Kurzlehrbuch Physikalische Chemie E-Book

Peter W. Atkins

• Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 1844

Veröffentlichungsjahr: 2019

Beschreibung

Mit seinem lebendigen und anschaulichen Stil sowie einer immer weiter verfeinerten Didaktik hat Peter Atkins das Lernen und Lehren in der Physikalischen Chemie revolutioniert. Sein Stil ist unverwechselbar - und unerreicht.
Die 5. Auflagedes "kleinen" Atkins für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge hat ein neues, innovatives Konzept, das dabei unterstützt, sämtliche Hürden zu meistern.
Der Stoff ist in 15 Fokus-Kapitel aufgeteilt. Zu Beginn jedes Fokus werden Beziehungen zwischen den Abschnitten innerhalb eines Fokus hergestellt, um die Verbindungen zwischen den verschiedenen Gebieten der Physikalischen Chemie hervorzuheben.
Jeder Abschnitt beginnt mit einer Motivation, Nennung der Schlüsselideen und der Voraussetzungen, die die Leserinnen und Leser zum Verständnis des Abschnitts mitbringen sollten.
Zahlreiche durchgerechnete Beispiele, Zusammenfassungen, Verständnistests und Hinweise zur richtigen Verwendung von Fachsprache helfen dabei, die erlernten Konzepte zu festigen und ermöglichen zielgerichtetes Lernen und Wiederholen.
Passend zur 5. Auflage gibt es erstmals ein Arbeitsbuch mit durchgerechneten Lösungen der mehr als 800 Aufgaben.
Der "kleine" Atkins ist und bleibt ein Muss für jeden Einsteiger und jede Einsteigerin in die Physikalische Chemie.

Auch im attraktiven Deluxe-Set mit dem Arbeitsbuch erhältlich!

