Farmasian yleinen ja epäorgaaninen kemia PDF
Document Details
Uploaded by HumaneDragon
University of Eastern Finland
Pekka Jarho
Tags
Summary
This document is a lecture on general and inorganic chemistry for pharmacy students at the University of Eastern Finland given by Pekka Jarho. It covers topics such as stoichiometry, reaction equations, calculations, titration, and spectrophotometry.
Full Transcript
Farmasian yleinen ja epäorgaaninen kemia Pekka Jarho UEF // University of Eastern Finland FAKE – luento 4 Sisältö: - Stoikiometria - Reaktioyhtälö - Laskut - Titraus - Spektrofotometria UEF // University of Eastern Finland 2 Reaktioyhtälö Reaktioyhtälö on...
Farmasian yleinen ja epäorgaaninen kemia Pekka Jarho UEF // University of Eastern Finland FAKE – luento 4 Sisältö: - Stoikiometria - Reaktioyhtälö - Laskut - Titraus - Spektrofotometria UEF // University of Eastern Finland 2 Reaktioyhtälö Reaktioyhtälö on lyhennetty esitys siitä mitä kemiallisessa reaktiossa tapahtuu. Siitä ilmenee mitkä aineet reagoivat keskenään ja mitä reaktiotuotteita syntyy. Reaktioyhtälön vasemmalla puolella olevia keskenään reagoivia aineita sanotaan lähtöaineiksi ja oikealla puolella olevia reaktion lopputuloksia reaktiotuotteiksi. Lähtöaineet ja reaktiotuotteet erotetaan yksinkertaisella nuolella, joka osoittaa reaktion kulkusuunnan. Usein käytetään vastakkaisiin suuntiin osoittavaa nuoliparia (tasapainoreaktiot), koska reaktiot voivat kulkea molempiin suuntiin olosuhteista riippuen. Kemiallisten symbolien edessä olevat kertoimet ilmaisevat reaktiossa esiintyvien alkuaineiden suhteelliset määrät. UEF // University of Eastern Finland 3 Reaktioyhtälö Jotta reaktioyhtälö on kirjoitettu oikein, sen tulee täyttää seuraavat vaatimukset: – Yhtälön tulee olla yhtä kokeellisten tosiseikkojen kanssa. – Yhtälön tulee tyydyttää massan säilymisen laki. Tämä merkitsee, että reaktioyhtälön kummallakin puolella tulee esiintyä yhtä monta kunkin alkuaineen atomia. – Alkuaineet eivät muutu reaktiossa toiseksi alkuaineeksi eli ei tapahdu ydinreaktioita. – Sähkövarausten summien tulee olla kummallakin puolella yhtälöä yhtä suuret. – Hapetus-pelkistysreaktioissa tulee luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrät olla yhtä suuret. – Kirjoitetaan pienimmät mahdolliset määrät aineita, yleensä kuitenkin niin, että kertoimista tulee kokonaislukuja. Tarvittaessa voidaan reaktioon osallistuvien aineiden fysikaalinen olotila osoittaa käyttäen seuraavia symboleja: – g (gaseous) kaasu – l (liquid) neste – s (solid) kiinteä aine – c (crystalline) kiteinen aine – aq (aqueous) vesiliuos UEF // University of Eastern Finland 4 Reaktioyhtälö Reaktioyhtälön tasapainotus Esimerkiksi etaanin (C2H6) palaminen hiilidioksidiksi ja vedeksi 1. Alkuyhtälö: C2H6 + O2 CO2 + H2O 2. Hiiliatomien tasapainottaminen: C2H6 + O2 2 CO2 + H2O 3. Vetyatomien tasapainottaminen: C2H6 + O2 2 CO2 + 3 H2O 4. Happiatomien tasapainottaminen C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O 5. Kertoimet kokonaisluvuiksi: 2 C2H6 + 7 O2 4 CO2 +6 H2O UEF // University of Eastern Finland 5 