chp4 solids Flashcards
describe the arrangements of molecules when in a solid state
τα δομικά σωματίδια (π.χ. άτομα μόρια) βρίσκονται σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους, ταλαντώνονται γύρω από συγκεκριμένες θέσεις, σε καθορισμένη διάταξη και οι ελκτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ τους είναι ισχυρές
describe the main properties of solids
✓ Καθορισμένο σχήμα και όγκο
✓ Πολύ ισχυρές δυνάμεις συνοχής (διατομικές ή διαμοριακές αλληλεπιδράσεις)
✓ Υψηλή πυκνότητα
✓ Είναι ασυμπίεστα (incompressible)
name the 4 types of solids + describe them
- Μεταλλικά στερεά
-αποτελούνται μόνο από άτομα μετάλλου/ων - Ιοντικά στερεά
- αποτελούνται από άτομα μετάλλων και αμετάλλων - Ομοιοπολικά στερεά
- αποτελούνται από άτομα αμετάλλων - Μοριακά στερεά
- αποτελούνται από άτομα ή μόρια μεταξύ των οποίων ασκούνται διαμοριακές δυνάμεις.
describe the arrangement of molecules in liquid form
- Οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων είναι ασθενέστερες, με αποτέλεσμα να υπάρχει μεγαλύτερη κινητικότητα.
- Τα δομικά συστατικά μπορούν να αλλάξουν θέση αλλά δεν μπορούν να αλλάξουν τη μεταξύ τους απόσταση.
- Τα σωματίδια βρίσκονται, συγκριτικά με τη στερεά κατάσταση, σε μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ τους και μπορούν να γλιστράνε το ένα πάνω από το άλλο
describe properties of the liquid state
✓ Καθορισμένο όγκο, παίρνουν το σχήμα του δοχείου στο οποίο τοποθετούνται.
✓ Αρκετά ισχυρές δυνάμεις συνοχής (cohesive forces)
✓ Ενδιάμεσες πυκνότητες.
✓ Είναι ασυμπίεστα
describe the molecular arrangement in gas state (movement, what affects them…)
- Στα αέρια οι διαμοριακές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των ατόμων ή των μορίων είναι αμελητέες.
- Τα δομικά συστατικά βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους και κινούνται ελεύθερα.
- Δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα και όγκο και καταλαμβάνουν όλη την έκταση του δοχείου τους.
- Λόγω της μεγάλης κινητικής ενέργειας, τα σωματίδια κινούνται συνεχώς με μεγάλη ταχύτητα και άτακτα προς όλες τις κατευθύνσεις.
- Προκύπτουν σημαντικές μεταβολές των όγκων, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία ή και η πίεση.
name properties of gases
✓ Απουσία σχήματος, καταλαμβάνουν όλο τον όγκο του δοχείου που τα περιέχει.
✓ Πολύ ασθενείς δυνάμεις συνοχής (cohesion forces).
✓ Χαμηλή πυκνότητα.
✓ Υψηλή συμπιεστότητα
what are the 3 types of van der waals forces between molecules vs ions
Molecules:
✓ Δυνάμεις διασποράς ή London.
✓ Δυνάμεις διπόλου – διπόλου.
✓ Δεσμοί υδρογόνου (αποτελεί ειδική περίπτωση δυνάμεων διπόλου – διπόλου).
Ions and molecules:
✓ δυνάμεις ιόντος – διπόλου
what does the strength of the bonding affect as physical properties?
- Τη διαλυτότητα:
- εξαρτάται από την ισχύ των διαμοριακών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ της διαλυμένης ουσίας και του διαλύτη
—> αν υπερβαίνει την αντίστοιχη αυτών των μορίων διαλύτη-διαλύτη και διαλυμένης ουσίας-διαλυμένης ουσίας - Όμοια διαλύουν όμοια:
- Οι πολικές ενώσεις διαλύονται σε πολικούς διαλύτες
- οι μη πολικές σε μη πολικούς διαλύτες - Το σημείο βρασμού:
Για ενώσεις με ίσο ή παραπλήσιο Μr, όσο αυξάνει η ισχύς των διαμοριακών δυνάμεων τόσο υψηλότερο είναι το σημείο βρασμού
describe how london forces are made
The molecules that form LF have a μέση κατανομή των ηλεκτρονίων γύρω από κάθε πυρήνα που είναι συμμετρική (σφαιρική) —> μη πολωμένα και δεν παρουσιάζουν διπολική ροπή.
- Σε κάποια χρονική στιγμή είναι δυνατό και τα ηλεκτρόνια του ατόμου να βρεθούν προς το ένα άκρο του (παραμόρφωση ηλεκτρονικού νέφους), φορτίζοντάς το στιγμιαία αρνητικά. Τότε, το άλλο άκρο φορτίζεται θετικά και έτσι δημιουργούνται στιγμιαία δίπολα (temporary dipole)
- Αυτά μπορεί να προκαλέσουν με την σειρά τους τον σχηματισμό επαγόμενων δίπολων —> those δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των στιγμιαίων και επογόμενων διπόλων είναι ασθενείς ελκτικές δυνάμεις και ονομάζονται δυνάμεις London ή διασποράς= LF
name the 2 factors that affect the strength of LF
- Τη μοριακή μάζα, Mr:
- Στα μεγάλα μόρια η κατανομή των ηλεκτρονίων διαταράσσεται ευκολότερα (παραμόρφωση ηλεκτρονικού νέφους), με αποτέλεσμα να δημιουργούνται στιγμιαία δίπολα.
- Η ισχύς των διαμοριακών δυνάμεων διασποράς αυξάνεται με την αύξηση της σχετικής μοριακής μάζας. - Το σχήμα των μορίων:
- Τα γραμμικά μη πολωμένα μόρια εμφανίζουν ισχυρότερους δεσμούς από τα σφαιρικά μη πολωμένα (διακλαδισμένα), γιατί τα γραμμικά μόρια έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η αλληλοεπίδραση μεταξύ των μορίων.
what are dipole-dipole bonds
= διαμοριακές ελκτικές δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσεως μεταξύ των ετερώνυμα φορτισμένων πόλων των πολικών μορίων (που παρουσιάζουν διπολική ροπή, μ)
—> the more the μ, the stronger the d-d
what is the διπολική ροπή and what does it depend on
= μέτρο της πολικότητας ενός μορίου
It depends on:
- πόλωση των δεσμών (διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των ατόμων)
- γεωμετρία του μορίου
how does the strength of the d-d bond affect the molecules’ properties
- Όσο ισχυρότερες είναι οι δυνάμεις διπόλου-διπόλου τόσο μεγαλύτερο είναι το σημείο βρασμού.