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Cover

Vorwort

Hinweise zur Benutzung des Buches

Energie, Temperatur und Chemie

FOKUS 1 Die Eigenschaften der Gase

1.1 Das ideale Gas

1.2 Die kinetische Gastheorie

1.3 Reale Gase

FOKUS 2 Thermodynamik: der Erste Hauptsatz

2.1 Arbeit

2.2 Wärme

2.3 Innere Energie

2.4 Enthalpie

2.5 Physikalische Umwandlungen

2.6 Chemische Umwandlungen

FOKUS 3 Thermodynamik: der Zweite Hauptsatz

3.1 Die Entropie

3.2 Die Entropieänderung

3.3 Absolute Entropien

3.4 Die Freie Enthalpie

FOKUS 4 Physikalische Umwandlungen

4.1 Die Thermodynamik von Phasenübergängen

4.2 Phasendiagramme reiner Substanzen

4.3 Partielle molare Größen

4.4 Lösungen

4.5 Kolligative Eigenschaften

4.6 Phasendiagramme von Mischungen

FOKUS 5 Chemische Umwandlungen

5.1 Thermodynamik chemischer Reaktionen

5.2 Die Gleichgewichtskonstante

5.3 Der Einfluss äußerer Bedingungen auf das Gleichgewicht

5.4 Säure-Base-Gleichgewichte

5.5 Mehrwertige Säuren

5.6 Säure-Base-Gleichgewichte von wässrigen Salzlösungen

5.7 Löslichkeitsgleichgewichte

5.8 Ionen in Lösung

5.9 Elektrochemische Zellen

5.10 Standardpotenziale

FOKUS 6 Chemische Kinetik

6.1 Empirische chemische Kinetik

6.2 Geschwindigkeitsgesetze

6.3 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze

6.4 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit

6.5 Die Annäherung an den Gleichgewichtszustand

6.6 Reaktionsmechanismen

6.7 Reaktionen in Lösung

6.8 Homogene Katalyse

6.9 Heterogene Katalyse

FOKUS 7 Quantentheorie

7.1 Die Grundlagen der Quantentheorie

7.2 Die Dynamik mikroskopischer Systeme

7.3 Translation

7.4 Rotation

7.5 Schwingung

FOKUS 8 Der Aufbau der Atome

8.1 Wasserstoffähnliche Atome

8.2 Der Aufbau von Mehrelektronenatomen

8.3 Die Periodizität der atomaren Eigenschaften

8.4 Atomspektroskopie

FOKUS 9 Die chemische Bindung

9.1 Die Valence-Bond-Theorie

9.2 Molekülorbital-Theorie: homonukleare, zweiatomige Moleküle

9.3 Molekülorbital-Theorie: heteronukleare, zweiatomige Moleküle

9.4 Molekülorbital-Theorie: mehratomige Moleküle

FOKUS 10 Molekulare Wechselwirkungen

10.1 Elektrische Eigenschaften von Molekülen

10.2 Wechselwirkungen zwischen Molekülen

FOKUS 11 Molekulare Spektroskopie

11.1 Allgemeine Aspekte der Spektroskopie

11.2 Rotationsspektroskopie

11.3 Schwingungsspektroskopie

11.4 Elektronenspektroskopie

11.5 Die Desaktivierung angeregter Zustände

FOKUS 12 Statistische Thermodynamik

12.1 Die Boltzmann-Verteilung

12.2 Die Zustandssumme

12.3 Der Ursprung thermodynamischer Eigenschaften

FOKUS 13 Magnetische Resonanz

13.1 Das Prinzip der magnetischen Resonanz

13.2 Die Auswertung von NMR-Spektren

13.3 Elektronenspinresonanz

FOKUS 14 Makromoleküle und Selbstorganisation

14.1 Biologische und synthetische Makromoleküle

14.2 Mesophasen und disperse Systeme

FOKUS 15 Festkörper

15.1 Kristallstrukturen

15.2 Die chemische Bindung in Festkörpern

15.3 Die Eigenschaften von Festkörpern

Anhang

Anhang 1 Standardintegrale

Anhang 2 Einheiten

Anhang 3 Daten

Stichwortverzeichnis

Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

Tabellenverzeichnis

Kapitel 1

Tab. 1.1. Die Gaskonstante in verschiedenen Einheiten.

Tab. 1.2. Molvolumina von Gasen bei Standardtemperatur und Standarddruck (298,15...

Tab. A1. Zusammensetzung der Erdatmosphäre.

Tab. 1.3. Stoßquerschnitte einiger Atome und Moleküle.

Tab. 1.4. Kritische Temperaturen einiger Gase.

Tab. 1.5. Van-der-Waals-Konstanten einiger Gase.

Kapitel 2

Tab. 2.1. Wärmekapazitäten einiger Materialien.

Tab. 2.2. Gleichverteilungssatz − Beiträge der Bewegungsarten zur mittleren Ener...

Tab. 2.3. Temperaturabhängigkeit von Wärmekapazitäten*).

Tab. 2.4. Standardenthalpien von Phasenübergängen bei der Übergangstemperatur.*)

Tab. 2.5. Erste und zweite (und einige höhere) Standardionisierungsenthalpien de...

Tab. 2.6. Elektronenaufnahmeenthalpien der Hauptgruppenelemente, ΔEa H⊖/(kJ mol−...

Tab. 2.7. Ausgewählte Dissoziationsenthalpien bei 298,15 K, ΔH(AB)/(kJ mol−1).

Tab. 2.8. Mittlere Dissoziationsenthalpien bei 298,15 K, Δd H/(kJ mol—1 ).*)

Tab. 2.9. Standardverbrennungsenthalpien bei 298,15 K.

Tab. 2.10. Referenzzustände einiger Elemente.

Tab. 2.11. Standardbildungsenthalpien bei 298,15 K*).

Tab. A2 Thermochemische Eigenschaften einiger Brennstoffe.

Kapitel 3

Tab. 3.1. Verdampfungsentropien einiger Substanzen am Siedepunkt bei 1 atm.

Tab. 3.2. Molare Standardentropien einiger Substanzen bei 298,15k*)

Kapitel 4

Tab. 4.1. Dampfdrücke.*)

Tab. 4.1. Beachten Sie, dass auf der vertikalen Achse der dekadische Logarithmus...

Tab. 4.2. Kritische Konstanten.*)

Tab. 4.3. Henry-Konstanten einiger Gase in Wasser bei 25°C.

Tab. 4.4. Aktivitäten und Standardzustände*).

Tab. 4.5. Kryoskopische und ebullioskopische Konstanten.

Kapitel 5

Tab. 5.1. Thermodynamische Spontaneitätskriterien.

Tab. 5.2. Freie Standardbildungsenthalpien bei 298,15 K*).

