Kurzlehrbuch Physikalische Chemie - für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge

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Titelseite

Impressum

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Hinweise zur Benutzung des Buches

Energie, Temperatur und Chemie

1 Die Eigenschaften der Gase

1.1 Das ideale Gas

1.1.1 Die Zustandsgleichung des idealen Gases

1.1.2 Anwendungen der Zustandsgleichung des idealen Gases

1.1.3 Mischungen von Gasen: Der Partialdruck

1.2 Die kinetische Gastheorie

1.2.1 Der Druck eines Gases

1.2.2 Die mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle

1.2.3 Die Maxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung

1.2.4 Diffusion und Effusion

1.2.5 Intermolekulare Stöße

1.3 Reale Gase

1.3.1 Intermolekulare Wechselwirkungen

1.3.2 Die kritische Temperatur

1.3.3 Der Kompressionsfaktor

1.3.4 Die Virialgleichung

1.3.5 Die van-der-Waals-Gleichung

1.3.6 Die Verflüssigung von Gasen

2 Thermodynamik: der Erste Hauptsatz

2.1 Arbeit

2.1.1 System und Umgebung

2.1.2 Volumenarbeit

2.1.3 Reversible Expansion

2.2 Wärme

2.2.1 Konventionen

2.2.2 Wärmekapazität

2.2.3 Kalorimetrie

2.2.4 Der Wärmefluss während einer Expansion

2.3 Innere Energie

2.3.1 Die Innere Energie

2.3.2 Die Innere Energie als Zustandsfunktion

2.3.3 Änderungen der Inneren Energie

2.3.4 Die molekularen Grundlagen der Inneren Energie

2.4 Enthalpie

2.4.1 Die Enthalpie

2.4.2 Enthalpieänderung

2.4.3 Die Temperaturabhängigkeit der Enthalpie

2.5 Physikalische Umwandlungen

2.5.1 Die Enthalpie von Phasenübergängen

2.5.2 Ionisierung und Elektronenanlagerung

2.6 Chemische Umwandlungen

2.6.1 Dissoziationsenthalpien

2.6.2 Verbrennungsenthalpien

2.6.3 Die Kombination von Reaktionsenthalpien

2.6.4 Standardbildungsenthalpien

2.6.5 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie

3 Thermodynamik: der Zweite Hauptsatz

3.1 Die Entropie

3.1.1 Die Richtung spontaner Prozesse

3.1.2 Die Entropie und der Zweite Hauptsatz

3.1.3 Wärmekraftmaschinen, Kühlschränke und Wärmepumpen

3.2 Die Entropieänderung

3.2.1 Die Entropieänderung bei einer Expansion

3.2.2 Die Entropieänderung bei einer Temperaturerhöhung

3.2.3 Die Entropieänderung bei einem Phasenübergang

3.2.4 Entropieänderungen in der Umgebung

3.3 Absolute Entropien

3.3.1 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik

3.3.2 Die molekulare Interpretation der Entropie

3.3.3 Nullpunktsentropie

3.4 Die Freie Enthalpie

3.4.1 Die Standardreaktionsentropie

3.4.2 Die Spontaneität chemischer Reaktionen

3.4.3 Die Beschränkung auf das System

3.4.4 Die Eigenschaften der Freien Enthalpie

4 Physikalische Umwandlungen

4.1 Die Thermodynamik von Phasenübergängen

4.1.1 Die Stabilitätsbedingung

4.1.2 Die Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie

4.1.3 Die Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie

4.1.4 Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung

4.2 Phasendiagramme reiner Substanzen

4.2.1 Phasengrenzlinien

4.2.2 Der Verlauf von Phasengrenzlinien

4.2.3 Charakteristische Punkte im Phasendiagramm

4.2.4 Die Phasenregel

4.2.5 Phasendiagramme ausgewählter Substanzen

4.3 Partielle molare Größen

4.3.1 Partielles molares Volumen

4.3.2 Das chemische Potenzial

4.3.3 Spontane Mischungsprozesse

4.4 Lösungen

4.4.1 Ideale Lösungen

4.4.2 Das chemische Potenzial des Lösungsmittels

4.4.3 Ideal verdünnte Lösungen

4.4.4 Das chemische Potenzial des gelösten Stoffes

4.4.5 Reale Lösungen: Aktivitäten

4.5 Kolligative Eigenschaften

4.5.1 Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung

4.5.2 Osmose

4.6 Phasendiagramme von Mischungen

4.6.1 Mischungen flüchtiger Flüssigkeiten

4.6.2 Flüssig/Flüssig-Phasendiagramme

4.6.3 Flüssig/Fest-Phasendiagramme

4.6.4 Das Zonenschmelzverfahren

4.6.5 Das Nernst’sche Verteilungsgesetz

5 Chemische Umwandlungen

5.1 Thermodynamik chemischer Reaktionen

5.1.1 Die Freie Reaktionsenthalpie

5.1.2 Die Abhängigkeit der Freien Reaktionsenthalpie von der Zusammensetzung

5.1.3 Reaktionen im Gleichgewichtszustand

5.1.4 Die Freie Standardreaktionsenthalpie

5.2 Die Gleichgewichtskonstante

5.2.1 Die Zusammensetzung im Gleichgewicht

5.2.2 Die Beziehung zwischen Gleichgewichtskonstante und Konzentrationen

5.2.3 Die molekulare Interpretation von Gleichgewichtskonstanten

5.3 Der Einfluss äußerer Bedingungen auf das Gleichgewicht

5.3.1 Der Einfluss der Temperatur

5.3.2 Der Einfluss des Drucks

5.3.3 Die Gegenwart eines Katalysators

5.4 Säure-Base-Gleichgewichte

5.4.1 Die Brønsted-Lowry-Theorie

5.4.2 Protonierung und Deprotonierung

5.5 Mehrwertige Säuren

5.5.1 Sukzessive Deprotonierung

5.5.2 Speziierung

5.6 Säure-Base-Gleichgewichte von wässrigen Salzlösungen

5.6.1 Der pH-Wert von Salzlösungen

5.6.2 Säure-Base-Titrationen

5.6.3 Puffer

5.7 Löslichkeitsgleichgewichte

5.7.1 Das Löslichkeitsprodukt

5.7.2 Der Einfluss gemeinsamer Ionen auf die Löslichkeit

5.7.3 Der Einfluss der Zugabe von Salzen auf die Löslichkeit

5.8 Ionen in Lösung

5.8.1 Mittlere Aktivitätskoeffizienten

5.8.2 Die Debye-Hückel-Theorie

5.8.3 Die Wanderung von Ionen

5.9 Elektrochemische Zellen

5.9.1 Halbreaktionen und Elektroden

5.9.2 Reaktionen an Elektroden

5.9.3 Zelltypen

5.9.4 Die Zellreaktion

5.9.5 Die Zellspannung

5.10 Standardpotenziale

5.10.1 Die Beiträge der einzelnen Elektroden

5.10.2 Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten aus Standardpotenzialen

