Physikalische Chemie E-Book

Friedrich Bergler

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Verdammt clever!
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 338

Veröffentlichungsjahr: 2013

Beschreibung

Kompakt und »verdammt clever« auf den Punkt gebracht - In einfachen Worten und unter Rückgriff auf Alltagsphänomene werden die Grundlagen der Physikalischen Chemie erarbeitet. Zahlreiche einprägsame Abbildungen, Merksätze, Begriffsdefinitionen und Erläuterungen ermöglichen einen leicht verständlichen Zugang zu grundlegenden Themen der Physikalischen Chemie. Alle wichtigen Gleichungen werden in ihrer Bedeutung erklärt und anhand von Rechenbeispielen eingeübt. Der Stoffumfang ist für alle naturwissenschaftlichen und technischen Fächer geeignet, die Physikalische Chemie als Nebenfach oder als Teil einer Ausbildung in allgemeiner Chemie vorsehen. Aufgrund des Praxisbezugs ist das Werk auch für die Verwendung in beruflichen Schulen bestens geeignet. Mit dem Blick aufs Wesentliche gerichtet, werden die Grundlagen der physikalischen Chemie in kompakter und leicht nachvollziehbarer Form vermittelt. Dabei unterstützen besondere Textelemente Ihren Lernerfolg: * Für die inhaltliche Orientierung sorgen optisch hervorgehobene Schlüsselthemen am Kapitelanfang. * Das Wichtigste wird kurz und prägnant in Definitionen und Merksätzen zusammengefasst. * Beispiele helfen beim Anwenden des Lernstoffs. * Die Formelsammlung am Ende eines jeden Kapitels verschafft einen schnellen Überblick über die wichtigsten Zusammenhänge. * Zu jedem Thema gibt es Verständnisfragen und Aufgaben mit Lösungen, die beim eigenständigen Überprüfen des Gelernten helfen.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1 Gase

1.1 Ideale Gase

1.2 Reale Gase

2 Festkörper und Flüssigkeiten

2.1 Festkörper

2.2 Flüssigkeiten

2.3 Änderungen des Aggregatzustandes

2.4 Dampfdruck über Flüssigkeiten und Festkörpern

3 Mischphasen

3.1 Homogene und heterogene Stoffverteilungen

3.2 Angaben über die Zusammensetzung von Mischphasen

3.3 Löslichkeit und Mischbarkeit in flüssiger Phase

3.4 Verteilungssatz von Nernst

3.5 Chromatographische Trennverfahren

3.6 Diffusion und Osmose

3.7 Dampfdruck- und Siedediagramme binärer Mischungen

3.8 Schmelzdiagramme binärer Stoffsysteme

4 Energiebilanz chemischer Reaktionen

4.1 Physikalische Grundlagen

4.2 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen

4.3 Kriterien für den selbstständigen Ablauf chemischer Reaktionen

4.4 Aktivierungsenergie

4.5 Katalysatoren

5 Das chemische Gleichgewicht

5.1 Einige Grundlagen aus der Reaktionskinetik

5.2 Die Behandlung des chemischen Gleichgewichts

6 Elektrolytische Dissoziationsgleichgewichte

6.1 Elektrolytlösungen

6.2 Gesetze der elektrolytischen Dissoziation

6.3 Protolysegleichgewichte

6.4 Löslichkeitsprodukt

7 Elektrochemische Vorgänge

7.1 Umwandlung von elektrischer Energie in chemische

7.2 Umwandlung von chemischer Reaktionsarbeit in elektrische Energie

7.3 Elektrische Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen

8 Spektroskopie

8.1 Grundlagen

8.2 Emissionsspektroskopie

8.3 Absorptionsspektroskopie

8.4 NMR-Spektroskopie

8.5 Massenspektrometrie

9 Richtig gelöst

Stichwortverzeichnis

Weitere Titel in der Verdammt-Clever-Reihe verfügbar

Kühl, O.

Allgemeine Chemie

für Biochemiker, Lebenswissenschaftler, Mediziner, Pharmazeuten…

2012

978-3-527-33198-7, auch als e-Books erhältlich

Kühl, O.

