Luento Sähköstaattiset vuorovaikutukset. Veden ominaisuudet Hydrofobinen vuorovaikutus. x = 0

Samankaltaiset tiedostot
Luento Sähköstaattiset vuorovaikutukset. Veden ominaisuudet Hydrofobinen vuorovaikutus. x = 0

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

Chapter 7. Entropic forces at work

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Luku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

782630S Pintakemia I, 3 op

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Kiteinen aine. Kide on suuresta atomijoukosta muodostunut säännöllinen ja stabiili, atomiseen skaalaan nähden erittäin suuri, rakenne.

&()'#*#+)##'% +'##$,),#%'

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Luento Pääteemat: Vetysidos Veden ominaisuudet Terminen liike Kineettinen kaasuteoria Boltzmann-jakauma Satunnaiskävely


a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, ohjeita tenttiin ja muutamia teoriavinkkejä sekä pari esimerkkilaskua

Nesteen sisäinen kitka ja diffuusio

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

8. Chemical Forces and self-assembly

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Luento 1: Sisältö. Vyörakenteen muodostuminen Molekyyliorbitaalien muodostuminen Atomiketju Energia-aukko

Sähköstaattinen energia

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Sähköstaattinen energia

Luku 6. reunaehtoprobleemat. 6.1 Laplacen ja Poissonin yhtälöt Reunaehdot. Kun sähkökentän lauseke E = φ sijoitetaan Gaussin lakiin, saadaan

SATE2180 Kenttäteorian perusteet syksy / 5 Laskuharjoitus 5 / Laplacen yhtälö ja Ampèren laki

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Seoksen pitoisuuslaskuja

Ionisidos ja ionihila:

12. Eristeet Vapaa atomi

Vesi. Pintajännityksen Veden suuremman tiheyden nesteenä kuin kiinteänä aineena Korkean kiehumispisteen

Kemiallinen reaktio

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Massaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

BECS-C2101 Biofysiikka

Kvanttifysiikan perusteet 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

Liukeneminen

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

VESI JA VESILIUOKSET

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

Potentiaali ja potentiaalienergia

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Sähköstaattinen energia

Entrooppiset voimat. Entrooppiset voimat Vapaan energian muunnoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

8. Chemical Forces and self-assembly

JÄÄTYMISPISTEEN ALENEMA Johdanto. 2 Termodynaaminen tausta

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

2 Eristeet. 2.1 Polarisoituma

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

1. Malmista metalliksi

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Chapter 3. The Molecular Dance. Luento Terminen liike Kineettinen kaasuteoria Boltzmann-jakauma Satunnaiskävely

Massaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

DEE Sähkötekniikan perusteet

Sähköstatiikasta muuta. - q. SISÄLTÖ Sähköinen dipoli Kondensaattori Sähköstaattisia laskentamenetelmiä

1. a) Selitä kemian käsitteet lyhyesti muutamalla sanalla ja/tai piirrä kuva ja/tai kirjoita kaava/symboli.

Biofysiikka, Luento

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Luku Sähköinen polarisoituma

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

Chapter 4. Random Walks, Friction and Diffusion

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Stanislav Rusak CASIMIRIN ILMIÖ

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

L10 Polyelektrolyytit pinnalla

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Käsitteitä. Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Transkriptio:

Luento 9 17.3.017 1 Sähköstaattiset vuorovaikutukset Poissonoltzmann yhtälö Varatut pinnat nesteessä Varatut pallomaiset partikkelit nesteessä Veden ominaisuudet Hydrofobinen vuorovaikutus = 0

Sähköstaattiset vuorovaikutukset iomolekyylit ja kalvot yleensä sähköisesti varattuja Sähköisten vuorovaikutusten suuruusluokka: n. 150 vesimolek. Esim. Paljonko energiaa kuluu, kun 1 % ilmassa olevan vesipisaran vesimolekyyleistä ionisoidaan, kun pisaran säde on 1 mm? Entä kun pisara on vedessä ( = 80) ja säde on 1 m tai 1 nm? 3 q m V 4 R E ½ qv ( R), q N Ae N Ae N Ae 8 R M M 3M Ilmassa R E Vedessä : Terminen energia kykenee ionisoimaan neutraaleja molekyylejä soluissa! 0 11 : 1mm : 10 J R1μm : E 6,7 10 J 1 R 1nm : E,7 10 J 0,7 ktr (vesi ei enää kontinuumi nmskaalassa!)