5.10.3 Die Abhängigkeit des Potenzials vom pH-Wert

5.10.4 Die elektrochemische Reihe

5.10.5 Die Kombination von Standardpotenzialen

5.10.6 Bestimmung thermodynamischer Daten aus Standardpotenzialen

6 Chemische Kinetik

6.1 Empirische chemische Kinetik

6.1.1 Die Definition der Reaktionsgeschwindigkeit

6.1.2 Experimentelle Techniken

6.2 Geschwindigkeitsgesetze

6.2.1 Die Geschwindigkeitskonstante

6.2.2 Die Reaktionsordnung

6.2.3 Die Bestimmung des Geschwindigkeitsgesetzes

6.3 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze

6.3.1 Reaktionen nullter Ordnung

6.3.2 Reaktionen erster Ordnung

6.3.3 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A Produkte

6.3.4 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A+B Produkte

6.3.5 Halbwertszeiten

6.4 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit

6.4.1 Die Arrhenius-Parameter

6.4.2 Die Stoßtheorie von Reaktionen in der Gasphase

6.4.3 Die Theorie des Übergangszustands

6.5 Die Annäherung an den Gleichgewichtszustand

6.5.1 Gleichgewichte und Reaktionsgeschwindigkeiten

6.5.2 Relaxation

6.6 Reaktionsmechanismen

6.6.1 Elementarreaktionen

6.6.2 Die Aufstellung von Geschwindigkeitsgesetzen

6.6.3 Folgereaktionen

6.6.4 Der Übergangszustand

6.6.5 Die Näherung des stationären Zustands

6.6.6 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt

6.6.7 Kinetische Kontrolle

6.6.8 Unimolekulare Reaktionen

6.7 Reaktionen in Lösung

6.7.1 Aktivierungskontrolle und Diffusionskontrolle

6.7.2 Diffusion

6.8 Homogene Katalyse

6.8.1 Der Michaelis-Menten-Mechanismus der enzymatischen Katalyse

6.8.2 Analyse der Geschwindigkeiten enzymatisch katalysierter Reaktionen

6.9 Heterogene Katalyse

6.9.1 Physisorption und Chemisorption

6.9.2 Adsorptionsisothermen

6.9.3 Mechanismen oberflächenkatalysierter Reaktionen

7 Quantentheorie

7.1 Die Grundlagen der Quantentheorie

7.1.1 Der Nachweis diskreter Energieniveaus

7.1.2 Der Nachweis des Teilchencharakters von Strahlung

7.1.3 Der Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus

7.2 Die Dynamik mikroskopischer Systeme

7.2.1 Die Schrödinger-Gleichung

7.2.2 Die Born’sche Interpretation

7.2.3 Die Unschärferelation

7.3 Translation

7.3.1 Bewegung in einer Dimension

7.3.2 Der Tunneleffekt

7.3.3 Bewegung in zwei Dimensionen

7.4 Rotation

7.4.1 Rotation in zwei Dimensionen

7.4.2 Rotation in drei Dimensionen

7.5 Schwingung

7.5.1 Der harmonische Oszillator

7.5.2 Quantenmechanische Behandlung des harmonischen Oszillators

8 Der Aufbau der Atome

8.1 Wasserstoffähnliche Atome

8.1.1 Die erlaubten Energieniveaus des Wasserstoffatoms

8.1.2 Quantenzahlen

8.1.3 Wellenfunktionen: s-Orbitale

8.1.4 Wellenfunktionen: p- und d-Orbitale

8.2 Der Aufbau von Mehrelektronenatomen

8.2.1 Die Orbitalnäherung

8.2.2 Der Elektronenspin

8.2.3 Das Pauli-Prinzip

8.2.4 Durchdringung und Abschirmung

8.2.5 Das Aufbauprinzip

8.2.6 Die Besetzung der d-Orbitale

8.2.7 Die Konfiguration von Kationen und Anionen

