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

782630S Pintakemia I, 3 op

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

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

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

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

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

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

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

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit


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

Nesteen sisäinen kitka ja diffuusio

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

8. Chemical Forces and self-assembly

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

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Sähköstaattinen energia

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

Sähköstaattinen energia

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Massaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus

Ionisidos ja ionihila:

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

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

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

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

12. Eristeet Vapaa atomi

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

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

Kemiallinen reaktio

Seoksen pitoisuuslaskuja

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

VESI JA VESILIUOKSET

Biofysiikka, Luento

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

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Massaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus

BECS-C2101 Biofysiikka

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

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

1. Malmista metalliksi

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

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

2 Eristeet. 2.1 Polarisoituma

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

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

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

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

DEE Sähkötekniikan perusteet

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

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

Sähköstaattinen energia

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

Potentiaali ja potentiaalienergia

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Stanislav Rusak CASIMIRIN ILMIÖ

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

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

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

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

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,

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

Siirtymämetallien erityisominaisuuksia

8. Chemical Forces and self-assembly

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

JÄÄTYMISPISTEEN ALENEMA Johdanto. 2 Termodynaaminen tausta

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

Luku Sähköinen polarisoituma

Chapter 4. Random Walks, Friction and Diffusion

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto

L10 Polyelektrolyytit pinnalla

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

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

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

4. Gaussin laki. (15.4)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Alikuoret eli orbitaalit

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Transkriptio:

Luento 9 11.3.016 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 Negat. pintavaraus Ylimäärin posit. varausta pinnan lähellä

5 Solujen makromolekyylit Attraktiivisia vuorovaikutuksia (mm. van der Waals, tyhjennysvv.) Negatiivisesti varautuneita (netto) repulsiivinen vv. Sähköstaattisilla vuorovaikutuksilla lyhyt kantama soluissa Vastaionivarjostus Makroionit vuorovaikuttavat vain lyhyillä etäisyyksillä Lähivuorovaikutus molekyylin pinnan muoto ja 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 ( ) ( ) E( 1 ) da q( ) da q( ) da d q Gaussin laki 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 ( ) dv q Poissonyhtälö Oletetaan, että ionit liikkuvat toisistaan riippumattomasti keskimääräisessä potentiaalikentässä V() : ziev ( ) kpl ci( ) ci0 e [ c] 3 m ( ) z ec ( ) z ec e i i i i i 0 dv i ze i ci0e ziev ( ) ziev ( ) 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 e n i1 c z e i0 i ziev 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 e n i1 c z e i0 i ziev Valitaan potentiaalin V = V () taso: V 0 = V (0) = 0 Varaustiheys kohdassa = 0: (0) = 0 (= c 0 z) Nyt Poissonoltzmann: zev ( ) d V ( ) ( ) 0 kt e Oletetaan neste isotrooppiseksi: = vakio = 0

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

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

Kaksi negatiivisesti varattua tasoa vastaionit: P ratkaisu: P: dv 0 e zev V( ) ln(cos ), missä D ze D kt ( ze) 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 Valitaan potentiaalin taso: e n i1 c z e i0 i ziev V () = 0 ja V (0) = V 0 Reunaehto: = 0 Suolapitoisuus c () = c 0 Dissosioituneiden ionien osuus pieni verrattuna suolaan voidaan jättää huomioimatta

Varausjakauma etäisyydellä pinnasta: n n ziev ( ) di zie kt dv dv d V i 0 e i1 i1 kt kt d dv Integroidaan puolittain: P: d V e n i1 c z e i0 i ziev n n n d d dv n i i i i1 i1 i1 n i i i1 i1 dv dv 0 dv kt

Esim. NaCl (tästä eteenpäin ionien varausluvut sijoitettu) n c n dv c i i i1 i1 kt Pinnalla: n n n dv c c c is i 0 i 0 i1 i1 s i1 evs evs Na e Cl e Na Cl 0 0 0 0 kt Nesteessä: d V e n i1 c z e i0 ziev ( ) ev dv ec 0 kt e i ev kt ec0 ev e sinh kt

Esim. NaCl (tästä eteenpäin ionien varausluvut sijoitettu) 17 d V e d V n i1 c z e i0 ziev ( ) ev ev 0 ec0 e e i ec sinh D kt 1 e ev 0 V( ) ln, missä =tanh e kt 1 e D ev = 0 D kt ( z e) c i i 0 Tämä tunnetaan GouyChapman teoriana Debyepituus Pienillä potentiaaleilla linearisointi: sinh (DebyeHückel teoria) Debyepituus ev ev ev D Jos 1 sinh V ( ) V e 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 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 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 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 kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet: Poikkeuksellinen aine 5...1 atomia, kullakin molekyylillä 10 elektronia

Veden sähkönjohtavuus

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 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 ionikanavapermeaation kannalta, samoin hydraatiosäde

31

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: