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- Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
Physikalisch-Chemisches Praktikum
Erfolgreich durchs Praktikum der Physikalischen Chemie!
Das Buch bietet eine umfassende Sammlung nach einheitlichem Schema aufgebauter Versuchsbeschreibungen, die alle Teilgebiete der Physikalischen Chemie abdeckt – entsprechend der von der Deutschen Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie verabschiedeten und publizierten Mindestinhalte der Lehre in diesem Fach.
In jedem der den klassischen Hauptarbeitsgebieten der Physikalischen Chemie gewidmeten Hauptkapitel finden sich zunächst einfache Versuche, die mit wenigen Mitteln bereits beim Verständnis wichtiger grundlegender Tatsachen helfen. Der Schwierigkeitsgrad und oft auch der apparativ-experimentelle Aufwand steigen dann, bis gegen Ende der Kapitel der typische Inhalt von Fortgeschrittenen-Praktika vorgestellt wird.
Damit schlägt das vorliegende Buch die Brücke zwischen dem Grundlagenwissen aus Vorlesungen und Lehrbüchern und der Bedienungsanleitung eines Messgerätes oder den praktischen Vorgaben der Versuchsbetreuerinnen und -betreuer. Es ersetzt dabei weder das Lehrbuch noch die Bedienungsanleitung, es erklärt vielmehr, wie sich der experimentelle Aufbau und das praktische Vorgehen nachvollziehbar aus dem Lehrbuch- und Vorlesungswissen ergeben.
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Seitenzahl: 371
Veröffentlichungsjahr: 2022
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Inhaltsverzeichnis
Cover
Titelblatt
Impressum
Geleitwort
Vorwort
Einführung
1 Thermodynamik
1.1 Grundlegende Versuche
1.2 Fortgeschrittene Versuche
2 Elektrochemie
2.1 Grundlegende Versuche
2.2 Fortgeschrittene Versuche
3 Atom- und Molekül-Spektroskopie
3.1 Grundlegende Versuche
3.2 Fortgeschrittene Versuche
4 Chemische Kinetik und Transportvorgänge
4.1 Grundlegende Versuche
4.2 Fortgeschrittene Versuche
5 Auswertung, Fehlerbetrachtung und Protokoll
5.1 Auswertung
5.2 Fehlerbetrachtung
5.3 Protokoll
Anhang A: Symbolverzeichnis
A.1 Symbole und Akronyme
A.2 Griechische Symbole
Anhang B: Begriffe und Definitionen
Anhang C: Maßeinheiten
Stichwortverzeichnis
Wiley End User License Agreement
Orientierungspunkte
Cover
Table of Contents
Titelblatt
Impressum
Geleitwort
Vorwort
Einführung
1 Thermodynamik
Anhang A: Symbolverzeichnis
Anhang B: Begriffe und Definitionen
Anhang C: Maßeinheiten
Stichwortverzeichnis
Wiley End User License Agreement
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Physikalisch-Chemisches Praktikum
Rudolf Holze
Autor
Prof. Dr. Rudolf HolzeTechnische Universität Chemnitz 09107Chemnitz Deutschland
TitelbildUnter Verwendung einer Abbildung von shutterstock/@luchschenF (Laborgeräte für physikalische Chemie).
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.
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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.
Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig Gedruckt auf säurefreiem Papier.
Geleitwort
Zur Zeit meines Studiums – und ich vermute, daß das immer noch so ist – haftete der physikalischen Chemie der Ruf des Theoretischen an, ganz im Unterschied zu den „eigentlich“ chemischen Fächern (die Organik, die Anorganik und zunehmend auch die Biochemie wurden von vielen als praktisch und handwerklich bevorzugt). Auf der einen Seite ist diese Einschätzung durchaus richtig: Versucht die physikalische Chemie doch, die physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben, die chemischen Prozessen zugrunde liegen. Auf der anderen Seite wohnt dieser Betrachtung aber ein großer Irrtum inne. Wie das vorliegende Buch wunderbar demonstriert, ist eine Theorie immer nur dann valide, wenn man die im Experiment erzielten Ergebnisse vollständig und genau erklären und vorhersagen kann.
Und auch die Formulierung einer Theorie setzt im Regelfall die Messung in der Natur oder die Durchführung von speziell geplanten Experimenten voraus. In diesem Sinne ist die physikalische Chemie also genau so experimentell wie eigentlich alle chemischen Fakultäten auch.
Eine Auseinandersetzung mit solchen Experimenten im Rahmen eines Chemiestudiums ist deswegen sinnvoll. Das vorliegende Buch macht hierfür vielfältige und gut gegliederte Vorschläge für die basalen Bereiche der physikalischen Chemie, Thermodynamik, Elektrochemie, Spektroskopie und Kinetik.
Ich hoffe sehr, daß die Durchführung der beschriebenen Experimente den angehenden Chemikern und Chemikerinnen gleichzeitig Erkenntnisgewinn und Spaß bereitet!