Tab. 5.3. Säure- und Basekonstanten*) bei 298,15 K.

Tab. 5.4. Säurekonstanten mehrwertiger Säuren bei 298,15 K.

Tab. 5.5. Löslichkeitsprodukte bei 298,15 K.

Tab. 5.6. Ionenleitfähigkeiten, λ/(mS m2 mol−1), bei 298,15 K*).

Tab. 5.7. lonenbeweglichkeiten in Wasser, u/(10−8 m2 s−1 V−1), bei 298,15k.

Tab. 5.8. Arten von Elektroden.

Tab. 5.9. Standardpotenziale bei 298,15K.

Kapitel 6

Tab. 6.1 Methoden zur Untersuchung schneller Reaktionen.

Tab. 6.2 Kinetische Daten für einige Reaktionen erster Ordnung.

Tab. 6.3 Kinetische Daten für einige Reaktionen zweiter Ordnung.

Tab. 6.4 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze.

Tab. 6.5 Arrhenius-Parameter.

Tab. 6.6 Diffusionskoeffizienten bei 25°C, D/(10−9 m2 s−1).

Tab. 6.7 Viskositätskoeffizienten bei 25 °C, η/(10−3 kg m−1 s−1).

Kapitel 7

Tab. 8.1. Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms.*)

Tab. 8.2. Atomradien der Hauptgruppenelemente, r/pm.

Tab. 8.3. Ionenradien, r/pm.*)

Tab. 8.4. Erste lonisierungsenergien der Hauptgruppenelemente, I/eV.*)

Tab. 8.5. Elektronenaffinitäten der Hauptgruppenelemente, EEa/eV.*)

Kapitel 8

Tab. 9.1. Hybridorbitale.

Tab.9.2.Elektronegativitäten der Hauptgruppenelemente.*)

Tab. A3 Zusammenfassung der/4b-/'n/f/o-Berechnungen und spektroskopische Daten v...

Kapitel 9

Tab. 10.1 Dipolmomente (μ), Polarisierbarkeit (α) und mittlere Polarisierbarkeit...

Tab. 10.2 Potenzielle Energien unterschiedlicher Arten der Wechselwirkung.

Tab. 10.3 Lennard-Jones-Parameter für das (12,6)-Potenzial.

Kapitel 11

Tab. 11.1 Trägheitsmomente.

Tab. 11.2 Eigenschaften zweiatomiger Moleküle.

Tab. 11.3 Farbe, Frequenz und Energie von Licht.

Kapitel 13

Tab. 13.1 Kernaufbau und Kernspinquantenzahlen.

Tab. 13.2 Kerneigenschaften.

Kapitel 14

Tab. 14.1 Wechselwirkungen in Makromolekülen.

Tab. 14.2 Oberflächenspannungen einiger Flüssigkeiten bei 293 K.

Kapitel 15

Tab. 15.1 Die sieben Kristallsysteme und ihre essenziellen Symmetrieelemente.

Tab. 15.2 Radienverhältnisse und Kristallstrukturen.

Tab. 15.3 Tab. 15.3 Ionenradien, r/pm.

Tab. 15.4 Gitterenthalpien,

Tab. 15.5 Madelung-Konstanten.

Tab. 15.6 Magnetische Suszeptibilitäten bei 298 K*).

Anhang

Tab. A2.1 SI-Basiseinheiten

Tab. A2.2 Auswahl abgeleiteter Einheiten

Tab. A2.3 Weitere Einheiten

Tab. A2.4 SI-Präfixe

Tab. A3.1 Thermodynamische Daten organischer Verbindungen bei 298,15 K

Tab. A3.2 Thermodynamische Daten für Elemente und anorganische Verbindungen bei ...

Tab. 3.3a Standardpotenziale bei 298,15K in elektrochemischer Reihenfolge.

Tab. 3.3b Standardpotenziale bei 298,15K in alphabetischer Reihenfolge.

