Oddziaływanie elektrostatyczne opisane prawem Culomba. q - ładunek elektryczny r -odległość pomiędzy ładunkami ε -stała dielektryczna środowiska

Transkrypt

1 Oddziaływania jonowe Oddziaływanie elektrostatyczne opisane prawem Culomba F = q1q 4πεr 2 2 q - ładunek elektryczny r -odległość pomiędzy ładunkami ε -stała dielektryczna środowiska zachodzi pomiędzy atomami i cząsteczkami posiadającymi ładunek elektryczny

2 rozpuszczanie NaCl w wodzie oddziaływanie pomiędzy jonami a wodą

3 Oddziaływania elektrostatyczne czyli wiązanie jonowe. Energia Siła U ( r) = q1q2 4πε 0 εr F = Q1Q 2 4πε εr 0 2 F siła przyciągania lub odpychania pomiędzy ładunkami w newtonach, Q 1 i Q 2 ładunki elektryczne cząsteczek w kulombach, ε stała dielektryczna środowiska w którym zachodzi oddziaływanie, ε 0 stała dielektryczna próżni C 2 N -1 m -2, r odległość pomiędzy cząsteczkami w metrach. Ma charakter sferyczny czyli jest izotropowe. Oznacza to, że żaden kierunek przestrzeni nie jest wyróżniony. O wartości siły lub energii decyduje wyłącznie odległość pomiędzy ładunkami a nie kierunek.

4 Wykres zależno ności energii od odległości pomiędzy atomami Proces wzajemnego przyciągania co prowadzi do wzrostu energii, sytuacja 2. Odległość między jonami zmniejsza się coraz bardziej i jednocześnie rośnie energia potencjalna układu, sytuacja 3. Proces ten zachodzi tak długo dopóki nie zaczną się odpychać chmury elektronowe obydwu jonów. Oznacza to, że dla pewnej określonej odległości pomiędzy jonami ustala się stan równowagi, sytuacja

5 stała dielektryczna ośrodka ε Dla powietrz możemy przyjąć, że wynosi ona około 1. Dla wody stała ta wynosi 80. Oznacza to, że w wodzie siły oddziaływania elektrostatycznego zmniejszą się 80 razy co prowadzi w przypadku soli NaCl do jej dysocjacji elektrolitycznej czyli sól się w wodzie rozpuści czyli jony sodu i chloru występują osobno gdyż siła oddziaływania elektrostatycznego jest mniejsza od sił związanych z chaotycznym ruchem termicznym. Atomy kryształu soli przechodzą do wody i otrzymujemy roztwór soli. F = Q1Q 2 4πε εr 0 2 sól rozpuszcza się sól NaCl woda kryształ soli cząsteczka soli

6 S t r u k t u r a Struktura molekularna DNA

7 Zjawisko kondensacji DNA Zjawisko to zachodzi w obecności dodatnich jonów wielowartościowych i powoduje, że z długiej nici powstaje uporządkowana struktura toriodalna. DNA musi liczyć więcej niż 400 bp (base par) i zostanie zneutralizowane około 90% ujemnego ładunku pochodzącego od reszt fosforanowych. Stopień kondensacji objętości struktury jest rzędu Zjawisko to jest odwracalne tzn. po usunięciu jonów DNA przyjmuje swoją nitkowatą strukturę. Mechanizm fizyczny tego procesu polega na tym, że kationy albo zmniejszają odpychanie pomiędzy segmentami DNA ( neutralizują ładunki grupy fosforanowej lub powodują reorientacje dipoli wody w pobliżu powierzchni DNA) lub też zmieniają energię oddziaływania, np. dodanie etanolu. Dodane jony muszą być +3 lub więcej, na przykład Co(NH 3 ) +3 lub polianiony.