8.2.8 Self-Consistent-Field-Orbitale

8.3 Die Periodizität der atomaren Eigenschaften

8.3.1 Der Radius von Atomen und Ionen

8.3.2 Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität

8.4 Atomspektroskopie

8.4.1 Die Spektren wasserstoffähnlicher Atome

8.4.2 Die Spektren von Mehrelektronenatomen

8.4.3 Die Spin-Bahn-Kopplung

8.4.4 Auswahlregeln für Mehrelektronenatome

9 Die chemische Bindung

9.1 Die Valence-Bond-Theorie

9.1.1 Zweiatomige Moleküle

9.1.2 Mehratomige Moleküle

9.1.3 Promotion und Hybridisierung

9.1.4 Resonanz

9.1.5 Begriffsdefinitionen in der Valence-Bond-Theorie

9.2 Molekülorbital-Theorie: homonukleare, zweiatomige Moleküle

9.2.1 Linearkombination von Atomorbitalen

9.2.2 Bindende und antibindende Orbitale

9.2.3 Inversionssymmetrie

9.2.4 Die chemische Bindung in der MO-Theorie

9.2.5 Die elektronische Struktur homonuklearer, zweiatomiger Moleküle

9.2.6 Die Konfigurationen homonuklearer, zweiatomiger Moleküle der zweiten Periode

9.2.7 Die Kriterien für die Bildung von Molekülorbitalen

9.3 Molekülorbital-Theorie: heteronukleare, zweiatomige Moleküle

9.3.1 Polare Bindungen

9.3.2 Die Formulierung von Molekülorbitalen

9.3.3 Molekülorbital-Diagramme

9.4 Molekülorbital-Theorie: mehratomige Moleküle

9.4.1 Die Molekülorbitale von Wasser

9.4.2 Die Hückel-Methode

9.4.3 Die Molekülorbitale von Benzol

9.4.4 Computerchemie

10 Molekulare Wechselwirkungen

10.1 Elektrische Eigenschaften von Molekülen

10.1.1 Elektrische Dipolmomente

10.1.2 Dipolmomente mehratomiger Moleküle

10.1.3 Polarisierbarkeit

10.2 Wechselwirkungen zwischen Molekülen

10.2.1 Wechselwirkungen zwischen Partialladungen

10.2.2 Wechselwirkungen zwischen Ladungen und Dipolen

10.2.3 Wechselwirkungen zwischen Dipolen

10.2.4 Induzierte Dipolmomente

10.2.5 Dispersionswechselwirkungen

10.2.6 Wasserstoffbrückenbindungen

10.2.7 Der hydrophobe Effekt

10.2.8 Die Beschreibung der Gesamtwechselwirkung

11 Molekulare Spektroskopie

11.1 Allgemeine Aspekte der Spektroskopie

11.1.1 Spektrometer

11.1.2 Absorption und Emission

11.1.3 Die Raman-Streuung

11.1.4 Linienbreiten

11.2 Rotationsspektroskopie

11.2.1 Energieniveaus der Rotation von Molekülen

11.2.2 Verbotene und erlaubte Rotationszustände

11.2.3 Die Besetzung von Rotationszuständen im thermischen Gleichgewicht

11.2.4 Mikrowellenspektroskopie

11.2.5 Raman-Rotationsspektren

11.3 Schwingungsspektroskopie

11.3.1 Schwingungen von Molekülen

11.3.2 Schwingungsübergänge

11.3.3 Anharmonizität

11.3.4 Raman-Schwingungsspektren zweiatomiger Moleküle

11.3.5 Schwingungen mehratomiger Moleküle

11.3.6 Rotationsschwingungsspektren

11.3.7 Raman-Schwingungsspektren mehratomiger Moleküle

11.4 Elektronenspektroskopie

11.4.1 Spektren im ultravioletten und sichtbaren Bereich

11.4.2 Spezielle Arten von Elektronenübergängen

11.4.3 Untersuchung von Mischungen mittels Elektronenspektroskopie

11.4.4 Photoelektronenspektroskopie