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Peter W. Atkins, Julio de Paula

Kurzlehrbuch Physikalische Chemie

Peter W. Atkins, Julio de Paula

Kurzlehrbuch Physikalische Chemie

für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge

5. Auflage

Übersetzt von Cord Hartmann

Autoren

Prof. Dr. Peter W. Atkins

Lincoln CollegeOxford UniversityTurl StreetOX1 3DR OxfordGroßbritannien

Prof. Dr. Julio de Paula

College of Arts and SciencesLewis & Clark College0815 S.W. Palatine Hill RoadPortland OR 9721USA

Originalausgabe

Peter Atkins and Julio de Paula, Elements of Physical Chemistry, 7th edition, was originally published in English in 2017. This translation is published by agreement with Oxford University Press. Wiley-VCH is solely resposible for this translation from the original work and Oxford University University Press shall have no liability for any errors, omissions, inaccuracies, or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon.

Übersetzer

Dr. Cord Hartmann, München

5. Auflage 2020

Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

Print ISBN 978-3-527-34392-8

ePDF ISBN 978-3-527-82036-8

ePub ISBN 978-3-527-82034-4

Vorwort

Unsere Leserinnen und Leser sollen mit diesem Werk nicht nur fundiertes Wissen präsentiert bekommen, sondern die Lektüre dieses Buches soll auch Spaß machen. An diesem Leitgedanken haben wir uns orientiert und das Buch in der neuen Auflage so angepasst, dass Lehrende mehr Flexibilität bei der Gestaltung ihrer Vorlesungen haben und der behandelte Stoff für die Studierenden leichter zugänglich ist.

Kapitel gibt es nicht mehr. An ihre Stelle treten neue, inhaltlich zusammenhängende Teile, die wir als Fokus bezeichnet haben. In jedem Fokus wird ein großer Teilbereich der Physikalischen Chemie und damit verwandte Themen behandelt. Unterkapitel gibt es auch nicht mehr. An ihre Stelle rücken die Abschnitte, in denen konkrete Aspekte des jeweiligen Stoffes innerhalb eines Fokus im Detail betrachtet werden. Die Reihenfolge der Unterteilung eines Fokus in seine einzelnen Abschnitte kann, im Prinzip, jederzeit geändert werden – einzelne Abschnitte können sogar ausgelassen werden, ohne dass der Faden verloren geht. Diese Entscheidungsfreiheit ermöglicht es den Lehrenden, den zu bearbeitenden Stoff flexibel nach eigener Bewertung, je nach Bedarf und fachlicher Ausrichtung selbst zu wählen und an die Inhalte ihres Kurses anzupassen. Für die Studierenden haben wir den Lehrstoff in kleinere Unterabschnitte unterteilt, und wir gehen davon aus, dass dies hilfreich sein wird, um die Vielfalt der Themen zugänglicher zu machen, da sie nicht mehr mit dutzenden von Seiten zu einem Thema auf einmal konfrontiert werden. Wir wollen hier eine Abfolge kleinerer Hügel präsentieren anstelle eines einzelnen, gewaltigen Berges. Außerdem dürften die kompakten, schnell zu bearbeitenden Unterabschnitte Befürchtungen der Studierenden zerstreuen, etwas zu verpassen, sollte sich der Lehrende dazu entscheiden, Teile des Buches auszulassen.

Es ist uns bewusst, dass ein möglicher Kritikpunkt an dieser Herangehensweise ist, dass die gedanklichen Zusammenhänge zwischen den Themen in den Hintergrund geraten oder gar nicht erfasst werden. Aus diesem Grunde haben wir dafür gesorgt, dass jeder Fokus mit einer einleitenden Übersicht beginnt, um den inneren Aufbau kurz darzulegen und die inhaltlichen Verbindungen mit anderen Teilen des Buches zu erklären.

Auf Ebene der Abschnitte haben wir versucht, uns in die Gedankengänge der Studierenden hineinzuversetzen; hier gibt es nach unserer Erfahrung häufiger die Schwierigkeit, dass der Sinn eines bestimmten Themas nicht klar zu erkennen ist. Aus diesem Grunde beginnt jeder Abschnitt mit dem Kasten Motivation; hier wird die Frage beantwortet, die ein Studierender in einem solchen Fall stellen würde: „Warum ist dieses Thema wichtig?“ Im Kasten Schlüsselideen fassen wir dann knapp die wesentlichen Erkenntnisse zusammen, die durch das Erlernen des vorliegenden Themas gewonnen werden, d. h. warum es sich lohnt, diesen Abschnitt zu lesen. Außerdem gibt es noch eine andere wichtige Frage, die zumeist nicht laut ausgesprochen wird: „Was sind die Voraussetzungen, damit ich die Inhalte dieses Abschnittes auch verstehen kann?“ Diese Frage beantworten wir ebenfalls in einem eigens dafür vorgesehenen Kasten Voraussetzungen, in dem die wichtigsten (und mitunter essenziellen) Begriffe und Gesetzmäßigkeiten genannt werden, die aus unserer Sicht bereits vorab verinnerlicht sein sollten, um bei der weiteren Lektüre des Abschnitts den inhaltlichen Gedankengängen folgen zu können.