Makromolekyylien ionisoituminen 3 Dissosiaatio termisesti Vapaa energia kilpailu : Vuorovaikutusenergian minimointi pyrkii pitämään vastaionit makromolekyylin lähellä Entropian kasvu pyrkii viemään vastaioneja kauemmas makromolekyylistä Vastaionivaippa neutraloi makroionin sijaitsee nmetäisyydellä makroionista varjostaa makroionia lyhentää sähköstaattisten vuorovaikutusten kantaman nmluokkaan H DNA

Pintojen (solukalvon) ionisoituminen 4 Dissosiaatio muodostaa diffuusin varauskerroksen Sähköinen kaksoiskerros Kiinteä pintavaraus Nesteeseen dissosioitunut varaus Negat. pintavaraus Ylimäärin posit. varausta pinnan lähellä

5 Solujen makromolekyylien väliset vuorovaikutukset Attraktiivisia vuorovaikutuksia (mm. van der Waals, tyhjennysvv.) Yleensä negatiivisesti varautuneita (netto) repulsiivinen vv. Sähköstaattisilla vuorovaikutuksilla lyhyt kantama soluissa Vastaionivarjostus Makroionit vuorovaikuttavat vain lyhyillä etäisyyksillä Lähivuorovaikutus molekyylin pinnan muoto varausjakauma Makromolekyylien sitoutuminen toisiinsa Paljon heikkoja vuorovaikutuksia Stereospesifisyys

Gaussin laki Sähkövuo suljetun pinnan läpi, sisällä varaus q : q da A Tasaisesti jakautunut negat. varaus tasopinnalla: E A pinta q q = pintavaraustiheys, [ q ] = C m Nesteessä tasopinnan ulkopuolella: Vastaionien varjostus (tässä ei muita ioneja) E = sähkökentän voimakkuus, [E] = V m 1 = väliaineen permittiivisyys, [ ] = C N 1 m Vain suuntainen kenttä (varaustiheys ei muutu y ja zsuunnissa) Sähkökenttä heikkenee etäisyyden pinnasta kasvaessa: q 1 1 ( d) ( d) E( 1 ) da q( ) dda q( ) d da d q Gaussin laki d Varjostuksen voimakkuus kuvaa varaustiheyttä

Keskimääräisen kentän ( mean field ) approksimaatio Olkoon varattu (negat.) pinta Varauspilvi ympärillä Vastaionit ( counterions ) Koionit ( coions ): pintavarauksen kanssa saman merkkiset varaukset Kenttä vaikuttaa varausjakaumaan, kukin ioni vaikuttaa kenttään Sähköstaattisen vuorovaikutuksen kantama pitkä kukin ioni vuorovaikuttaa ison määrän muita ioneja kanssa, miten kuvata tilanne? Oletukset: Kunkin ionin ympärillä runsaasti muita ioneja Keskimääräinen varausjakauma q Kukin ioni kokee muiden ionien (suuri määrä) synnyttämän potentiaalin, keskimääräisen kentän V() (pieni fluktuaatio)

Poissonoltzmann yhtälö (1dim.) Gauss: d q dv ( ) d d dv q Poissonyhtälö d Oletetaan, että ionit liikkuvat toisistaan riippumattomasti keskimääräisessä potentiaalikentässä V() : ziev ( ) kpl k T ci( ) ci0 e [ c] 3 m ( ) z ec ( ) z ec e i i i i i 0 dv d i ze i ci0e ziev ( ) k T ziev ( ) k T Poissonoltzmann yhtälö Pituusskaala: Alkeisvarausten välinen etäisyys, jolla sähköinen energia termisen energian suuruinen = jerrumpituus l l e 4 kt, vedessä / 80 0

Poissonoltzmannyhtälön ratkaisu (1dimensioinen tapaus): Liuoksen ionikoostumus: Pelkät vastaionit? Lisäksi 1arvoisia ioneja? Mukana tai 3arvoisia ioneja? Geometria reunaehdot P: d V d e n i1 c z e i0 i ziev k T Tarkastellaan ratkaisua kahdessa yksinkertaisessa geometriassa: Kaksi negat. varattua tasoa Vain vastaionit liuoksessa Yksi negat. varattu taso Yksiarvoinen suola liuoksessa = 0 = 0

