für Mediziner - Cheatsheet

Periodensystem der Elemente und deren Eigenschaften

Definition:

Das Periodensystem der Elemente (PSE) ordnet die chemischen Elemente nach steigender Ordnungszahl und ähnlichen chemischen Eigenschaften.

Details:

• Gruppen: Senkrechte Spalten, Elemente mit ähnlichen Eigenschaften (z.B. Alkalimetalle, Halogene)
• Perioden: Waagerechte Reihen, zeigen Wiederholung von Eigenschaften
• Metalle, Nichtmetalle, Halbmetalle: Unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften
• Elektronenkonfiguration: Verteilung der Elektronen in den Schalen erklärt chemisches Verhalten
• Reaktivität: Abhängigkeit von Stellung im PSE (z.B. Metallaktivitätsreihe)
• Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität, Elektronegativität: Trends innerhalb des PSE

Säure-Base-Reaktionen und deren Mechanismen

Definition:

Reaktionen, bei denen Protonen (\text{H}^+) zwischen chemischen Spezies übertragen werden. Umfasst Bronsted-Lowry und Lewis Konzepte.

Details:

• Bronsted-Lowry-Säure: Protonendonator (\text{HA} \rightarrow \text{H}^+ + \text{A}^-)
• Bronsted-Lowry-Base: Protonenakzeptor (\text{B} + \text{H}^+ \rightarrow \text{BH}^+)
• Lewis-Säure: Elektronenpaarakzeptor
• Lewis-Base: Elektronenpaardonator
• pH-Wert: Maß für die Wasserstoffionenkonzentration (\text{pH} = -\text{log}[\text{H}^+])
• pOH-Wert: Maß für die Hydroxidionenkonzentration (\text{pOH} = -\text{log}[\text{OH}^-])
• pH + pOH = 14 (bei 25°C)
• Titration: Quantitative Bestimmung der Konzentration einer Säure oder Base durch neutralisation

Redox-Reaktionen und Oxidationszahlen

Definition:

Redox-Reaktion: Elektronentransfer zwischen Reaktanten, reduziert/oxidiert. Oxidationszahlen: Werkzeug zur Verfolgung von Elektronentransfer.

Details:

• Oxidation: Elektronenabgabe, Oxidationszahl steigt.
• Reduktion: Elektronenaufnahme, Oxidationszahl sinkt.
• Reduktionsmittel: gibt Elektronen ab, wird oxidiert.
• Oxidationsmittel: nimmt Elektronen auf, wird reduziert.
• Oxidationszahl ermitteln:
  • Element im Grundzustand: 0
  • Einatomiges Ion: gleich Ionenladung
  • Wasserstoff: meist +1
  • Sauerstoff: meist -2
  • Fluor: immer -1
• Gesamtladung der Verbindung berücksichtigen
• Reaktionsgleichung: Ladungs- und Massenbilanz prüfen.

Komplexbildung und Koordinationsverbindungen

Definition:

Komplexbildung: Bindung eines Zentralatoms an Liganden; Koordinationsverbindungen: Strukturen aus Zentralatom und Liganden.

Details:

• Zentralatom: Meist Metall
• Liganden: Moleküle/Ionen, die Elektronenpaare spenden
• Koordinationszahl: Anzahl der Liganden am Zentralatom
• Komplexes Gleichgewicht:

• Formel: [Zentralatom(Ligand)_n]^{m+}
• Stabilitätskonstante: K_{stab}

Lewis-Strukturen und VSEPR-Theorie

Definition:

Lewis-Strukturen zeigen die Verteilung der Valenzelektronen in Molekülen. Die VSEPR-Theorie (Valence Shell Electron Pair Repulsion) beschreibt die räumliche Anordnung von Atomen in Molekülen basierend auf der Abstoßung von Elektronenpaaren.

Details:

• Lewis-Strukturen: Darstellung von Atomen und ihren Valenzelektronen, Bindungen als Striche, freie Elektronenpaare als Punkte.
• Oktettregel: Atome streben 8 Valenzelektronen an.
• VSEPR-Modell: Elektronenpaare (bindend und nicht-bindend) ordnen sich so, dass sie maximalen Abstand zueinander haben.
• Geometrien: linear (180°), trigonal planar (120°), tetraedrisch (109.5°), trigonal bipyramidal (90° & 120°), oktaedrisch (90°).

Reaktionskinetik und -dynamik

Definition:

Reaktionskinetik und -dynamik: Untersuchung der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und der Mechanismen, die diese beeinflussen.

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeit: Änderung der Konzentration von Reaktanten/Produkten pro Zeiteinheit. Formeln: \(v = - \frac{d[A]}{dt} = \frac{d[B]}{dt}\)
• Reaktionsordnung: Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Konzentrationen der Reaktanten. Formeln: \(v = k[A]^m[B]^n\)
• Arrhenius-Gleichung: Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit. Formel: \(k = A e^{-E_a / RT}\)
• Aktivierungsenergie \(E_a\): Energiebarriere, die überwunden werden muss.
• Übergangszustand: Zustand mit höchster Energie entlang des Reaktionswegs.
• Stoßtheorie: Annahme, dass Reaktionen auftreten, wenn Teilchen effektiv zusammenstoßen.
• Katalysatoren: Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit ändern, ohne selbst verbraucht zu werden.

Enzymkatalyse und -mechanismen

Definition:

Enzymkatalyse: Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Enzyme.Enzymmechanismen: spezifische Prozesse, durch die Enzyme katalysieren.

Details:

• Enzyme: Biokatalysatoren, die Reaktionen beschleunigen
• Substratbindung: Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes (ES)
• Aktives Zentrum: Spezifische Region des Enzyms, wo die Reaktion stattfindet
• Michaelis-Menten-Gleichung: \[v = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]}\]
• K_{cat}: Umsatzzahl, Anzahl der Substratmoleküle, die pro Sekunde und Enzymmolekül umgesetzt werden
• Inhibitoren: Moleküle, die die Enzymaktivität hemmen (kompetitiv, nichtkompetitiv)
• Aktivierungsenergie: Reduziert durch Enzyme, um die Reaktion zu beschleunigen
• Koenzyme und Kofaktoren: Unterstützen die Enzymfunktion

Spektroskopische Methoden (z.B. UV-Vis, IR, NMR)

Definition:

Schnelle Analyse chemischer Strukturen und Zusammensetzungen mithilfe von Licht in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums.

Details:

• UV-Vis-Spektroskopie: Absorption von UV- und sichtbarem Licht, Übergang von Elektronen zwischen Energieniveaus.
• IR-Spektroskopie: Absorption von Infrarotlicht, Schwingungen und Rotationen von Molekülen.
• NMR-Spektroskopie: Wechselwirkung von Atomkernen mit Magnetfeldern, besonders nützlich für organische Strukturen.
• UV-Vis: Lambert-Beer'sches Gesetz \( A = \varepsilon \cdot c \cdot d \).
• IR: Identifikation von funktionellen Gruppen durch charakteristische Banden.
• NMR: \( ^1H- \) und \( ^{13}C- \) NMR gebräuchlich, chemische Verschiebung (\( \delta \)) gibt Aufschluss über Umgebung der Kerne.