Viele der innovativen Elemente, die wir in vorangegangenen Auflagen des Buches aufgenommen haben, wurden aufgrund der positiven Rückmeldungen aus der Leserschaft beibehalten, und in manchen Fällen weiter ausgebaut. Wir sind uns beispielsweise darüber im Klaren, dass die Mathematik, die zur Bewältigung der Physikalischen Chemie unabdingbar ist, zunächst abschreckend wirken und mitunter sogar Ängste hervorrufen kann; daher haben wir bei Herleitungen mehr Einzelschritte explizit niedergeschrieben, damit der Rechenweg nachvollziehbar wird. In den sogenannten Toolkits werden die mathematischen Methoden kurz und knapp erklärt – und zwar in unmittelbarer Nähe zur Stelle des Buches, an der sie benötigt werden: ihre Funktion ist es, die Leserinnen und Leser an die verschiedenen Techniken und Konzepte zu erinnern (inklusive einiger wichtiger Grundlagen aus der allgemeinen Chemie und der Physik). Die Beispiele wurden komplett überarbeitet und neu strukturiert, um den Studierenden dabei zu helfen, Lösungswege systematisch zu entwickeln; insbesondere ist hierbei die Lektüre des Absatzes „Vorgehensweise“ zu Beginn eines jeden Beispiels hilfreich.

Einige der Toolkits übernehmen die Funktion des „Kapitels Null“ in früheren Auflagen des Buches. Dies halten wir für sinnvoll, denn die besprochenen Inhalte und Gedankenstützen sind nun dort untergebracht, wo sie auch benötigt werden, und nicht in einem separaten Teil des Buches, der – selbst wenn er gelesen wurde – womöglich längst wieder in Vergessenheit geraten ist. An die Stelle des alten „Kapitels Null“ tritt nun ein Prolog, in dem drei grundlegende Konzepte von herausragender Bedeutung für die gesamte Chemie kurz vorgestellt werden: Energie, Temperatur und die Boltzmann-Verteilung. Durch das Verständnis dieser Konzepte wird uns der größte Teil der Inhalte in der Physikalischen Chemie unmittelbar klar. Wir betrachten den Prolog nicht als einen separaten Abschnitt, sondern vielmehr als eine Art Schaufenster, durch das wir einen Ausblick geben wollen auf das, was das vorliegende Buch leisten soll (nämlich alle drei dieser Konzepte ausführlich zu ergründen).

Wie bei jeder neuen Auflage eines Buches haben wir auf die vielen hilfreichen Vorschläge unserer weltweiten Leserschaft zurückgegriffen, sowie auf die Kommentare zahlreicher Kollegen, die ihre Zeit für die Übersetzung des Buches in andere Sprachen und für das Korrekturlesen zur Verfügung gestellt haben. In diese Auflage haben wir zahlreiche Ideen von Studierenden eingearbeitet, und wir sind ihnen sehr dankbar für die wertvollen Einblicke aus Sicht der Lesenden und Lernenden. Ihre Wünsche und Anregungen sind nun Teil dieses Buches, und wir hoffen, dass es den Studierenden über manche Schwierigkeit hinweg hilft und ihnen ein wertvoller Begleiter in diesem mitunter schwierigen Fach ist. Ein ganz besonderer Dank gilt Prof. David Smith von der Bristol University für die große Sorgfalt, mit der er die Manuskripte begutachtet hat, und insbesondere für seine umfangreichen Beiträge zu den Übungsteilen am Ende jedes Fokus, die er kritisch durchgesehen, durchgerechnet und – falls nötig – in hervorragender Weise korrigiert und überarbeitet hat.

Es war wie immer eine Freude, mit unseren Verlegern zusammenzuarbeiten, denen wir herzlich für die konstruktive Unterstützung danken.

Peter W. Atkins, Julio de Paula

Hinweise zur Benutzung des Buches

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