Mai ales: pubmed si site-ul Biophysical Society (biophysics/education)

1. Mai ales: pubmed si site-ul Biophysical Society (www.biophysics.org/education)

2. Subdomenii ale biofizicii: • Chimia biofizica • Bioelectrochimia • Fizica medicala este un domeniu interdisciplinar care isi are radacinile in biofizica

3. Structura moleculara a sistemelor biologice • Legaturi intramoleculare • Orice reprezentare a dinamici moleculelor si a structurilor supramoleculare trebuie sa inceapa cu atomul, organizarea energiilor pe nivele energetice si interactunile dintre atomi.

4. Ecuatia lui Schrodinger • Fundamentarea teoretica pe baza careia se obtin functiile de unda ale electronilor, probabilitatea de existenta a lor intr-o anumita regiune din spatiu.

5. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/schr.html

6. Energia electonilor si distributia lor in spatiu este descrisa de numerele cuantice. • Fiecare electron este reprezentat de patru numere cuantice • Numarul cuatic principal (n) conform modelului Bohr este numarul de ordine (“indexul”) stratului electronic • numarul 1 cel mai apropiat de nucleu. Valori posibile:1,2,3,4,.. • Numarul cuatic secundar sau azimutal (l) determina distrbutia sarcinii in spatiu. Valoarile sale posibile depind de n si pot fi l=0,1,2,3,… (n-1). • Exemplu n=2, l=0,1; Electroni s, p, d, f, g

7. Numarul cuantic magnetic (m) In modelul Bohr: miscarea electronului pe orbite eliptice creaza o bucla (“circulara” sau “elicoidala”) si in consecinta produce un cimp magnetic extern. m poate lua urmatoareel valori: m=-l, …0, …+l .De exemplu pentru n=2, l poate lua valorile 0,1 iar m poate fi -2,-1,0,+1,+2 Numarul cuantic de spin (s) Descrie directiile de rotatie ale electronului in jurul axei sale. Exista doua directii posibile: in sensul acelor de ceasornic si in sens contrar acelor. Aceste situatii sunt notate cu s=+1/2 si s=-1/2

8. Energia electronului nu depinde de numarul cuatic de spin Energia este DEGENERATA dupa numarul cuantic magnetic cu exceptia cazului in care exista un cimp magnetic

9. Postulatul (principiul) lui Pauli (1926) • Este imposibil sa exista doi electroni cu numere cuantice identice in acelasi atom Postulatul nu a fost invalidat pina in prezent

10. Atomul de hidrogen = - 2.18 10-18 J = - 13.6 eV m este masa electronului (m=9.109 10-31 kg) e este sarcina electronului (e=1.60218 10-19 C) h este constanta lui Plank (h=6.626 . 10-34 Js = 4.136 10-15 eV. s). ε0 Constanta electrica (permitivitatea dielectrica) =8.854 10-12 F/m (C V-1); factor de conversie de la variabile mecanice (lungime si forta) la variabile electrice (sarcina electrica)

11. Merita retinut! • 1 eV este energia unui electron la aplicarea unei diferente de potential de 1 V 1 eV= 1.6[02177] 10-19 J

12. Energia de valenta a electronului • Definitie: • Lucrul mecanic NECESAR pentru a indeparta electronul de pe “orbita”, impotriva fortei de atractie a nucleului, si a-l duce la distanta infinita. • Energie de ionizare: Indepartarea electronului duce la formarea unui ion

13. HY=EY • Functia de unda care descrie starea stationara a unui electron este denumita ORBITAL. • NOR ELECTRONIC: descriere mai adecvata a naturii statistice a distributiei electronului.

14. Orbitali sferici • Asa cum sunt cei ai hidrogenului au l=0 si m=0. Mai sunt denumiti si orbitali de tip s

15. n=2 • Numarul cuantic l ia valoarea 0 dar ocazional poate fi si 1. Forma orbitalilor corespunzatori este de sfera dubla. • Pozitionarea axelor este determinata de numerele m (-1,0,+1). Orbitalii corespunzatori sunt orbitali de tip p

16. Legaturi covalente. Orbitali moleculari • Datorita interactiunilor electromagnetice dintre electroni, nivele energetice ale moleculei pot mai scazute decat suma nivelelor energetice ale atomilor neperturbati Se formeaza o legatura chimica

17. Energia de legatura intramoleculara de legatura are citeva componente: • Energia cinetica a electronilor • Energia electrostatica dintre electroni si nuclee • Energia electrostatica dintre electroni • Energia electrostatica din nuclee

18. Energiile au semne diferite • Energia negativa semnifica forta de atractie, (“stablizatoare”) • In principal, depinde de distantele de separare. • La o anumita distanta energia are minim = distanta de legatura dintre doi atomi din molecula.

19. Problema poate fi rezolvata cu precizie (analitic) doar pentru molecula de hidrogen (H2 ) !!! • Pentru molecule mai complicate (chiar si numai diatomice) se procedeaza la diverse proceduri de APROXIMARE si mai ales la rezolvari numerice ale ecuatiilor functiilor de unda • Rezolvari bazate pe tehnica de calcul

20. Exemplificare: Atomul de carbon • 2s22px2py • s este ocupat (“complet”) de doi electoni • pe orbitalii px si py se afla doar cite un electron nenimperechiat In consecinta doar 2 din cei patru electroni de valenta pot forma legaturi.

21. O caracteristica a atomului de carbon • Saltul pe un un nivel intermediar de energie joasa (~ 250 kJ/mol) inainte de reactie 2s22px2py 2s 2px 2py 2pz

22. Atomul de azot • Ramine in starea trivalenta pe toata durata reactiei 2s2 2px 2py 2pz

23. IN PRINCIPIU • Geometria moleculei poate fi reprezentata de suprapunerea simpla a orbitalilor implicati in formarea atomilor

24. Molecula de apa

25. http://www.lsbu.ac.uk/water/h2oorb.html http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/intro3.htm dipol OH; In consecinta, cei doi atomi de hidrogen se respind unul pe celalalt (efect de polarizare).

26. Carbonul Tema pentru acasa!

27. Legatura ionica • Daca efectul de polarizare este impins la extreme, nu se mai formeaza un orbital molecular sau electroni de legatura. • Se produce un transfer total al unui electron de valenta de la un atom la celalalt. • Aceasta produce o separare totala de sarcina. • Se formeaza ioni care se atrag prin forte electrostatice.

28. “Discutie” • Fara legatura covalenta nu mai exista identitate moleculara • Exemplu: nu se mai poate vorbi de molucula de NaCl dorece: • in solutie, disociaza si este doar o expresie a stoichimetriei dintre cei doi ioni • cristalul de NaCl este o supermolecula produsa de aranjarea ordonata a ionilor (structura cristalina)

29. Legea lui Coulomb

30. Energia de legatura • Lucrul mechanic necesar pentru a misca ionul de la distanta de legatura la distanta infinita de contraion Lucrul diferential (dW) care poate fi foarte mic dar FINIT ca valoare Poate fi calculat ca produsul dintre forta (F) si distanta corespunzatoare (dr)

31. Conventii de semn • Lucrul efectuat (necesar) de sistem este pozitiv • dx este pozitiv daca distanta se mareste si negativ daca se miscoreaza. • Exemplu: pentru doua sarcini de acelasi semn Se resping, dx creste iar dW este negativ

32. Lucrul mecanic necesar pentru a misca o sarcina de la infinit la distanta x1 este Energia de legatura (E): energia necesara pentru a rupe legatura, deci pentru a deplasa sarcina de la distanta x=x1 la distanta x=infinit E=-W

33. Exemplu: legatura Na Cl |q|=1.602 10-19 C distanta dintre ioni = ?

34. Daca ar exista doar forte electrostatice? • Ionii se vor apropia pina la colaps Exista (trebuie) si o FORTA REPULSIVA care impiedica colapsul si sa duca la formarea unui minim energetic corespunzator distantei de legatura • Componenta repulsiva a energiei de interactiune Van der Waals • Se poate estimata pe baza razelor van der Waals: se considera atomii ca doua sfere rigide de anumite dimensiuni, sfere ca nu pot se pot intrpatrunde.

35. Aproximari • Ionul de sodium: raza ~0.098 nm • Clor: ~ 0.181. • In consecinta, distanta dintre cei doi atomi de Na+Cl- intr-o RETEA CRISTALINA (deoarece razele van der Waals au fost estimate intr-o retea cristalina) este de r= 2.79 10-10 m E= -W=– (-1.602 10-19) (-1.602 10-19)/(4π (8.85 10-12).(2.79 10-10)=8.27 10-19 J

36. Exprimat in eV • E= (8.27 10-19) (6.242 1018) = 5.31 eV E = (8.27 10-19) (6.02 1023) = 4.98 105 J mol-1

37. Orbitalii moleculari pot duce la deplasari semnificative de sarcini in molecule • Ilustrare: distributie asimetrica a celor doi electroni din legatura covalenta. • Orbitalul molecular este deplasat spre unul dintre cei doi atomi din legatura covalenta Un element/atom este mai electronegativ decat celalalt

38. Sclara a electronegativitatii In general este o relatie directa intre numarul de ordine din tabelul periodic, numarul grupei si electronegativitate H<C<N<O<F I<Br<Cl<F

39. Dipol electric • Aproximativ 22% din energia legaturii C-O si 39% din cea H-O este atribuita acestui efect.

40. Camp slab Ex. FeF3-6 Spin inalt In absenta campului Fe3+ izolat Camp puternic Ex. Fe(CN)3-6 E Campul ligandului

41. Legaturi coordinative. Complexe organo-metalice • Stabilitatea unor molecule importante biologic este mediate de metale polivalente si elemente de tranzitie