11.5 Die Desaktivierung angeregter Zustände

11.5.1 Fluoreszenz und Phosphoreszenz

11.5.2 Mechanismus der Desaktivierung angeregter Zustände

11.5.3 Fluoreszenzlöschung

11.5.4 Resonanzenergietransfer

12 Statistische Thermodynamik

12.1 Die Boltzmann-Verteilung

12.1.1 Die Besetzung von Zuständen

12.1.2 Die allgemeine Form der Boltzmann-Verteilung

12.1.3 Die Ursprünge der Boltzmann-Verteilung

12.2 Die Zustandssumme

12.2.1 Die Bedeutung der Zustandssumme

12.2.2 Die molekulare Zustandssumme

12.2.3 Die Translationszustandssumme

12.2.4 Die Rotationszustandssumme

12.2.5 Die Schwingungszustandssumme

12.2.6 Die elektronische Zustandssumme

12.2.7 Die Aussagekraft der molekularen Zustandssumme

12.3 Der Ursprung thermodynamischer Eigenschaften

12.3.1 Die Innere Energie

12.3.2 Die Wärmekapazität

12.3.3 Die Entropie

12.3.4 Die Freie Enthalpie

12.3.5 Die Berechnung der Gleichgewichtskonstante

13 Magnetische Resonanz

13.1 Das Prinzip der magnetischen Resonanz

13.1.1 Kerne in Magnetfeldern

13.1.2 Die Resonanzbedingung

13.1.3 Technische Aspekte der NMR

13.2 Die Auswertung von NMR-Spektren

13.2.1 Die chemische Verschiebung

13.2.2 Die Feinstruktur

13.2.3 Die Ursachen der Spin-Spin-Aufspaltung

13.2.4 Spinrelaxation

13.2.5 Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse

13.3 Elektronenspinresonanz

13.3.1 Elektronen in Magnetfeldern

13.3.2 Technische Aspekte der ESR

13.3.3 Der g-Faktor

13.3.4 Die Hyperfeinstruktur

14 Makromoleküle und Selbstorganisation

14.1 Biologische und synthetische Makromoleküle

14.1.1 Die mittlere Molmasse

14.1.2 Strukturmodelle

14.1.3 Strukturmodelle: Zufallsknäuel

14.1.4 Strukturmodelle: Polypeptide und Polynucleotide

14.1.5 Die Vorhersage von Proteinstrukturen

14.1.6 Mechanische Eigenschaften von Polymeren

14.1.7 Thermische Eigenschaften von Polymeren

14.2 Mesophasen und disperse Systeme

14.2.1 Flüssigkristalle

14.2.2 Unterteilung disperser Systeme

14.2.3 Oberfläche, Struktur und Stabilität

14.2.4 Die elektrische Doppelschicht

14.2.5 Oberflächen von Flüssigkeiten und der Einfluss von Tensiden

15 Festkörper

15.1 Kristallstrukturen

15.1.1 Die Identifizierung von Kristallebenen

15.1.2 Die Bestimmung von Kristallstrukturen

15.1.3 Das Bragg’sche Gesetz

15.1.4 Experimentelle Techniken

15.2 Die chemische Bindung in Festkörpern

15.2.1 Metallische Festkörper

15.2.2 Ionische Festkörper

15.2.3 Die elektronische Struktur metallischer und ionischer Festkörper

15.2.4 Energetische Aspekte der Bindungen in ionischen Festkörpern

15.2.5 Molekulare Festkörper

15.2.6 Kovalente Netzwerke

15.3 Die Eigenschaften von Festkörpern

15.3.1 Elektrische Eigenschaften von Festkörpern

15.3.2 Supraleitung

15.3.3 Optische Eigenschaften von Festkörpern

15.3.4 Festkörperlaser

15.3.5 Magnetische Eigenschaften von Festkörpern

Anhang

Anhang 1 Standardintegrale

Anhang 2 Einheiten

Anhang 3 Daten

Stichwortverzeichnis

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