Organische Chemie

für Biochemiker, Lebenswissenschaftler, Mediziner, Pharmazeuten...

2012

978-3-527-33199-4, auch als e-Books erhältlich

Wurm, T.

Chemie für Einsteiger und Durchsteiger

2012

978-3-527-33206-9, auch als e-Books erhältlich

Kuypers, F.

Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Band 1: Mechanik und Thermodynamik

2012

978-3-527-41135-1, auch als e-Books erhältlich

Kuypers, F.

Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Band 2: Elektrizität, Optik und Wellen

2012

978-3-527-41144-3, auch als e-Books erhältlich

Autor

Dr. Friedrich Bergler

Eduard-von-Hallberger-Institut

Hohenrieder Straße 72–74

72250 Freudenstadt

Germany

© Erhan Ergin/Fotolia.com für die in der Randspalte verwendeten Symbole

1. Auflage 2013

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.

© 2013 Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

Ab>blle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikro-verfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbeson-dere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handels-namen 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 han-deln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

Print ISBN: 978-3-527-33363-9

ePDF ISBN: 978-3-527-67559-3

ePub ISBN: 978-3-527-67558-6

mobi ISBN: 978-3-527-67560-9

Umschlaggestaltung Simone Benjamin, McLeese Lake, Canada

Satz Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld

Druck und Bindung Markono Print Media Pte Ltd, Singapore

Gedruckt auf säurefreiem Papier.

Vorwort

Es gibt viele chemisch-technische Vorgänge, zu deren Verständnis physikalische Grundlagen erforderlich sind, und andererseits gibt es physikalische Vorgänge, die nur mit solider Kenntnis chemischer Stoffeigenschaften erklärt werden können. Aus dieser Notwendigkeit hat sich im Laufe der Zeit die „ Physikalische Chemie“als Bindeglied zwischen Chemie und Physik aim eigenständigen Fachgebiet entwickelt.

In nahezu alien naturwissenschaftlichen oder technisch orientieren Ausbildun-gen oder beruflichen Tätigkeiten, besonders aber für Chemieingenieure oder chemisch-technische Assistenten, sind solide Grundlagenkenntnisse der Physika-lischen Chemie unentbehrlich.

Ganz sicher gibt es bereits eine Vielzahl sehr guter Biicher, die die Physikalische Chemie in ihrer gesamten Komplexität ausführlich behandeln. Diese Biicher setzen aber im Allgemeinen äuEerst fundierte Kenntnisse der Mathematik und Physik voraus, und ferner nimmt ihr Studium wegen der meist sehr groEen Seitenumfänge doch sehr viel Zeit in Anspruch.

Das vorliegende Buch ist im Inhalt und Umfang speziell für Studenten mit Physikalischer Chemie als Nebenfach und Fachschüler zugeschnitten und eignet sich auch hervorragend für das Selbststudium.

Im Einzelnen werden folgende Themen behandelt:

Gase,

Festkörper und Fliissigkeiten,

Mischphasen,

Energiebilanz chemischer Reaktionen,

das chemische Gleichgewicht,

elektrolytische Dissoziationsgleichgewichte,

elektrochemische Vorgänge und

Spektroskopie.

Bei der Darstellung und Beschreibung der einzelnen Zusammenhänge wurde bewusst auf die höhere Mathematik verzichtet. Stattdessen sollen Abbildungen und Anwendungsbeispiele den Sachverhalt näher bringen.

Der Inhalt eines jeden Kapitels ist jeweils am Anfang kurz zusammengefasst, sodass sich der Leser einen schnellen Überblick über die jeweils behandelte Thematik verschaffen kann. Am Kapitelende sind die wichtigsten Gleichungen und Hinweise für ihre Anwendung zusammengestellt und Verständnisfragen sowie Aufgaben ermöglichen es dem Leser, das Gelernte zu testen.

Allen Leserinnen und Lesern wünsche ich beim Studium des vorliegenden Buches viel Erfolg. Für Anregungen, die der Weiterentwicklung dieses Werkes dienen, bin ich jederzeit sehr dankbar.