- Αντίστροφα, όσο ασθενέστερες είναι οι διαμοριακές δυνάμεις, τόσο «δύσκολοτερα» υγροποιείται ένα αέριο.
what are H bonds
= ειδική περίπτωση δυνάμεων διπόλου-διπόλου.
= αναπτύσσονται μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου και ενός μη
δεσμικού ζεύγους ηλεκτρονίων που βρίσκονται πάνω σε ένα
από τα 3 ηλεκτραρνητικότερα άτομα F, Ο ή Ν γειτονικού
μορίου
what are ion-dipole reactions
- Αναπτύσσονται μεταξύ ιόντων και πολικών μορίων και είναι ηλεκτροστατικής φύσεως
- Είναι ισχυρότερες από τις δυνάμεις van der Waals
—> Η ισχύς των αλληλεπιδράσεων αυτών καθιστά δυνατή τη διάλυση των ιοντικών ενώσεων σε πολικούς διαλύτες, όπως π.χ. το νερό.
what does the ion-dipole force depend on
Η ισχύς τους εξαρτάται από:
- το φορτίο: αύξηση του φορτίο —> αύξηση ελκτικών δυνάμεων
- το μέγεθος του ιόντος —> επηρεάζει την απόσταση ιόντος-διπόλου μορίο
- τη διπολική ροπή του μορίου-διαλύτη
explain what are υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις
- Μη πολικές ενώσεις σε υδατικά διαλύματα προκαλούν αναδιοργάνωση των μορίων του νερού γύρω τους μέσω ενός δικτύου δεσμών υδρογόνου, σχηματίζοντας μια δομημένη διάταξη.
- προκαλείται αύξηση της «τάξης» του διαλύτη, άρα μείωση της εντροπίας.
- Οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των ελευθέρων μορίων νερού είναι ισχυρότεροι από τις αλληλεπιδράσεις των μορίων νερού με τις απολικές περιοχές της μη πολικής ένωσης-ξενιστή. Όταν τα μόρια νερού που περιέχονται σε μια υδρόφοβη κοιλότητα του ξενιστή απελευθερώνονται κινούμενα στις κυρίως περιοχές του διαλύτη αυξάνεται η εντροπία.
- Αυτή η διεργασία είναι αυθόρμητη και ονομάζεται φαινόμενο της υδροφοβικότητας και οι επακόλουθες αλληλεπιδράσεις ονομάζονται υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις.
define Ενέργεια πλέγματος
= είναι η ενέργεια που απαιτείται για τον πλήρη διαχωρισμό 1 mol μιας στερεής ιοντικής ουσίας στα ιόντα της στην αέρια φάση
eg NaCl(s) → Na+ (g) + Clˉ (g)
what does the lattice energy determine? what does its strength depend on?
Το μέγεθος της ενέργειας πλέγματος εξαρτάται από:
- τα φορτία των ιόντων
- το μέγεθος τους
- την τρισδιάστατη διευθέτηση του πλέγματος.
—> Καθορίζει το σημείο τήξεως των ιοντικών ενώσεω
—> it is used to form ionic compounds
name the different phases to change states
τήξη εξάτμιση
solid ——-> liquid ———> gas
<——— <———–
πήξη υγροποίηση/συμπύκνωση
εξάχνωση solid --------------------------------> g
<--------------------------------
απόθεση
what are διαγράμματα φάσεων
= γραφική παράσταση που δίνει πληροφορίες για τη σταθερότητα των διαφόρων φάσεων ενός συστήματος (μιας καθαρής ουσίας ή ενός μίγματος ουσιών) ως συνάρτηση δύο θερμοδυναμικών μεταβλητών, της θερμοκρασίας και της πίεση, ή της θερμοκρασία και της σύσταση του μίγματος
what is the use of διαγράμματα φάσεων
- δείχνουν κάτω από ποιες συνθήκες (T, P, xi) είναι σταθερή η κάθε φάση του υλικού —> επιτρέπουν να προβλέπουμε τις μεταβολές φάσης που επέρχονται από αλλαγές στη θερμοκρασία και την πίεση.
- also να προβλέπουμε τις αλλαγές του σημείου τήξεως (σ.τ.) και του σημείου ζέσεως (σ.ζ.) μιας ουσίας σαν αποτέλεσμα μεταβολών στην εξωτερική πίεση.
- δίνουν πληροφορίες σχετικά με τη φύση του υλικού που θα προκύψει από την ανάμιξη 2+ ουσιών (αν θα είναι ένα ενιαίο (single) και ομοιογενές υλικό ή θα είναι ένας συνδυασμός φάσεων).
what are the 3 τύποι διαγραμμάτων φάσεων + which one is the most common
α) τα διαγράμματα φάσεων καθαρής ουσίας
β) τα διμερή διαγράμματα φάσεων
γ) τα τριμερή διαγράμματα φάσεων.
—> Ο τύπος που χρησιμοποιούμε συχνότερα είναι τα διμερή, με τη βοήθεια των οποίων γίνονται κατανοητοί όλοι οι
μετασχηματισμοί που λαμβάνουν χώρα.
what do all state graphs have in common
✓ Οι επιφάνειες (περιοχές) συμβολίζουν διαφορετικές φάσεις (στερεό, υγρό, αέριο).
✓ Οι καμπύλες συμβολίζουν ισορροπίες φάσεων (οι τρεις βασικές ισορροπίες φάσεων συστήματος ενός συστατικού αέριο/υγρό, αέριο/στερεό, υγρό/στερεό) σε διαγράμματα πίεσης-θερμοκρασίας).