8

9 Moment dipolowy, µ Elektrony w atomie czy cząsteczce nie są rozłożone one równomiernier wnomiernie. Prowadzi to do pojawienia się nadmiaru ładunku w jednym miejscu z jednoczesnym niedoborem tego ładunku w innym miejscu. Rozkład natężenia pole elektrostatycznego w cząsteczce wody Do opisu rozkładu ładunku elektrycznego w cząsteczce wprowadzono wielkość zwana momentem dipolowym µ zdefiniowanym jako iloczyn odległości d pomiędzy dodatnim i ujemnym ładunkiem q. Powstałe różnice w rozkładzie ładunku są między innymi źródłem oddziaływań elektrostatycznych w cząsteczkach.

10 Moment dipolowy, µ Moment dipolowy jest wektorem gdyż odległość jest wektorem. Oznacza to, że dla molekuły w kartezjańskim układzie współrzędnych należy podać trzy składowe wektora momentu dipolowego a wartość momentu dipolowego obliczamy ze wzoru: µ = q d [D] q ładunek d odległość D -debaj µ = µ x + µ y µ z gdzie µ x, µ y, µ z składowe wektora momentu dipolowego wzdłuż osi x,y,z. Gdy ładunek jest wyrażony jako esu a odległość w cm to jednostką momentu dipolowego jest debaj D.

11 Wiązania atomowe wykazują kierunkowość, która wynika z rozkładu elektronowego w danym atomie. Wiązanie może mieć charakter podwójny lub nawet potrójny co oznacza, że w danym kierunku pomiędzy atomami występuje jednoczesne oddziaływanie pomiędzy dwoma lub trzema parami elektronów. Niesie to za sobą zmianę takich właściwości jak skrócenie długości wiązania czy też ograniczenie ruchliwości wokół danego wiązania. W każdym innym przypadku ze względu na różne średnice atomów lub ze względu na różne ilości elektronów walencyjnych i związaną z tym polaryzację pojawia się udział oddziaływania elektrostatycznego czyli jonowego.

12 Oddziaływania hydrofobowe Oddziaływanie z cząsteczkami niepolarnymi Cząsteczki niepolarne są nierozpuszczalne w wodzie i w małych ilościach tworzą plamy np. plama oleju na wodzie Cząsteczka oktanu nie posiada momentu dipolowego przez co woda jej nie lubi i taka cząsteczka jest przez wodę odpychana. Ten typ oddziaływania nazywamy: oddziaływaniem hydrofobowym Tworzą je oddziaływania pomiędzy indukowanymi dipolami elektrycznymi (van der Waalsa) + elektrostatyczne

13 Cząsteczki amfifilowe charakteryzują się obecnością dwóch grup hydrofilowej- jonowej i polarnej hydrofobowej- niepolarnej fosfatydylocholina warstwa monomolekularna micela membrana

14 Membrany lipidowe liposom fosfolipidy

15 Oddziaływania hydrofobowe w białkach Oddziaływania hydrofobowe są odpowiedzialne za: strukturę drugorzędową działanie enzymów powstawanie kanałów w błonie denaturacja i wiele innych procesów... poryna Na niebiesko oznaczono aminokwasy hydro fobowe a na czerwono aminokwasy posiadające ładunek elektryczny

16 Apertura numeryczna

17 Wybór kombinacji okular/obiektyw w celu otrzymania optymalnego powiększenia obiektu. Powiększenie 250x można otrzymać przez kombinacje 25x okular / 10x obiektyw lub 10x okular / 25x obiektyw Obiektyw 25x ma większą aperturę numeryczna (0.65) niż obiektyw 10x (0.25) Apertura numeryczna definiuje rozdzielczość obiektywu wobec tego drugi wybór jest lepszy Pierwszy przypadek prowadzi do tzw. pustego powiększenia i zmniejszenia rozdzielczości Rozdzielczość kątowa oka wynosi około 2 min co przy odległości czopków w oku ok.. 5 µm Daje liniową rozdzielczość około 0.15 mm

18 Fale elektromagnetyczne Wektor pola magnetycznego Wektor pola elektrycznego

19 Zakresy promieniowania ultrafiolet gamma rentgenowskie ultrafiolet światło widzialne podczerwień mikrofale TV AM/FM podczerwień fale radiowe

20 Podział fal elektromagnetycznych Promieniowanie X Fale wolnozmiennesieci przesyłowe Fale radiowe i TV okresowe zmiany kierunku i prędkości grup elektronów Ultrafiolet Promieniowanie gamma -powstaje w wyniku przemian jądrowych Podczerwień Widzialne Mikrofale Przejścia elektronów pomiędzy orbitami

21 Mechanizmy molekularne widma absorpcji i emisji Diagram Jabłońskiego

22 Widmo absorpcji i emisji chlorofilu

23 Wykorzystanie fluorescencji chlorofilu do śledzenia fitoplanktonu

24 Metody polaryzacji światła Dwójłomność Światło spolaryzowane w prostopadłych płaszczyznach wykazuje różne współczynniki załamania. Jest to dwójłomność. Odpowiednia konstrukcja pryzmatu pozwala na eliminację jednego z kierunków dzięki zastosowaniu zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia. Rozpraszanie Molekuły zachowują się jak dipole i rozpraszają energię wzdłuż osi dipola

25 Odbicie pod kątem Brewstera Współczynniki odbicia są różne dla obydwu polaryzacji Gdy światło pada pod kątem Brewstera to światło odbite jest liniowo spolaryzowane gdyż dla tego kąta wspł. odbicia składowej II wynosi zero

26 Praktyczne aspekty zjawiska rozpraszania światła Rozpraszanie Rayleigha silnie zależy od długości fali Natężenie rozproszenia przy 400 nm /niebieskie/ jest ok. 10 razy silniejsze niż przy 700 nm /czerwone/ Dlatego niebo jest niebieskie Przy oświetleniu z góry dominuje rozpraszanie Rayleigha, natężenie zależne od długości fali Położenie horyzontalne dominuje składowa rozpraszania Mie skierowana do przodu, która nie wykazuje silnej zależności od długości fali. Obserwujemy poświatę wokół Słońca

27 Ochrona przed promieniowaniem niejonizującym UVA nm pigmentacja skóry UVB nm rumień, synteza witaminy D UVC nm bakteriobójczy i mutagenny Pochłanianie promieniowania -odpowiednie widmo absorpcji -rozpraszanie zaabsorbowanej energii /zamiana na ciepło/ Odbicie lub rozproszenie padającego promieniowania aby nie doszło do jego absorpcji Dezaktywacja powstających wolnych rodników podczas naświetlania, procesy fotosensybilizacji. Inhibicja procesów fotoutleniania

28 Podczas przechodzenia wiązki światła przez roztwory można zaobserwować kilka procesów mających wpływ na pochłanianie światła w próbce. - pochłanianie światła przez roztwór I a - rozproszenie światła (do przodu) w kierunku jego przechodzenia I rp -rozproszenie światła do tyłu I b -rozproszenie światła na boki I r -część światła ulega odbiciu na granicy środowisk powietrze-szkło oraz szkło-woda I n -część światła przechodzi przez roztwór I t I b I r I rp I a I 0 I t I r

29 Zjawisku absorpcji powoduje osłabienie natężenia światła monochromatycznego przechodzącego przez badany ośrodek. Dla roztworów o niewielkim stężeniu współczynnik absorpcji k jest proporcjonalny do stężenia c. Jest to prawo Beera, które zapisujemy wzorem k = ε c gdzie ε to współczynnik ekstynkcji, wartość charakterystyczna dla danego roztworu Dla roztworów jednorodnych dla których współczynnik absorpcji k nie zależy od położenia natężenie światła wychodzącego I t z próbki o grubości d wynosi co stanowi treść prawa Lamberta. I t = I 0 exp (-kd) Łącząc obydwie zależności otrzymujemy prawo Lamberta-Beera w postaci wzoru I = I 0 exp (-εcd)

30 -di = I 0 ε c dx zmiana natężenia di na grubości dx x I t di = εc I I 0 l 0 dx I t = I 0 exp(-εcl cl) I 0 I I -di I t Po zlogarytmowaniu wyrażenia oraz pomnożeniu przez ( 1) otrzymamy wyrażenie na absorbancję A I dx l ln I I 0 t = εcl A = εcl absorbancja A = - log T T = 10 -A T - transmisja