Stoikiometriset laskut Stoikiometrisissä laskuissa lukuunottamatta tasapainoreaktioita tehdään kaksi tärkeää olettamusta: – Reaktiossa lähtöaineet muuttuvat täydellisesti reaktiotuotteiksi. – Ei esiinny mitään sivureaktioita, jotka tuottaisivat muita kuin reaktioyhtälön mukaisia reaktiotuotteita. Esimerkki 1: Kuinka monta kiloa vettä muodostuu, kun 1,0 kg etanolia palaa? Reaktioyhtälö: C2H5OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O UEF // University of Eastern Finland 6 Stoikiometriset laskut C2H5OH m (C2H5OH) = 1,0 kg = 1000 g M (C2H5OH) = 46,07 g/mol n = m/M = 1000 g / 46,07 g/mol = 21,71 mol H2O n (H2O) = 3 x n (C2H5OH) = 65,12 mol M (H2O) = 18,02 g/mol m = n x M = 65,12 mol x 18,02 g/mol = 1173,5 g = 1,2 kg UEF // University of Eastern Finland 7 Esimerkki 2 Kaliumkloraatin (M = 122,6 g/mol) hajotessa muodostuu kaliumkloridia ja happea seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti. Kuinka paljon happea muodostuu kun 15 g kaliumkloraattia hajoaa? 2 KClO3 2 KCl + 3 O2 KClO3 m = 15 g M = 122,6 g/mol n = m/M = 15 g / 122,6 g/mol = 0,122 mol O2 n = 3/2 x 0,122 mol = 0,184 mol M = 32,0 g/mol m = n x M = 0,184 mol x 32,0 g/mol = 5,9 g UEF // University of Eastern Finland 8 Titraus Mitta-analyysi, eli titrausanalyysi on edelleen keskeinen analyysimenetelmä, jonka etuina on: – Välineiden yksinkertaisuus ja helppo käyttö – Suorituksen nopeus ja halpa hinta – Tulosten hyvä toistettavuus Titrauksessa tutkittava yhdiste reagoi mittaliuoksen kanssa, jota lisätään tunnetun vahvuisena liuoksena byretistä määritettävään liuokseen. Titrauksen loppukohta havaitaan usein värinmuutoksena erilaisten indikaattoriaineiden avulla ja mittaliuoksen kulutus voidaan tämän jälkeen lukea byretin mitta-asteikolta. Kun mittaliuoksen pitoisuus tiedetään ja reaktio tutkittavan yhdisteen ja mittaliuoksen välillä tunnetaan, voidaan lopuksi laskea tutkittavan yhdisteen määrä näytteessä. UEF // University of Eastern Finland 9 Titraus Titraukseen liittyvää sanastoa: Byretti = mitta-asteikolla varustettu ”putki”, jolla titraus suoritetaan. Mittaliuos = byretissä oleva liuos, jonka tarkka konsentraatio tiedetään. Tiitteri = mittaliuoksen tarkka pitoisuus. Ekvivalenttikohta = mittaliuoksen kulutus, joka vastaa määritettävän yhdisteen määrää. Indikaattori: yhdiste, jonka avulla ekvivalenttikohta pystytään määrittämään. UEF // University of Eastern Finland 10 Esimerkki 1 (happo-emäs titraus) Ongelma: Meillä on liuos, jossa on HCl:a ja haluaisimme tietää, kuinka paljon HCl liuoksessa on ? Ratkaisu: Tuntematon HCl liuos titrataan esim 0.1 M NaOH liuoksella siihen asti, että kaikki HCl molekyylit ovat reagoineet NaOH molekyylien kanssa. Reaktio: HCl + NaOH → Na+ + Cl- + H2O UEF // University of Eastern Finland 11 Esimerkki 1 (happo-emäs titraus) Liuokseen on lisätty indikaattoriksi muutama tippa fenoliftaleiinia, joka on happamassa pH:ssa väritön aine, mutta muuttuu emäksisessä ympäristössä punaiseksi. Toinen mahdollisuus on, että seuraamme liuoksen pH:ta pH-mittarilla. UEF // University of Eastern Finland 12 Esimerkki 1 (happo-emäs titraus) Kun katsotaan edellisen sivun titrauskäyrää havaitaan seuraavaa: – Aluksi titrattavassa liuoksessa on pelkästään suolahappoa, joten sen pH on erittäin matala. – Lisättäessä liuokseen natriumhydroksidia on liuoksessa ennen ekvivalenttikohtaa ylimäärä suolahappoa ja liuoksen pH nousee vain hitaasti. – Pisteessä, jossa kaikki suolahappo on liuoksessa neutraloitu muuttuu liuoksen pH nopeasti voimakkaan emäksiseksi, koska liuokseen tulee ylimäärin natriumhydroksidia. – Pistettä, jossa lisätyn natriumhydroksidin määrä vastaa liuoksessa alun perin ollutta HCl:n määrää kutsutaan ekvivalenttipisteeksi. – pH-mittarilla määritetyssä kuvaajassa ekvivalenttipiste on nousevan vaiheen keskikohta. – Fenoliftaleiinilla ekvivalenttipiste on kohta, jossa liuoksen väri vaihtuu. UEF // University of Eastern Finland 13 Esimerkki 1 (happo-emäs titraus) HCl + NaOH → Na+ + Cl- + H2O NaOH – Mittaliuoksen kulutus 30,0 ml = 0.030 l – Mittaliuoksen konsentraatio = 0.1 mol/l – n = c x V = 0.1 mol/l x 0.03 l = 0.003 mol HCl – Moolimäärä = 0.003 mol – Moolimassa = 36,45 g/mol – m = n x M = 0.003 mol x 36.45 g/mol = 0,109 g = 109 mg UEF // University of Eastern Finland 14 Esimerkki 2 (hapetus-pelkistys titraus) Titraat tuntematonta vetyperoksidiliuosta 0,02 M kaliumpermanganaattiliuoksella ja mittaliuoksen kulutus on 25.0 ml. Paljonko tutkittavassa liuoksessa on vetyperoksidia ? 2 MnO4- + 5 H2O2 + 6 H+ 2 Mn2+ + 8 H2O + 5 O2 Vastaus: V = 25.0 ml = 0,025 l c = 0,02 mol/l n (KMnO4) = c x V = 0,02 mol/l x 0,025 l = 5.0 x 10-4 mol UEF // University of Eastern Finland 15 Esimerkki 2 (hapetus-pelkistys titraus) Reaktioyhtälöstä nähdään, että 2 moolia permanganaatti-ioneja kuluttaa 5 moolia vetyperoksidia, eli vetyperoksidin moolimäärän pitää olla 5/2 kertaa suurempi kuin kaliumpermanganaatin moolimäärä. n (H2O2) = 5/2 x 5.0 x 10-4 mol = 1.25 x 10-3 mol M (H2O2) = 34,01 g/mol m = n x M = 1,25 x 10-3 mol x 34,01 g/mol = 0,0425 g = 42,5 mg Kaliumpermanganaatilla tehtävät titraukset kuuluvat hapetuspelkistys- titrauksiin ja niissä ekvivalenttikohta nähdään siitä, kun kaliumpermanganaatin violetti väri jää ensimmäisen kerran titrattavaan liuokseen. Mangaanin pelkistyessä Mn2+-ioniksi, sen väri häviää. KMnO4-liuoksen värin jäädessä liuokseen tiedetään, että kaikki vetyperoksidi on hapettunut, koska reaktio ei enää tapahdu. UEF // University of Eastern Finland 16 Spektrofotometria Spektrofotometria on analyysimenetelmä, jossa mitataan kemiallisiin yhdisteisiin absorboituvan ultravioletti- tai näkyvän säteilyn määrää ns. UV/Vis-spektrofotometriä apuna käyttäen. UV-aallonpituusalue käsittää aallonpituudet 200 – 380 nm ja näkyvänvalonalue aallonpituudet 380 – 780 nm. UV/VIS-spektrofotometria on luonnontieteellisessä tutkimuksessa erittäin käytetty analyysimenetelmä, jolla pystytään: – Tunnistamaan aineita – Määrittämään tunnettujen aineiden pitoisuuksia (kvantitatiivinen määritys). UEF // University of Eastern Finland 17 Spektrofotometria Aineiden tunnistaminen perustuu siihen, että spektrofotometrillä ”ajetaan” määritettävälle aineelle ns. UV-spektri. Eli käytännössä mitataan tutkittavan aineen absorptio kaikilla aallonpituuksilla UV- alueella. Koska eri aineiden UV-spektri riippuu sen kemiallisesta rakenteesta se on eri aineilla hieman erilainen, joten UV-spektriä voidaan käyttää aineen tunnistamisessa. ketoprofeeni UEF // University of Eastern Finland 18 Spektrofotometria Spektrofotometrejä käytetään kuitenkin erittäin usein myös tietyn ennalta tunnetun yhdisteen pitoisuusmäärityksissä. Näissä tapauksissa tutkimukset tehdään käyttäen ainoastaan yhtä aallonpituutta ja käytetyt laitteistot ovatkin sellaisia, että niillä pystyy mittaamaan kerrallaan ainoastaan yhdellä aallonpituudella (pöytäfotari). Mittausaallonpituus voidaan selvittää esimerkiksi kirjallisuudesta (aallonpituus, jolla tutkittava aine absorboi valoa hyvin) tai asia voidaan määrittää ajamalla aineesta UV-spektri laitteistolla, joka tähän pystyy. UEF // University of Eastern Finland 19 Spektrofotometria Spektrofotometrissä on deuteriumlampun, jonka valo ohjataan prismaan tai hilaan, joka hajottaa valon eri aallonpituuksiin. Prisman tai hilan asentoa muuttamalla saadaan alkuperäisen valon tietty aallonpituusalue suunnatuksi kapeaan rakoon. Tämän jälkeen valo menee kyvetissä olevan näytteen läpi. Lopuksi spektrofotometri rekisteröi kuinka paljon valon valon intensiteetti on laskenut kun se on mennyt näytteen läpi. UEF // University of Eastern Finland 20 UV/Vis-spektrofotometria Valon kulkua näytteen lävitse hallitaan matemaattisesti yhtälöllä: Io = Ir + Ia + I Missä: – Io = näytteeseen tuleva valo (o = original). – Ir = näytteestä heijastunut osa valoa (r= reflection). – Ia = näytteeseen absorboitunut osa valoa (a = absorbed). – I = näytteen lävitse mennyt osa valoa. UEF // University of Eastern Finland 21 UV/Vis-spektrofotometria Koska spektrofotometrissä on mahdollista vertailuliuosta käyttäen kompensoida heijastunut osa valoa (Ir), saadaan lopulliseksi yhtälöksi: Io = Ia + I Tästä syystä spektrofotometrisissä mittauksissa laite yleensä ”nollataan” ennen varsinaista määritystä pelkällä liuottimella, minkä jälkeen varsinainen näyte (sisältää esim. lääkeaineen) voidaan määrittää. UEF // University of Eastern Finland 22 Spektrofotometria Transmittanssi (T) on spektrofotometriaan liittyvä termi, joka kuva valon läpäisevyyttä, eli sitä kuinka paljon näytteen läpi menee valoa. Transmittanssi määritellään seuraavasti: T = I/I0 I = Läpimennyt valo I0 = Alkuperäinen valo Transmittanssi on siis näytteen läpimenneen valon suhde alkuperäiseen valoon ja se voi saada arvoja väliltä 0 – 1. – Arvo on nolla kun yhtään valoa ei mene näytteen läpi. – Arvo on yksi kun kaikki valo menee näytteen lävitse. Usein transmittanssi esitetään prosentteina, eli kerrotaan sadalla. UEF // University of Eastern Finland 23 Spektrofotometria Transmittanssin ongelma spektrofotometrisissä mittauksissa on, että transmittanssi saa arvon 100% kun näytteessä ei ole yhtään määritettävää ainetta. Vastaavasti kun määritettävää ainetta on paljon saa transmittanssi arvon nolla. Ongelmana myös on, että transmittanssi ei pienene lineaarisesti konsentraation kasvaessa. UEF // University of Eastern Finland 24 Spektrofotometria Tästä syystä spektrofotometrisissä määrityksissä käytetään yleensä suuretta absorbanssi (A), joka määritellään seuraavasti: A = - log T Absorbanssin hyvänä puolena verrattuna transmittanssiin on, että absorbanssi saa arvon nolla kun näytteessä ei ole yhtään määritettävää ainetta. Tämän lisäksi absorbanssi on suorassa lineaarisessa riippuvuussuhteessa määritettävän aineen konsentraatioon kyvetissä. UEF // University of Eastern Finland 25 Spektrofotometria UEF // University of Eastern Finland 26 Spektrofotometria Spektrofotometriassa lääkeaineen määrä tutkittavassa liuoksessa määritetään yleensä vertaamalla näytteen absorbanssia standardiliuosten antaman absorbanssin arvoihin. Yleensä tämä vertailu tehdään standardisuoran avulla. Standardisuora määritetään siten, että tutkittavan yhdisteen standardiaineesta valmistetaan laimennossarja (esimerkiksi 4 kpl laimennoksia). Tämän jälkeen kunkin liuoksen absorbanssin arvot mitataan ja ne esitetään liuoksen konsentraation funktiona. Tuloksena tällöin on suora (koska absorbanssi on lineaarisesti riippuvainen aineen konsentraatiosta), jonka yhtälö voidaan määrittää esimerkiksi Excel:llä. UEF // University of Eastern Finland 27 UV/Vis Spektrofotometria Amitriptyliini on psyykelääke, jolla on hyvä UV-absorptio alhaisilla aallonpituuksilla (maksimi 239 nm). Standardisuora amitriptyliinille määritetään valmistamalla amitriptyliinistä neljä standardiliuosta: 1 mg/ml, 4 mg/ml, 10 mg/ml ja 20 mg/ml. UEF // University of Eastern Finland 28 UV/Vis Spektrofotometria Tämän jälkeen mitataan liuosten absorbanssi spektrofotometrillä ja piirretään kuvaaja, jossa esitetään liuosten määritetty absorbanssi liuosten konsentraation funktiona. UEF // University of Eastern Finland 29 UV/Vis Spektrofotometria Tuntemattoman amitriptyliininäytteen konsentraatio voidaan määrittää kalibraatiosuoran avulla seuraavasti. Oletetaan, että tuntematon amitriptyliininäyte (esimerkiksi disso- luutiokokeessa) olisi antanut absorbanssin arvoksi 239 nm:ssä 0,538. Tällöin kyseinen absorbanssin arvo sijoitetaan standardisuoran yhtälöön seuraavasti. 0,538 = 0,0419X - 0,0087 Kun tästä yhtälöstä ratkaistaan X saadaan sen arvoksi 13,048. Eli amitriptyliinin pitoisuus tuntemattomassa näytteessä on 13,048 mg/ml. UEF // University of Eastern Finland 30 Yhteenveto Reaktioyhtälöistä (stoikiometria) näemme lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden ainemäärien suhteet, sekä voimme laskea esim. reagoivien aineiden ja reaktiotuotteiden massat. Reaktioyhtälön tulee tyydyttää massan säilymisen laki. Ainemäärän yksikkö mooli on keskeinen käsite stoikiometrisissä laskuissa. Titrauksessa tutkittava yhdiste reagoi tunnetulla tavalla reagenssin kanssa, jota lisätään tunnetun vahvuisena liuoksena tutkittavaan liuokseen. Spektrofotometria on analyysimenetelmä, jossa mitataan kemiallisiin yhdisteisiin absorboituvan ultravioletti- tai näkyvänvalon säteilyn määrää. Spektrofotometriassa lääkeaineen määrä tutkittavassa liuoksessa määritetään yleensä standardisuoran avulla. UEF // University of Eastern Finland 31