✓ Τα σημεία συμβολίζουν καταστάσεις του συστήματος.
explain what the phase diagram shows
- Τα διαγράμματα φάσεων καθαρής ουσίας απεικονίζουν τις φάσεις μίας ουσίας (στοιχείου ή χημικής ένωσης) οι οποίες είναι θερμοδυναμικά σταθερές υπό συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης.
- Η ουσία μπορεί να υπάρχει στην αέρια κατάσταση (μία φάση), στην υγρή (μία φάση) ή στην στερεά κατάσταση (σε μία ή περισσότερες φάσεις - αλλοτροπικές μορφές).
- Τα όρια μεταξύ δύο φάσεων δείχνουν τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας υπό τις οποίες δύο διαφορετικές φάσεις βρίσκονται σε ισορροπία και γι’ αυτό αποκαλούνται καμπύλες ισορροπίας: καμπύλη εξάχνωσης, καμπύλη τήξης, καμπύλη εξάτμισης ή τάσης ατμών
define a phase
= τμήμα σύνθετου συστήματος που είναι ομογενές τόσο ως προς τις φυσικές και χημικές του ιδιότητες και διαχωρίζεται από άλλα τμήματα (φάσεις) με διακριτά όρια (διεπιφάνειες).
a phase refers to a distinct and homogeneous state of matter, characterized by its uniform physical and chemical properties. These properties differentiate it from other parts of the system, which may have different characteristics. Phases can be separated from each other by boundaries known as interfaces.
what happens if 2 homogeneous phases get mixed in the same system (eg liquid with vapor)
- Οι δύο φάσεις είναι σε ισορροπία όταν κατά τη μεταφορά στοιχειωδών ποσοτήτων μάζας μεταξύ τους, το σύνθετο κλειστό σύστημα που απαρτίζουν παραμένει σε ισορροπία.
Η συνθήκη ισορροπίας κλειστού συστήματος υπό σταθερές P, T είναι:
ΔG = 0 —> ΔGα + ΔGβ = 0 (Gibbs = 0 is at equilibrium)
Η συνθήκη ισορροπίας μεταξύ δύο φάσεων κάτω από σταθερή πίεση και θερμοκρασία (P, T) είναι:
μiα = μiβ
define χημικό δυναμικό
= αποτελεί την κινητήρια δύναμη για τη μεταφορά της ύλης
what’s the formula for the chemical potential and what does it show?
μi = μiο + RTlnxi
μi: The chemical potential of component “i” in the mixture.
μi°: The standard chemical potential of component “i” at a reference state (usually at a standard pressure and temperature).
R: The universal gas constant.
T: The absolute temperature of the system.
xi: The mole fraction of component “i” in the mixture.
—> shows how T and conc affect the chemical potential compared to its standard chem potential
—> helps predict behaviour of chemical species in mixtures
when mixing the phases the equilibrium is constant, why?
Στην κατάσταση ισορροπίας το χημικό δυναμικό όλων των
συστατικών είναι σταθερό σε όλες τις φάσεις του συστήματος (απουσία μεταφοράς μάζας μεταξύ φάσεων σε ισορροπία).
so what are the conditions for phase equilibrium
✓ σταθερή πίεση, P (μηχανική ισορροπία – όχι κίνηση)
✓ σταθερή θερμοκρασία, Τ (θερμική ισορροπία – όχι μεταφορά θερμότητας)
✓ σταθερό χημικό δυναμικό, μi, κάθε συστατικού-i σε όλες τις φάσεις ή καταστάσεις (χημική ισορροπία –όχι μεταφορά ή μετατροπή μάζας).
what is Gibbs phases of law
F = Σ – Φ + 2
F –> degrees of freedom to see how many things we can change and still have the component in the same phase
Σ —> nb of components (eg H2O is 1)
Φ —> nb of phases (eg if it’s on the the triple point = 3)
2 —> Temp and pressure are the only conditions
what does the value of F in Gibbs’ law show
- Αμετάβλητο σύστημα, F = 0:
- Οι μεταβλητές P, T και xi έχουν απόλυτα καθορισμένες τιμές και δεν μπορούν να μεταβληθούν χωρίς να αλλάξει ο αριθμός των φάσεων.
- Η κατάσταση του συστήματος απεικονίζεται στο διάγραμμα φάσεων από σημείο.
Π.χ. σύστημα ενός συστατικού παρουσιάζει τριπλό σημείο όπου για καθορισμένες τιμές P και T συνυπάρχουν και οι τρεις φάσεις. - Μονομετάβλητο σύστημα, F = 1:
- Μόνο μία από τις μεταβλητές P, T και xi μπορεί να μεταβληθεί ανεξάρτητα από τις άλλες, χωρίς να μεταβληθεί ο αριθμός των φάσεων.
- Η κατάσταση του συστήματος παριστάνεται στα διαγράμματα φάσεων από καμπύλες. - Διμετάβλητο σύστημα, F = 2:
- Δύο από τις μεταβλητές P, T και xi μπορούν να μεταβληθούν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από τις άλλες, χωρίς να μεταβληθεί ο αριθμός των φάσεων.
- Η κατάσταση του συστήματος παριστάνεται στα διαγράμματα φάσεων από επιφάνειες (empty spaces)
what are 2 important points on a phase equilibrium diagram ans what do they show
- Το τριπλό σημείο (Τ = 0,01°C, Ρ = 0,006 atm)
- οι τρεις φάσεις (αέριο, υγρό, στερεό) συνυπάρχουν. - Το κρίσιμο σημείο (Tκρ. = 374°C, Pκρ. = 218 atm)
- δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ υγρής και αέριας φάση.
- Tκρ: καθορίζει την περιοχή, στην οποία ο ατμός δεν μπορεί να υγροποιηθεί όσο μεγάλη κι αν είναι πίεση.
- Pκρ: δεν μπορεί πια να εξατμιστεί το νερό, όσο υψηλή κι αν είναι η θερμοκρασία του.
what is υπερκρίσιμο ρευστό + when does it occur
= μια κατάσταση της ύλης (ή φάση) που δεν είναι ούτε αέρια ούτε υγρή
—> Το νερό που βρίσκεται σε συνθήκες όπου Τ > Tκρ.και P > Pκρ. θεωρείται υπερκρίσιμο ρευστό (it’s beyond the critical point at the top of the graph)
give 2 examples of components at 1atm (normal conditions) and how to find their mp/bp
- το νερό είναι πάνω από το τριπλό σημείο του, το οποίο συνεπάγεται ότι διαθέτει και θερμοκρασία τήξης και θερμοκρασία βρασμού (at 1atm drag a line and the point found on each line is the mp or bp)
—> Αυτό δεν ισχύει για όλες τις ουσίες:
CO2 σε ατμοσφαιρικές συνθήκες είναι κάτω από το τριπλό σημείο του, και σε θερμοκρασία Τ=-80°C εξαχνώνεται – ονομάζεται χαρακτηριστικά ξηρός πάγος (dry ice)
what is Clapeyron’s formula
dP/dT = ΔH/ TΔV
dP/dT —> rate of change if p/T during phase changes
ΔH —> enthalpy
—>describes the relationship between the phase transition temperature, pressure, volume change, and enthalpy change for a substance undergoing a phase transition
based on Clapeyron’s formula, what would the slopes look like based on which phase change it is
Liquid to gas:
- positive slope
- both ΔHvap/T and ΔV are > 0
Solid to gas:
- positive slope
- both ΔHsub/T and ΔV are > 0
Solid to liquid:
- could be a positive or negative slope
- ΔHfus/Τ > 0
- BUT ΔV can be > or < 0 based on the ουσία
name the different categories of Δυαδικά Συστήματα
- τα δυο συστατικά είναι μη αναμείξιμα και στη στερεά και στην υγρή κατάσταση (don’t mix in both phases)
- τα δυο συστατικά είναι πλήρως αναμείξιμα στην υγρή και μη αναμείξιμα στη στερεά κατάσταση (mix in liquid, don’t as solid)
- τα δυο συστατικά σχηματίζουν σύνθετες ενώσεις (form complex compounds)
- τα δύο συστατικά είναι πλήρως αναμείξιμα και στην υγρή και στη στερεά κατάσταση (mix in both phases)
- τα δυο συστατικά παρουσιάζουν μη αναμιξιμότητα στην υγρή κατάσταση (non mixable as liquids)
what does a διμερές διάγραμμα φάσεων show
ποιες φάσεις δημιουργούνται σε συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας όταν 2 ουσίες (στοιχεία ή χημικές ενώσεις) βρεθούν μαζί σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και σε
συγκεκριμένη αναλογία.
what does the binary graph look like for most μεταλλικά συστήματα + explain it
It usually is πλήρης διαλυτότητα (ή αναμειξιμότητα) τόσο στην υγρή, όσο και στη στερεή κατάσταση.
Graph contains:
- την γραμμή πλήρους τήξης = καμπύλη liquidus
- την γραμμή πλήρους στερεοποίησης = καμπύλη solidus.
—> Επάνω από την καμπύλη liquidus το σύστημα είναι πλήρως υγρό, ενώ κάτω από την καμπύλη solidus το σύστημα είναι πλήρως στερεό.
—> Μεταξύ των δύο γραμμών η υγρή και η στερεά φάση συνυπάρχουν σε ορισμένη αναλογία
what are Ευτηκτικά Διμερή Διαγράμματα Φάσης used for + what is an important point on the graph
= Συστατικά μη αναμείξιμα στη στερεά και πλήρως αναμείξιμα στην υγρή κατάσταση.
—> 3 states are found: only solid A, only solid B or a mix
—> the straight solid line called solidus is the one which αντιπροσωπεύει σταθερή θερμοκρασία (ισόθερμη).
Το ευτηκτικό σημείο (eutectic point, Ε):
= είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία όπου συνυπάρχουν η υγρή και η στερεή φάση για μια συγκεκριμένη σύσταση μίγματος (ευτηκτική αναλογία) σε σταθερή πίεση.
—> Το ευτηκτικό σημείο είναι το σημείο τομής (intersection) της καμπύλης liquidus και της solidus.
how to read a Τριαδικά Συστήματα graph
- if the point was on one of the lines of the triangle it was a mix between 2 substances
- if it was in 1 corner = 100% of that
- if it’s in the middle lines need to be drawn to see where it’s found
—> A = bottom to top in a flat straight line 0-100
—> B = LHS line increase from top to the bottom
—> C = bottom line increase LHS to RHS
what composition can the active ingredient in a drug be made of? subtypes?
Η δραστική ουσία ενός φαρμάκου μπορεί να είναι καθαρά κρυσταλλική ή άμορφη (μη κρυσταλλική).
—> Crystal = η κανονική, γεωµετρική διάταξη στην οποία διευθετούνται οι δοµικές µονάδες ενός στερεού με τάξη και περιοδικότητα μεγάλου εύρους (οργανωμένη δομή).
—> Αν ένα στερεό δεν παρουσιάζει µια ορισµένη γεωµετρική διάταξη (τάξη μικρού εύρους), τότε είναι άµορφο.
Στην κρυσταλλική κατάσταση εμφανίζονται διάφορες μορφές, όπως:
- επιδιαλυτώματα
- υδρίτες
- πολύμορφα
- συγκρύσταλλοι (σύνθετοι κρύσταλλοι).
what’s an in between state the solid drug can be found in?
ημικρυσταλλικά στερεά (ή πολυκρύσταλλους)
= υπάρχει τάξη και περιοδικότητα τοπικού εύρους.
what methods allow us to study the δοµή των στερεών υλικών
- η περίθλαση ακτίνων-Χ
- η περίθλαση ηλεκτρονίωνκαι (e- diffraction)
- περίθλαση νετρονίων
when a drug is composed of 2 different components, what are the structures they form called
- συγκρύσταλλος = Όταν και τα δύο συστατικά είναι
στερεά - επιδιαλύτωμα = όταν έστω ένα από τα δύο συστατικά είναι υγρό
- υδρίτης = when one of the components is a liquid which specifically is όταν ο διαλύτης είναι το νερό
how does the state and properties affect the drug + give an example
Η φύση της κρυσταλλικής μορφής μιας φαρμακευτικής ουσίας μπορεί να επηρεάσει τη σταθερότητά της στη στερεά κατάσταση, τις ιδιότητες του διαλύματος και την απορρόφησή του.
—> Οι λεπτές σκόνες διασκορπισμένες ως εναιωρήματα σε υγρά χρησιμοποιούνται σε ενέσεις και σκευάσματα αερολύματος (fine powders dispersed as suspensions in liquids are used in injections and aerosol formulations)
define Κρυσταλλικά στερεά
= αποτελούνται από άτομα, ιόντα ή μόρια με γεωμετρική διάταξη επαναλαμβανόμενη-περιοδική στις τρεις διαστάσεις του χώρου (συμμετρικά στο χώρο).
define Κρυσταλλικό πλέγμα
= τρισδιάστατη γεωμετρική διάταξη σημείων που προκύπτει από την επανάληψη μιας δομικής μονάδας στο χώρο (άπειρη δομή)
what are the πλεγματικά σημεία
= Τα σημεία στις κορυφές των παραλληλεπιπέδων
what is a Στοιχειώδης ή μοναδιαία κυψελίδα
= επαναλαμβανόμενη μονάδα όγκουτου κρυσταλλικού πλέγματος με πλευρές a, b, c (slide 40)
describe the shape of a crystal
- όμοιες στοιχειώδεις κυψελίδες που επαναλαμβάνονται στις τρεις διαστάσεις, ώστε να δημιουργούν ένα τρισδιάστατο πλέγμα.
- το υλικό που έχει ευκρινή εικόνα περίθλασης ακτίνων Χ (η μέθοδος που χρησιμοποιείται για την ανάλυση της συμμετρίας των κρυστάλλων).
what rules must be followed για να χαρακτηριστεί ένα στερεό κρύσταλλος
α) Για τις δίεδρες γωνίες:
- Νόμος κυρτότητας (convexity):
- Ο κρύσταλλος είναι κυρτό γεωμετρικό πολύεδρο (convex geometric polyhedron) —> 2 τεμνόμενες έδρες σχηματίζουν πάντα μία προεξέχουσα δίεδρη γωνία (prominent dihedral angle = distinct and non flattened).
- Αν δεν συμβαίνει αυτό τότε πρόκειται για σύμφυση τουλάχιστον 2 κρυστάλλων. - Νόμος σταθερότητας:
Οι δίεδρες γωνίες των εδρών των κρυσταλλικών πολυέδρων, οι οποίες σχηματίζονται υπό σταθερές συνθήκες Ρ και Τ έχουν σταθερή τιμή, δηλ. δίεδρες γωνίες ομοίων εδρών είναι ίσες.
β) Για τη συμμετρία:
- Νόμος παραμέτρων συμμετρίας:
Οι παράμετροι μία τυχαίας έδρας ενός κρυσταλλικού πολυέδρου είναι πολλαπλάσια των παραμέτρων του θεμελιώδους κρυσταλλικού πολυέδρου του (one small sites’ properties will match the properties of the whole crystals structure) - Νόμος κρυσταλλικής συμμετρίας:
Οι κρύσταλλοι χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένα στοιχεία συμμετρίας: κέντρο, άξονας και επίπεδο.
how are crystals structure studied?
We do δομικής ανάλυσης which shows the εύρεση της κατανομής της ατομικής ηλεκτρονικής πυκνότητας.
This info is given by doing X-ray diffraction.
—> when a solid is excited by an impact of e- it can emit x-rays with a specific wavelength which correspond to the specific atomic structure and arrangement of the solid.
define crystal
= είναι ένα στερεό με ομοιόμορφη χημική σύσταση, διαμορφώνεται από επίπεδες έδρες που σχηματίζουν επακριβώς προσδιορισμένες γωνίες.
Δομική μονάδα των κρυστάλλων είναι τα άτομα, ιόντα ή μόρια
name the stages/ components of formation of crystals
Στάδια ανάπτυξης κρυστάλλων:
άτομο → μόριο → μοναδιαία κυψελίδα → συγκέντρωση μοναδιαίων κυψελίδων → κρύσταλλος
how is the crystal formed (stages)
- Πυρήνωση:
Η κρυστάλλωση ξεκινά από έναν πυρήνα (υβρίδιο ή άτομο) ή ένα κέντρο κρυστάλλωσης στο στάδιο δημιουργίας υβριδίων. - Ανάπτυξη μεγέθους σωματιδίων:
Με ψύξη ή εξάτμιση του διαλύτη ο αριθμός των πυρήνων αυξάνεται μέχρι το όρια τους να συγκρουστούν και να δημιουργηθούν κρύσταλλοι.
describe from different phases how we can form a crystal
Με κρυστάλλωση από διάλυμα:
- Επιτυγχάνεται κατά την εξάτμιση του διαλύτη
- μείωση της πίεσης
- πτώση της θερμοκρασίας του διαλύματος.
—> Εάν η ταχύτητα της εξάτμισης είναι αργή, τότε σχηματίζονται μεγάλοι κρύσταλλοι, ενώ μικροί κρύσταλλοι δημιουργούνται με ταχεία εξάτμιση.
—> Μεγάλη ταχύτητα ψύξης συνεπάγεται λεπτόκοκκους κρυστάλλους και αντίστροφα. Παράδειγμα: καταβύθιση άλατος.
Με κρυστάλλωση από τήγμα:
Έχει κοινά σημεία με την κρυστάλλωση από ένα διάλυμα. Ο σχηματισμός των ορυκτών έχει σχέση με την κρυστάλλωση τήγματος (μάγματος).
Παράδειγμα: σχηματισμός πετρωμάτων από μάγμα.
Με κρυστάλλωση από αέρια προϊόντα:
κατά την πτώση της θερμοκρασίας τα άτακτα κινούμενα άτομα της αέριας φάσης έρχονται σε επαφή δημιουργώντας πλέγμα κρυσταλλικής ουσίας (κρυστάλλωση από αέρια κατάσταση).
Παράδειγμα: δημιουργία νιφάδων χιονιού με απότομη ψύξη υδρατμών
how does the speed of crystallization affect the crystals formed
- Εάν η ταχύτητα της εξάτμισης του διαλύτη και η ταχύτητα της ψύξης είναι αργή, τότε σχηματίζονται μεγάλοι κρύσταλλοι
- Αντίθετα, με ταχεία εξάτμιση του διαλύτη και πολύ γρήγορη ψύξη σχηματίζονται μικροί κρύσταλλοι. Σε αυτή την περίπτωση το στερεό είναι ημικρυσταλλικό.
what does the free energy value when a solid turns into a liquid depend on?
free energy = systems ability to do work or create change
It’s value depends on the size of the solid particles or crystalline nuclei forming in the liquid during this process
what is the crystal called if it’s smaller or bigger than the critical value?
= υβρίδιο αν η ακτίνα είναι μικρότερη από ένα κρίσιμο μέγεθος
= πυρήνας αν η ακτίνα του είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη ακτίνα
name 3 things that affect the formation + διάλυση of a crystal
- Την ταχύτητα ανάπτυξης.
- Τις εξωτερικές συνθήκες και κυρίως από τον βαθμό υπερκορεσμού του διαλύματος.
- Τη θερμοκρασία και την πίεση
define Επιδιαλυτώματα (solvates) ή επιδιαλυτωμένοι κρύσταλλο
= οι κρύσταλλοι που περιέχουν τον διαλύτη κρυστάλλωσης στο κρυσταλλικό τους πλέγμα
what is the επιδιαλυτωμένοι κρύσταλλοι called if the solvent is water
= ένυδροι κρύσταλλοι ή υδρίτες (hydrates)
define άνυδροι
= Οι κρύσταλλοι των δραστικών φαρμακευτικών ουσιών (Active Pharmaceutical Ingredients, API) που δεν περιέχουν νερό κρυστάλλωσης
name and describe the 2 κύριοι τύποι επιδιαλυτωμάτων
- Οι πολυμορφικοί ενυδατωμένοι κρύσταλλοι:
- είναι πολύ σταθεροί και είναι πολύ δύσκολο να αποδιαλυτωθούν, επειδή ο διαλύτης παίζει βασικό ρόλο στη δομή του κρυστάλλου.
- Αν χάσουν τον διαλύτη καταρρέει η δομή τους και ανακρυσταλλώνονται σε άλλη μορφή.
✓ Οι ψευδοπολυμορφικοί επιδιαλυτωμένοι κρύσταλλοι:
- χάνουν τον διαλύτη πιο εύκολα και η αποδιαλύτωση δεν καταστρέφει το κρυσταλλικό πλέγμα —> ο διαλύτης δεν συμμετέχει στη δομή και απλώς καταλαμβάνει κενά στον κρύσταλλο
what does the επιδιαλυτωμένη μορφή που σχηματίζει ένα φάρμακο depend on
από τις συνθήκες κρυστάλλωσης + ιδιαίτερα από τον διαλύτη
what are the 3 categories of επιδιαλυτώματα based on το τρόπο που τα μόρια του νερού ενσωματώνονται στο κρυσταλλικό πλέγμα
- κατηγορία Ι:
- τα μόρια του νερού βρίσκονται σε καθορισμένες, απομονωμένες κρυσταλλογραφικές θέσεις, δεν σχηματίζουν δεσμούς μεταξύ τους παρά μόνο αλληλεπιδρούν με τα μόρια του στερεού - κατηγορία ΙΙ:
- περιλαμβάνονται ένυδρες μορφές όπου ο διαλύτης σχηματίζει «κανάλια».
- Τα μόρια νερού στον κρύσταλλο αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω και σχηματίζουν εκτενή δίκτυα καναλιών ή πολλαπλά στρώματα κατά μήκος ενός κρυσταλλογραφικού άξονα - κατηγορία ΙΙΙ:
τα μόρια του νερού συνδέονται με ιόντα σχηματίζοντας δεσμούς ισχυρότερους από τους δεσμούς υδρογόνου
what’s the difference between the επιδιαλυτωμένες κρυσταλλικές μορφές ενός φαρμάκου compared to its corresponding άνυδρες forms
✓ Χαμηλότερα σημεία τήξεως.
✓ Μικρότερη διαλυτότητα στο νερό.
✓ Διαφορετικούς ρυθμούς διάλυσης.
✓ Διαφορές στη βιοδιαθεσιμότητα.
explain what are ένυδρων μορφών (υδρίτες)
= στερεών προϊόντων όπου στο κρυσταλλικό πλέγμα της μητρικής ένωσης (φαρμάκου ή εκδόχου) ενσωματώνονται μόρια νερού
what is a common problem that arises during the production of drugs? how?
ο σχηματισμός ένυδρων μορφών (υδρίτες)
—> Τα φαρμακευτικά στερεά ενδέχεται να έρθουν σε επαφή με το νερό σε διάφορα στάδια της επεξεργασίας (π.χ. κρυστάλλωση, λυοφιλίωση, κ.ά.) ή κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης ενδέχεται να εκτίθενται σε ατμόσφαιρα αυξημένης υγρασίας.
how can you categorize the ένυδρες μορφές με βάση την στοιχειομετρία τους
- Οι στοιχειομετρικές ένυδρες μορφές:
- καθορισμένη αναλογία γραμμομορίων στερεού-νερού
- παρουσιάζουν διαφορετική κρυσταλλική δομή από το άνυδρο φάρμακο ή άλλα ένυδρα άλατα. - Οι μη στοιχειομετρικές ένυδρες μορφές:
- μεταβλητή περιεκτικότητα σε νερό εντός συγκεκριμένου εύρους, αναλόγως των περιβαλλοντικών συνθηκών, χωρίς να υπάρχει σημαντική αλλαγή στην κρυσταλλική δομή όταν μεταβάλλεται η ποσότητα του νερού.
compare crystal solids vs αμορφα στερεά
✓ Διαφέρουν στη σταθερότητα και διαλυτότητα.
✓ Δεν έχουν συνεχόμενες επαναλαμβανόμενες δομές.
✓ Τα περισσότερα στερεά μπορούν να σχηματιστούν άμορφα αν στερεοποιηθούν γρηγορότερα από το χρόνο που χρειάζονται για να τοποθετηθούν σε κρυσταλλική δομή.
✓ Τα μεγάλα μόρια είναι άμορφα, καθώς δεν έχουν την ευελιξία να τοποθετηθούν σε σταθερές θέσεις.
✓ Έχουν εύρος στα σημεία τήξεώς τους σε αντίθεση με τα κρυσταλλικά στερεά που τα σημεία τήξεως τους είναι μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.
what are some characteristics of amorphous solids
- μεγάλη ελεύθερη ενέργεια
- υψηλή διαλυτότητα
- low σταθερότητας (εάν δεν χρησιμοποιηθούν σταθεροποιητές) οι οποίοι εμποδίζουν την κρυσταλλική ανάπτυξη
what is an in between stage that forms once a solid becomes a liquid or vice versa? what’s their main difference with liquids?
«µεσόµορφο» ή «υγρός κρύσταλλος» —> έχουν ιδιότητες στερεών και υγρών.
Η μόνη μακροσκοπική διαφορά τους από το αντίστοιχο υγρό είναι η θολερότητά (turbidity) τους, που είναι αποτέλεσμα της τάξης των μορίων τους.
name and describe the 2 types of μεσόμορφα
- Υγρούς κρυστάλλους:
- αποτελούνται από επιμήκη μόρια
- δεν διατηρούν το κρυσταλλικό πλέγμα του στερεού απ’ όπου προήλθαν με θέρμανση
- έχουν όμως τάξη - Πλαστικούς κρυστάλλους:
- αποτελούνται από σφαιρικά μόρια
- διατηρούν το κρυσταλλικό πλέγμα του στερεού, απ’ όπου προήλθαν με θέρμανση.
Name and describe the main difference between the 2 types of υγροί κρύσταλλοι
- θερμότροπους υγρούς κρυστάλλους:
- παρουσιάζονται με θέρμανση του αντίστοιχου στερεού ή με ψύξη του αντίστοιχου υγρού.
- Διακρίνονται σε «σμηκτικούς», «νηματικούς» και «χοληστερινικούς» —> η βασική διαφορά τους οφείλεται στον τρόπο που διατάσσονται τα επιμήκη μόριά τους στο χώρο. - λυότροπους:
- παρουσιάζονται μόνο σε διάλυμά τους
- caused by the επίδρασης των μορίων τους και των μορίων του διαλυτικού.
which solids are considered άλατα ή συγκρύσταλλοι
= Οι κρυσταλλικές μορφές που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα συστατικά
what are φαρμακευτικοί συγκρύσταλλοι made of specifically
- μία δραστική φαρμακευτική ουσία (API)
- ένα συνδιαμορφωτή (coformer) (μόριο το οποίο είναι ασφαλές για χρήση και δεν παρουσιάζει τοξική δράση ή παρενέργειες).
what are φαρμακευτικοί συγκρύσταλλοι πολυφαρμάκου
αποτελούνται από δύο ή περισσότερες δραστικές ουσίες σε στοιχειομετρική αναλογία και καθόλου συνδιαμορφωτή
why do we form συγκρυστάλλων for drugs
Αποσκοπεί στη βελτίωση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων της δραστικής ουσίας (π.χ. βιοδιαθεσιμότητα, διαλυτότητα και ρυθμός διάλυσης, σταθερότητα), έτσι ώστε να επιτευχθεί βελτιωμένη θεραπεία.
why are συγκρύσταλλοι used instead of salts when making drugs
- αποτελεί νέα μέθοδο τροποποίησης της διαλυτότητας
- εφαρμόζεται στις περιπτώσεις όπου δεν είναι δυνατός ο σχηματισμός άλατος
- μειωμένη τάση σχηματισμού ενύδρων μορφών και επιδιαλυτωμάτων
- βελτίωση της διαλυτότητας και βιοδιαθεσιμότητας ουσιών δυσδιάλυτων ή στην αποτροπή σχηματισμού δυσδιάλυτων ένυδρων μορφών
what is the process of πολυμορφισμός
= πολλές φαρμακευτικές ουσίες μπορούν να υπάρξουν στη στερεή τους κατάσταση σε διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές, ανάλογα με τον τρόπο διάταξης των ατόμων ή μορίων στο κρυσταλλικό πλέγμα
= they are called different πολύμορφα
how do we get the different πολύμορφα
αλλαγές στον διαλύτη, τη θερμοκρασία και τον ρυθμό ψύξης.
what is a ψευδοπολυμορφισμός
= επιδιαλυτώματα (solvates) συμπεριλαμβανομένων των υδριτών (hydrates), όπου ένας διαλύτης είναι είτε παρών στο κρυσταλλικό πλέγμα σε στοιχειομετρικές αναλογίες, είτε βρίσκεται παγιδευμένος μέσα στο πλέγμα σε διάφορες αναλογίες
list the διαφορετικές φυσικές ιδιότητες that different πολύμορφα can have + what does it affect
➢ σημείο τήξης
➢ υγροσκοπικότητα
➢ σταθερότητα
➢ διαλυτότητα
➢ ικανότητα μορφοποίησης προς τελικό προϊόν (manufacturability)
—> επηρεάζουν τη βιοδιαθεσιμότητα του φαρμάκου
how do polymorphs relate to drug production
Η σταθερότητα ενός φαρμάκου εξαρτάται από το είδος του πολύμορφου:
—-> μόνο μία μορφή καθαρού φαρμάκου είναι θερμοδυναμικά σταθερή (η κρυσταλλική μορφή με τη μεγαλύτερη τάξη κρυσταλλικότητας είναι και η πιο σταθερή) σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση
—> τις άλλες μορφές = μετασταθείς, μετατρέπονται με διαφορετικό ρυθμό στη σταθερή κρυσταλλική μορφή.
what happens when polymorphism occurs
Τα μόρια μπορούν να διαταχθούν με δύο οι περισσότερους τρόπους στον κρύσταλλο ή μπορεί να ενταχθούν διαφορετικά στο κρυσταλλικό πλέγμα ή να υπάρξουν διαφορές στον προσανατολισμό ή στη διαμόρφωση των μορίων στο πλέγμα.
what are the main differences between polymorphs of a drug
- διαφορετική περίθλαση ακτίνων Χ
- διαφορετικά σημεία τήξης και διαλυτότητες
- εμφανίζουν διαφορετικές συνήθεις κρυσταλλικές μορφές.
which polymorph is chosen when picking it for a drug
Η πολυμορφική μορφή με τη χαμηλότερη ελεύθερη ενέργεια θα είναι η πιο σταθερή και οι άλλες μορφές θα τείνουν να μετασχηματίζονται σε αυτή.
is it possible to predict if a drug will have polymorphs
Δεν είναι δυνατόν να προβλέψουμε εάν ένα συγκεκριμένο φάρμακο θα υπάρχει με πολλές πολυμορφικές μορφές
what problems occur when trying to form polymorphs for drugs
- Πολύμορφα με συγκεκριμένα συνήθη κρυσταλλικά σχήματα μπορεί να είναι δύσκολο να εγχυθούν υπό μορφή εναιωρήματος ή να σχηματίσουν δισκία.
- Μετασχηματισμός μεταξύ πολυμορφικών μορφών κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στο μέγεθος των κρυστάλλων σε εναιωρήματα και τελικά την συσσωμάτωσή τους.
- Ανάπτυξη κρυστάλλων σε αλοιφές ως αποτέλεσμα μετασχηματισμού φάσης μπορεί να κάνει την αλοιφή πιο τραχιά.
- Μεταβολές στις πολυμορφικές μορφές μέσων διασποράς, όπως το έλαιο θεοβρωμίνης που χρησιμοποιείται για την παρασκευή υπόθετων, θα μπορούσε να προκαλέσει προϊόντα με μη αποδεκτά χαρακτηριστικά τήξης
what are μίγματα
= αποτελούν συνδυασμό 2+ ουσιών και έχουν μεταβλητή σύσταση.
what are the 2 types of μίγματα
- ομογενή μίγματα:
- στερεών και υγρών αλλάζουν οι χημικές και φυσικές ιδιότητες των επιμέρους ουσιών που αποτελούν το μίγμα.
- Τα συστατικά των ομογενών μιγμάτων δεν μπορούν να διαχωριστούν με φυσικές μεθόδους, αλλά μπορούν να ανακτηθούν ως καθαρές ουσίες μέσω χημικών μεθόδων. - ετερογενή μίγματα:
- οι φυσικοχημικές ιδιότητες των επιμέρους ουσιών που αποτελούν το μίγμα διατηρούν τις φυσικoχημικές τους ιδιότητες τους αμετάβλητες και μπορούν να ανιχνευτούν ακόμη και χωρίς την απομόνωση τους.
- Τα συστατικά των ετερογενών μιγμάτων μπορούν να διαχωριστούν και να ανακτηθούν ως καθαρές ουσίες μέσω φυσικών μεθόδων.
give 3 examples of a gaseous, liquid and solid homogeneous drug
- Αέριο μίγμα —> N2O με Ο2 σε μια αναλόγια 80:20 κατά όγκο που χρησιμοποιείται για γενική αναισθησία.
- Υγρό μίγμα —> ιατρικό σιρόπι ( 85% w/w), στο οποίο η σακχαρόζη διαλύεται σε νερό σχηματίζοντας μια μοριακή διασπορά.
- Στερεό μίγμα —> υπόθετο που αποτελείται από PEG 8000 (πολυαιθυλενογλυκόλη) (40%) και PEG400 (60%), το οποίο παρασκευάζεται αρχικά με τη μέθοδο τήξης και μετά αφήνεται να πήξει σε στερεά κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου.
what happens during διάλυση of aspirin
Στο διάλυμα οι κρύσταλλοι ασπιρίνης διαλυθήκαν στο νερό (διαλύτης) που κατέστρεψε τις διαμοριακές δυνάμεις που συγκροτούν τα μόρια ασπιρίνης σε κρυσταλλική διάταξη, κατά τη διαδικασία της διάλυσης
—> άρα η τήξη της ασπιρίνης στο διάλυμα ασπιρίνης δεν μπορεί να ανιχνευθεί δεδομένου ότι οι δυνάμεις που συγκροτούν τον κρύσταλλο ασπιρίνης έχουν καταστραφεί από τον διαλύτη
how is a διαλύματος formed and how does that affect its physical properties
ο σχηματισμός μοριακής διασποράς απαιτεί αμοιβαία αλληλεπίδραση μεταξύ διαλυμένης ουσίας και διαλύτη.
—> so μεταβάλλονται ή εξαφανίζονται τελείως οι ιδιότητες των μεμονωμένων συστατικών του μίγματος και δημιουργούνται οι καινούργιες ιδιότητες των ομοιογενών μειγμάτων που έχουν προκύψει από την (αυθόρμητη) ανάμιξη των μεμονωμένων ουσιών.
what is κρυοξήρανση ή λυοφιλίωση + where is it used
= it’s a εναλλακτικό τρόπο ξήρανσης ευαίσθητων υλικών με τη ψύξη τους σε χαμηλή θερμοκρασία, και στη συνέχεια απομάκρυνση του νερού από αυτά με εξάχνωση
—> Βρίσκει ευρύτατη εφαρμογή στην παρασκευή φαρμάκων και φαρμακευτικών ειδών, eg πλάσμα αίματος
what are the 4 stages of κρυοξήρανση
1) Ψύξη της ουσίας σε χαμηλή θερμοκρασία ώστε το περιεχόμενο σ’ αυτή νερό (ή ο διαλύτης γενικότερα) να παγώσει.
2) Μείωση της πίεσης με αντλία κενού (κάτω από το Τ.Σ. του νερού) για την απομάκρυνση του νερού/διαλύτη με εξάχνωση.
3) Εφαρμογή θερμότητας για να επιταχυνθεί η εξάχνωση.
4) Συμπύκνωση των ατμών διαλύτη.