Erster Vorsitzender der Deutschen Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie 2021–2022
Florian Budde
Vorwort
Im Chemiestudium nimmt die praktische Ausbildung einen besonders großen Anteil ein; in der Regel finden 50 Prozent der Ausbildung im Labor in Praktika verschiedener Art statt. Die physikalische Chemie bildet hier keine Ausnahme, sie unterscheidet sich von anderen Praktika in der Chemieausbildung (und hat dies mit der technischen Chemie/chemischen Technologie gemeinsam) allerdings in der mit Verlauf des Studiums zunehmenden Nutzung immer komplizierterer und leistungsfähigerer Methoden und Geräte, die dennoch meist selbst zu bedienen sind. Vor ihrer erfolgreichen Anwendung steht aber die Erarbeitung eines ausreichend tiefen Verständnisses der Grundlagen durchzuführender Versuche und der im Experiment erwarteten Verifizierung von Modellen und Hypothesen oder der Ermittlung von Daten. Hier will das vorliegende Buch mit einer breiten Auswahl von Versuchen die Brücke zwischen dem Grundlagenwissen aus Vorlesungen und Lehrbüchern und der Bedienungsanleitung eines Meßgerätes oder den praktischen Vorgaben einer Versuchsbetreuerin herstellen. Es will dabei weder das Lehrbuch noch die Bedienungsanleitung ersetzen, es will vielmehr erklären, wie sich der experimentelle Aufbau und das praktische Vorgehen nachvollziehbar aus dem Lehrbuch- und Vorlesungswissen ergibt. Und es will helfen, die praktischen Hinweise und Anleitungen wirklich zu verstehen.
Die Zusammenstellung der Versuchsbeschreibungen ist am von der Deutschen Bunsen-Gesellschaft für physikalische Chemie beschlossenen Stoffverzeichnis der physikalischen Chemie im Bachelor-Studium Chemie orientiert, dieses Verzeichnis bildet sich – mit der naheliegenden Ausnahme der theoretischen Chemie – in diesem Buch exakt ab. In jedem der den klassischen Hauptarbeitsgebieten der physikalischen Chemie gewidmeten Hauptkapitel finden sich zunächst einfache Versuche, die mit wenigen Mitteln bereits beim Verständnis wichtiger grundlegender Tatsachen helfen. Der Schwierigkeitsgrad und oft auch der apparativ-experimentelle Aufwand steigen dann, bis gegen Ende der Kapitel der typische Inhalt von Fortgeschrittenenpraktika vorgestellt wird. Die Beschreibungen sind der eigenen Lehrtätigkeit an einer Reihe in- und ausländischer Universitäten und Forschungseinrichtungen entnommen, sie wurden um Beschreibungen ergänzt, die auf Anregungen in Versuchsbeschreibungen und Sammelwerken anderer Autoren zurückgehen. Den zahlreichen, oftmals unbekannten Autorinnen und Autoren von Beschreibungen, die der Autor an den bisherigen Orten seiner Arbeit vorgefunden hat, sei an dieser Stelle gedankt. Besonderer Dank ist J. Roscher aus der ehemaligen AG Elektrochemie der Technischen Universität Chemnitz geschuldet; sie hat mit großer Geduld Versuche ausprobiert, Schwachstellen identifiziert und Verbesserungsvorschläge gemacht.
Animiert durch den Hinweis von Mark Twain „Wenn ich gewußt hätte, daß man ein Buch für einen Dollar in der Drogerie kaufen kann, hätte ich mir nicht die Arbeit gemacht, eines selber zu schreiben“, hat der Autor seine Freizeit dazu verwendet. Anregende Umgebungen bei wiederholten Lehr- und Forschungsaufenthalten an der Fudan University, Shanghai, an der Nanjing Tech University, Nanjing, China, in der Gastfreundschaft von Yuping Wu und an der Northeastern University, Shenyang, sowie an der Staatlichen Universität St. Petersburg und dem Indian Institute of Science, Bangalore, bei Ashok Shukla, haben geholfen, sich auf diese Erkenntnis zu konzentrieren.
Chemnitz, Nanjing, St. Petersburg, Bangalore, November 2021
Rudolf Holze
Einführung
In den folgenden vier Hauptkapiteln werden Versuche der vier Hauptarbeitsgebiete der physikalischen Chemie nach einem einheitlichen Schema beschrieben. Einer knappen Aufgabenstellung, die in ihrer klaren Formulierung Vorbereitung wie Durchführung, Auswertung und schließlich Darstellung im Protokoll erleichtern soll, folgt ein Grundlagenabschnitt unterschiedlicher Länge. Der naheliegenden Versuchung, Lehrbuchwissen auszubreiten, wurde regelmäßig widerstanden. Es gibt eine erhebliche Anzahl mehr oder weniger guter, knapper wie ausführlicher, lesbarer wie auch weniger motivierender Lehrbücher der Physikalischen Chemie und ihrer Teilgebiete. Zu große Ausführlichkeit hätte zudem den Umfang gesprengt. Es gibt allerdings auch etliche Versuche, zu denen in gängigen Lehrbüchern wenig oder gar nichts zu finden ist. Man mag dies bedauern, ändern kann man es hier nicht. Die naheliegende Idee, Leserin und Leser in die Originalliteratur oder zumindest in einschlägige Monographien zu schicken, wäre an dieser Stelle allenfalls billige Rache gewesen. Also ist hier der Grundlagenabschnitt etwas großzügiger ausgefallen.