Kaksi samanlaista negatiivisesti varattua tasoa vastaionit: P: d V d Valitaan potentiaalin V = V () taso: V 0 = V (0) = 0 e i1 i0 ziev k T Varaustiheys kohdassa = 0: n c z e i (0) = 0 (= c 0 z) = 0 Nyt Poissonoltzmann: zev ( ) d V ( ) ( ) 0 kt e d Oletetaan neste isotrooppiseksi: = vakio

Kaksi negatiivisesti varattua tasoa vastaionit (jatkuu): Reunaehdot: Symmetria: dv d 0 0 Elektroneutraalisuus: = 0 D D i 0 0 dv d d dv d s s d, s surface dv Es d Poisson:

Kaksi negatiivisesti varattua tasoa vastaionit (jatkuu): ( ) e 0 zev ( ) k T Käytetään P: dv d ze dv d V zev ( ) k T d ze dv 0 e d k T d d ze d dv kt d d Integroidaan puolittain: d ze d dv d d k T d d 0 0 0 d k T d d 0 e zev k T ze dv dv 0 0 k T d d 0 s 0 = 0 d ze dv ze k T d k T

Kaksi negatiivisesti varattua tasoa vastaionit: P ratkaisu: P: dv d 0 e zev k T k T kt ze ( ze) c V( ) ln(cos ), missä D D 0 Debyepituus kt ( ) e 0 zev cos 0 D ½D = 0 ½D Kun pintojen välinen etäisyys D ja pintavaraus tunnetaan, voidaan potentiaali V ja varausjakauma laskea

Yksi negatiivisesti varattu pinta liuennut suola: 14 P: d V d i0 Valitaan potentiaalin taso: e n i1 c z e i ziev k T V () = 0 ja V (0) = V 0 Reunaehto: = 0 Suolapitoisuus c () = c 0 Dissosioituneiden ionien osuus pieni verrattuna suolaan voidaan jättää huomioimatta n ziev d V e kt dv ci0zie d i1 d dv d V dv e d d d Integroitavissa puolittain n i1 c z e i0 i ziev k T

d dv dv d V d d d d Integroidaan puolittain käyttäen integrointirajoina ja : n ziev n dv d V dv e k T kt d i 0 i i 0 i1 i1 c z e c e d d d d ziev k T n ziev ( ) ziev ( ) ( ) ( ) dv dv kt kt kt ci 0 e e d d i1 n ziev ( ) ( ) dv kt kt ci 0 e 1 d i1 Tarkastellaan symmetristä suolaa, esim. NaCl, z = 1 ev ( ) ev ( ) dv ( ) kt c kt 0 kt i e e d Vasemmman puolen etumerkki riippuu pintavarauksesta

Negatiiviselle pintavaraukselle: ev ( ) ev ( ) ( ) dv k Tci0 kt kt e e d ev ( ) ev ( ) dv ( ) k Tci0 kt kt e e d dv ( ) k Tc ev ( ) d kt i0 sinh e e e e a a a a Tämä voidaan integroida D kt 1 e ev0 V( ) ln, missä =tanh e kt 1 e D Debyepituus kt D ( z e) c i i V 0 on potentiaali varautuneella pinnalla Tämä tunnetaan GouyChapman teoriana 0

Pintavaraukselle (1:1 suola): 17 0 0 d V dv (0) ( ) d d d d ev0 ktci0 sinh kt GouyChapman: D kt 1 e ev0 e kt V( ) ln, missä =tanh D 1 e D kt ( z e) c i i 0 Pienillä potentiaaleilla linearisointi: sinh (DebyeHückel teoria) Debyepituus ev ev ev D Jos 1 sinh V ( ) V e k T k T k T 0 kt V e = 5 mv huoneenlämmössä

Ionimäärän (suolan) lisäys ohentaa diffuusin varauskerroksen paksuutta: pintavarauksen varjostus jo pinnan lähellä Samanmerkkisesti varautuneet kalvot: Repulsio diffuusin varauspilven päällekkäisyydestä Osmoottinen paine Vastakkaismerkkisesti varautuneet kalvot: Vastaionien poistuminen: entropia kasvaa, F laskee, attraktio Eivät kompleksoidu vaan liikkuvat vapaasti

DebyeHückel teoria liuenneille ioneille 19 100 mm NaCl liuoksessa osmolaarisuus 187 mm Mistä epäideaalisuus? Oletukset: Keskusioni vastakkaismerkkisen varausjakauman ympäröimä: keskimääräinen kenttä Ioniioni attraktio ~ 1/r Terminen energia Liuotin dielektrinen kontinuumi Ioniliuotin vuorovaikutuksia ei huomioida V(r) Poissonoltzmann varausjakauma