Freudenstadt,imMärz 2013

Friedrich Bergler

1

Gase

In diesem Kapitel …

Alle in der Natur vorkommenden Stoffe können in drei verschiedenen Aggregatzuständen auftreten: als Festkörper, als Flüssigkeit oder als Gas.

Im Grenzzustand des idealen Festkörpers (s. Kapitel 2) sind zwischen den einzelnen Bausteinen große Wechselwirkungskräfte wirksam. Dadurch wird jedes Teilchen auf einen bestimmten Platz innerhalb des Festkörpers fixiert und es entstehen Kristalle, die einen Zustand größtmöglicher Ordnung darstellen.

Bei genügend hohen Temperaturen und kleinen Drücken streben die Stoffe dem entgegengesetzten Grenzzustand, dem Zustand idealer Gase, zu. In diesem Zustand sind die Stoffteilchen so weit voneinander entfernt, dass sie gegenseitig keine Kräfte mehr aufeinander ausüben können. Das hat zur Folge, dass sich Gasteilchen vollkommen unabhängig voneinander – also regellos – bewegen können. Ideale Gase stellen deshalb einen Zustand größtmöglicher stofflicher Unordnung dar.

In diesem Kapitel wollen wir zeigen, wie sich Gase bei Änderung der äußeren Bedingungen, d. h. bei Variation von Druck, Volumen und Temperatur, verhalten. In diesem Zusammenhang werden wir zunächst auf isotherme, isochore und adiabatische Zustandsänderungen eingehen und wir werden zeigen, wie sich aus den dafür gültigen Gesetzmäßigkeiten die Zustandsgleichung idealer Gase herleiten lässt.

Daran schließen sich die Gesetzmäßigkeiten für Gasmischungen an.

In der Praxis stellt man häufig ein vom Verhalten idealer Gase abweichendes Verhalten fest. In den Abschnitten über reale Gase wird gezeigt, welche Korrekturen erforderlich sind, um die Abweichungen zu erfassen. In diesem Zusammenhang werden wir auf die Gasgleichung von van der Waals kommen und außerdem die Vorgänge bei der Gasverflüssigung besprechen.

1.1 Ideale Gase

1.1.1 Das Modell des idealen Gases

Könnte man ein Gas unter normalen äußeren Bedingungen (Atmosphärendruck und Raumtemperatur) durch ein stark vergrößerndes Mikroskop betrachten, so würde man es folgendermaßen beschreiben:

Das Gas besteht aus einer Vielzahl winziger Teilchen (Atome oder Moleküle). Im Vergleich zum Gesamtvolumen des Gases (das entspricht dem Volumen des umgebenden Behälters) ist jedoch das Volumen aller Gasteilchen zusammen so klein, dass man es gegenüber dem Behältervolumen vernachlässigen kann. Die Gasteilchen besitzen also nur ein

verschwindend kleines Eigenvolumen;

idealisiert können sie als Teilchen ohne Ausdehnung angesehen werden.

Die Teilchen bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, regellos und praktisch unabhängig voneinander. Man kann daher annehmen, dass die

Wechselwirkungskräfte

zwischen den Gasteilchen

nur so gering

sein können,

dass sie

ebenfalls

vernachlässigt werden können.

Diese beiden Bedingungen werden streng genommen allerdings nie ganz erfüllt. Sie stellen idealisierte Grenzfälle dar. Gase, denen man diesen modellmäßigen Charakter zuschreibt, nennt man daher ideale Gase.

Fassen wir noch einmal zusammen:

Wichtig zu wissen

Das Modell des idealen Gases setzt voraus:

Das Eigenvolumen der Gasteilchen kann vernachlässigt werden.Zwischen den Gasteilchen sind nur vernachlässigbar kleine Wechselwirkungskräfte wirksam.

Da bei idealen Gasen ordnende Kräfte fehlen und sich jedes Teilchen nach Belieben bewegen kann, verkörpern ideale Gase einen Zustand grőßtmöglicher Unord-nung.

1.1.2 Die kinetische Deutung von Gasternperatur und Gasdruck

Abb. 1.1 Deutung des Gasdrucks

Wichtig zu wissen

Je höher die Temperatur, desto größer ist die im Gas enthaltene Energie (Bewegungsenergie der Gasteilchen).