Im Abschnitt „Ausführung“ werden zunächst die benötigten Verbrauchsmaterialien und Geräte aufgelistet, vor allem bei weniger gängigen Apparaturen und Substanzen mag dies hilfreich sein. Auf detailverliebte Darstellung von Zitaten aus Gefahrstoffverordnung und ähnlichen Quellen wird verzichtet, der Autor vertraut auf verantwortungsbewußtes Handeln der Leserinnen und Leser. Lediglich in Ausnahmefällen, z. B. beim Gebrauch von Laser-Systemen, oder bei erfahrungsgemäß für Flüchtigkeitsfehler besonders anfälligen Prozeduren werden Sicherheitshinweise eingestreut. Zudem haben sich in vielen Praktika lokale Prozeduren beim Umgang mit Sicherheitsvorschriften eingebürgert, mit denen hier nicht konkurriert werden soll. Im Aufbau wird die für die Durchführung benötigte Zusammenstellung der bereits im vorangegangenen Abschnitt benannten Geräte beschrieben. In gebotener Kürze wird in Ausführung der experimentelle Ablauf beschrieben. Dabei wurde stets darauf geachtet, daß der beschriebene Versuch auch funktioniert. Bei Versuchsbeschreibungen, die eigens entwickelte Computerprogramme und auf den Versuch angepasste Programm- und Gerätekombinationen zur z. B. erleichterten Aufzeichnung einer Konzentrations-Zeit-Reihe einsetzen, wurde, soweit möglich, das Prinzip dargestellt (im Beispiel durch Hinweise zum zeitlichen Ablauf der Datenerfassung). Dies gestattet im Einzelfall vorhandene Ausrüstung entsprechend diesen Vorgaben anzupassen oder sogar auf manchmal kostenträchtige Sonderlösungen verzichten zu können. In der Auswertung werden mit Blick auf die erwarteten Ergebnisse und die eingangs formulierte Aufgabenstellung der Gang der Bearbeitung der experimentellen Ergebnisse beschrieben, mitunter wird eine graphische Darstellung zur Illustration des zu erwartenden Resultates oder das berechnete Endergebnis mit Verweis auf eine Literaturstelle zum Vergleich angegeben. Bei einigen Beschreibungen dienen im vorletzten Abschnitt Fragen und Anregungen zur Vertiefung des im Versuch behandelten Gegenstandes und als Anregung zum eigenständigen Literaturstudium. Weniger als Fragen sind an dieser Stelle gegebene Hinweise zur Versuchsvorbereitung gemeint. Für beide Fälle bedarf es keiner Mitteilung von „Lösungen“ oder Antworten im Buch oder an anderer Stelle. Abschließend finden sich Literaturhinweise und weiterführende Literatur, in denen die Grundlagen vertieft und ggf. weitere Vergleichsdaten gefunden werden können.
Im abschließenden fünften Kapitel werden Hinweise zur Fehlerbetrachtung und Protokollherstellung gegeben. Auch wenn nicht in jedem Protokoll das hier ausgebreitete Wissen Anwendung finden wird, wäre zumindest schon etwas erreicht, wenn die Flut der ebenso überfiüssigen wie ungerechtfertigten Nachkommastellen in vielen Texten eingedämmt und der Sinn für zumindest ein bescheidenes Maß der Selbstkritik geschärft würde. Ein allgemeines Kapitel zur Ergebnisdarstellung schließt Hinweise zur Gestaltung korrekter Abbildungen sowie zur Fehlerbetrachtung ein. Dabei mag mancher Hinweis trivial erscheinen – es wurden nur Hinweise aufgenommen, die auf eigene Erfahrungen zurückgehen.
Die von der International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC formulierten Regeln zur Beschreibung, zum Beschriften und zur Darstellung werden eingehalten (Pure Appl. Chem. 37 (1974) 499–516). Dazu gehört die Verwendung kursiver Symbole (U, I, V), von denen durch einen Schrägstrich die Maßeinheit abgetrennt ist (U/V, I/A), Maßeinheiten folgen dem SI-System (s. Anhang C), lediglich die Einheit L für Liter wird dem etwas unhandlichen m3 bzw. dm3 vorgezogen. Molare Konzentrationen werden mit der vereinfachten Einheit M (statt mol ⋅ L−1) angegeben.