DebyeHückel teoria liuenneille ioneille 0 Pallosymmetrinen Poissonoltzmann: 1 d r dr r dv e dr i 0i ziev k T Matalilla potentiaaleilla zev << kt linearisointi: ziev kt i 0ie 0i 0i i i i i 0 ziev kt c z e V r dr dr k T 1 d dv 0i i 1 r i D ra D q e V() r 4 a r(1 ) D elektroneutraalisuus V q z ec i i i 1 Keskusionin säde = a D V(r) ionin säde = a varausjakauma

Veden ominaisuudet (vähän kertaustakin) Vesi polaarinen molekyyli Happi elektronegatiivinen negat. varausta hapella, posit. vedyillä dipolimomentti Vesi polaroituva väliaine Ulkoinen sähkökenttä kääntää molekyylejä Vetyioni = protoni: pieni! Vesi pystyy muodostamaan vetysidoksia

Vesimolekyylien väliset voimat huomattavia Jää: säännöllinen kiderakenne 4 vetysidosta/molekyyli Vesi: osittain järjestynyt rakenne Keskimäärin 3,4 vetysidosta/molekyyli Vetysidokset katkeavat ja syntyvät jatkuvasti kuvat 1 ps välein

Makromolekyylien väliset vuorovaikutukset, veden entropia:

Vesi tuomassa vetysidoksia makromolekyylien sisällä:

Veden ja ionien välinen vuorovaikutus: Ionit vaikuttavat veteen; vesi ioneihin Liukeneminen: solvaatio (vedessä hydraatio) Epäorgaaniset ionit: Sähköstaattinen vuorovaikutus Orgaaniset ionit: Sähköstaattinen vuorovaikutus ja vetysidokset Primäärihydraatioalue: Ionin sähkökenttä määrää vesimolekyylien orientaation Sekundäärihydraatioalue: Ionin sähkökenttä ei jaksa orientoida vesimolekyylejä, mutta hajottaa vetysidosrakenteen bulkkivesi Vesimolekyyleihin merkityt nuolet osoittavat dipolimomentin suuntaan Sekundäärihydraatioalue Primäärihydraatioalue

Ionit vedessä vaikuttavat: entropiaan dielektrisyysvakioon lämpökapasiteettiin tilavuuteen kompressibiliteettiin Kullakin ionilajilla oma kontribuutionsa Ionivesi vuorovaikutus riippuu etäisyydestä mistä ionikoon estimaatti? Oikean ionikoon käytöllä merkitystä: Hydraatio Permeaatio Ioniselektiivisyys Ionikoon estimaatin saanti eitriviaalia: Neutraalit atomit kiteestä helposti: Riippuvat ionivesi vuorovaikutuksesta Identtiset atomit vierekkäin kiteessä (esim. O); jaetaan etäisyys :lla muut at. Ionit: esim. röntgendiffraktio NaClkiteestä NaCletäisyys.814 Å (18 ºC); mikä osuus Na, Cl

Hydraatiosäteelle estimaatti johtavuusmittauksilla: Approksimaatiot: Hydratoitunut ioni makroskooppinen pallo Ympäröivä vesi muodostaa kontinuumin Ei rakennetta Voidaan kuvata viskositeetilla Ionien ajo sähkökentällä, virtamittaus F qe 6 rv Veden vaihtonopeus ionin ympärillä Riippuu ionisäteestä Pieni ionisäde voimakas sähkökenttä Suuri ionisäde heikko sähkökenttä Kun suurempi kuin H OH O vaihtotaajuus: Veden rakennetta hajottavat ionit Kun pienempi kuin H OH O vaihtotaajuus: Veden rakennetta lisäävät ionit

Hydraatiovaippa dynaaminen Vaihtotaajuus > 10 8 s 1 fysiologisille ioneille (paitsi Mg, jolle ~ 10 5 s 1 ) H OH O vaihtotaajuus ~ 10 11 s 1 Veden vaihtotaajuus merkitsevä esim. ionikanavapermeaation kannalta, samoin hydraatiosäde

9

Hydrofobinen vuorovaikutus: Entrooppinen Vedellä 6 mahdollista orientaatiota vetysidosverkossa Kun yksi vetysidos poistuu, vain 3 mahd. orientaatiota S k ln3 k ln 6 hydrophobic k ln

iomolekyylien väliset vuorovaikutukset vedessä: