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Kurzlehrbuch Physikalische Chemie: für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge, 5. Auflage

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£54.99

*VAT

Kurzlehrbuch Physikalische Chemie: für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge, 5. Auflage

Peter W. Atkins, Julio de Paula, Cord Hartmann (Translator)

ISBN: 978-3-527-82034-4 September 2019 1200 Pages

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Vorwort v

Hinweise zur Benutzung des Buches xv

Energie, Temperatur und Chemie 1

1 Die Eigenschaften der Gase 3

1.1 Das ideale Gas 4

1.1.1 Die Zustandsgleichung des idealen Gases 6

1.1.2 Anwendungen der Zustandsgleichung des idealen Gases 9

1.1.3 Mischungen von Gasen: Der Partialdruck 11

1.2 Die kinetische Gastheorie 15

1.2.1 Der Druck eines Gases 15

1.2.2 Die mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle 18

1.2.3 Die Maxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung 19

1.2.4 Diffusion und Effusion 21

1.2.5 Intermolekulare Stöße 23

1.3 Reale Gase 25

1.3.1 Intermolekulare Wechselwirkungen 26

1.3.2 Die kritische Temperatur 27

1.3.3 Der Kompressionsfaktor 29

1.3.4 Die Virialgleichung 30

1.3.5 Die van-der-Waals-Gleichung 31

1.3.6 Die Verflüssigung von Gasen 34

2 Thermodynamik: der Erste Hauptsatz 41

2.1 Arbeit 42

2.1.1 System und Umgebung 43

2.1.2 Volumenarbeit 45

2.1.3 Reversible Expansion 46

2.2 Wärme 50

2.2.1 Konventionen 50

2.2.2 Wärmekapazität 51

2.2.3 Kalorimetrie 53

2.2.4 Der Wärmefluss während einer Expansion 55

2.3 Innere Energie 55

2.3.1 Die Innere Energie 56

2.3.2 Die Innere Energie als Zustandsfunktion 57

2.3.3 Änderungen der Inneren Energie 57

2.3.4 Die molekularen Grundlagen der Inneren Energie 59

2.4 Enthalpie 60

2.4.1 Die Enthalpie 61

2.4.2 Enthalpieänderung 61

2.4.3 Die Temperaturabhängigkeit der Enthalpie 63

2.5 Physikalische Umwandlungen 65

2.5.1 Die Enthalpie von Phasenübergängen 66

2.5.2 Ionisierung und Elektronenanlagerung 69

2.6 Chemische Umwandlungen 72

2.6.1 Dissoziationsenthalpien 72

2.6.2 Verbrennungsenthalpien 75

2.6.3 Die Kombination von Reaktionsenthalpien 77

2.6.4 Standardbildungsenthalpien 78

2.6.5 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie 80

3 Thermodynamik: der Zweite Hauptsatz 93

3.1 Die Entropie 94

3.1.1 Die Richtung spontaner Prozesse 94

3.1.2 Die Entropie und der Zweite Hauptsatz 95

3.1.3 Wärmekraftmaschinen, Kühlschränke und Wärmepumpen 97

3.2 Die Entropieänderung 99

3.2.1 Die Entropieänderung bei einer Expansion 99

3.2.2 Die Entropieänderung bei einer Temperaturerhöhung 100

3.2.3 Die Entropieänderung bei einem Phasenübergang 103

3.2.4 Entropieänderungen in der Umgebung 105

3.3 Absolute Entropien 107

3.3.1 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 107

3.3.2 Die molekulare Interpretation der Entropie 109

3.3.3 Nullpunktsentropie 111

3.4 Die Freie Enthalpie 113

3.4.1 Die Standardreaktionsentropie 114

3.4.2 Die Spontaneität chemischer Reaktionen 114

3.4.3 Die Beschränkung auf das System 115

3.4.4 Die Eigenschaften der Freien Enthalpie 116

4 Physikalische Umwandlungen 125

4.1 Die Thermodynamik von Phasenübergängen 126

4.1.1 Die Stabilitätsbedingung 126

4.1.2 Die Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie 127

4.1.3 Die Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie 130

4.1.4 Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung 132

4.2 Phasendiagramme reiner Substanzen 134

4.2.1 Phasengrenzlinien 134

4.2.2 Der Verlauf von Phasengrenzlinien 136

4.2.3 Charakteristische Punkte im Phasendiagramm 141

4.2.4 Die Phasenregel 142

4.2.5 Phasendiagramme ausgewählter Substanzen 144

4.3 Partielle molare Größen 146

4.3.1 Partielles molares Volumen 147

4.3.2 Das chemische Potenzial 148

4.3.3 Spontane Mischungsprozesse 150

4.4 Lösungen 152

4.4.1 Ideale Lösungen 153

4.4.2 Das chemische Potenzial des Lösungsmittels 154

4.4.3 Ideal verdünnte Lösungen 156

4.4.4 Das chemische Potenzial des gelösten Stoffes 159

4.4.5 Reale Lösungen: Aktivitäten 161

4.5 Kolligative Eigenschaften 162

4.5.1 Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung 162

4.5.2 Osmose 165

4.6 Phasendiagramme von Mischungen 169

4.6.1 Mischungen flüchtiger Flüssigkeiten 170

4.6.2 Flüssig/Flüssig-Phasendiagramme 172

4.6.3 Flüssig/Fest-Phasendiagramme 174

4.6.4 Das Zonenschmelzverfahren 177

4.6.5 Das Nernst’sche Verteilungsgesetz 178

5 Chemische Umwandlungen 189

5.1 Thermodynamik chemischer Reaktionen 191

5.1.1 Die Freie Reaktionsenthalpie 191

5.1.2 Die Abhängigkeit der Freien Reaktionsenthalpie von der Zusammensetzung 193

5.1.3 Reaktionen im Gleichgewichtszustand 195

5.1.4 Die Freie Standardreaktionsenthalpie 197

5.2 Die Gleichgewichtskonstante 199

5.2.1 Die Zusammensetzung im Gleichgewicht 200

5.2.2 Die Beziehung zwischen Gleichgewichtskonstante und Konzentrationen 203

5.2.3 Die molekulare Interpretation von Gleichgewichtskonstanten 204

5.3 Der Einfluss äußerer Bedingungen auf das Gleichgewicht 205

5.3.1 Der Einfluss der Temperatur 205

5.3.2 Der Einfluss des Drucks 208

5.3.3 Die Gegenwart eines Katalysators 210

5.4 Säure-Base-Gleichgewichte 210

5.4.1 Die Brønsted-Lowry-Theorie 211

5.4.2 Protonierung und Deprotonierung 212

5.5 Mehrwertige Säuren 218

5.5.1 Sukzessive Deprotonierung 218

5.5.2 Speziierung 219

5.6 Säure-Base-Gleichgewichte von wässrigen Salzlösungen 222

5.6.1 Der pH-Wert von Salzlösungen 222

5.6.2 Säure-Base-Titrationen 224

5.6.3 Puffer 228

5.7 Löslichkeitsgleichgewichte 229

5.7.1 Das Löslichkeitsprodukt 230

5.7.2 Der Einfluss gemeinsamer Ionen auf die Löslichkeit 231

5.7.3 Der Einfluss der Zugabe von Salzen auf die Löslichkeit 232

5.8 Ionen in Lösung 233

5.8.1 Mittlere Aktivitätskoeffizienten 234

5.8.2 Die Debye-Hückel-Theorie 235

5.8.3 Die Wanderung von Ionen 237

5.9 Elektrochemische Zellen 240

5.9.1 Halbreaktionen und Elektroden 241

5.9.2 Reaktionen an Elektroden 244

5.9.3 Zelltypen 246

5.9.4 Die Zellreaktion 247

5.9.5 Die Zellspannung 248

5.10 Standardpotenziale 250

5.10.1 Die Beiträge der einzelnen Elektroden 250

5.10.2 Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten aus Standardpotenzialen 251

5.10.3 Die Abhängigkeit des Potenzials vom pH-Wert 252

5.10.4 Die elektrochemische Reihe 253

5.10.5 Die Kombination von Standardpotenzialen 254

5.10.6 Bestimmung thermodynamischer Daten aus Standardpotenzialen 254

6 Chemische Kinetik 269

6.1 Empirische chemische Kinetik 270

6.1.1 Die Definition der Reaktionsgeschwindigkeit 271

6.1.2 Experimentelle Techniken 272

6.2 Geschwindigkeitsgesetze 274

6.2.1 Die Geschwindigkeitskonstante 275

6.2.2 Die Reaktionsordnung 276

6.2.3 Die Bestimmung des Geschwindigkeitsgesetzes 277

6.3 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze 280

6.3.1 Reaktionen nullter Ordnung 281

6.3.2 Reaktionen erster Ordnung 281

6.3.3 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A → Produkte 283

6.3.4 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A + B → Produkte 284

6.3.5 Halbwertszeiten 286

6.4 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 288

6.4.1 Die Arrhenius-Parameter 288

6.4.2 Die Stoßtheorie von Reaktionen in der Gasphase 291

6.4.3 Die Theorie des Übergangszustands 293

6.5 Die Annäherung an den Gleichgewichtszustand 296

6.5.1 Gleichgewichte und Reaktionsgeschwindigkeiten 296

6.5.2 Relaxation 299

6.6 Reaktionsmechanismen 300

6.6.1 Elementarreaktionen 301

6.6.2 Die Aufstellung von Geschwindigkeitsgesetzen 302

6.6.3 Folgereaktionen 303

6.6.4 Der Übergangszustand 304

6.6.5 Die Näherung des stationären Zustands 304

6.6.6 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt 306

6.6.7 Kinetische Kontrolle 307

6.6.8 Unimolekulare Reaktionen 307

6.7 Reaktionen in Lösung 309

6.7.1 Aktivierungskontrolle und Diffusionskontrolle 309

6.7.2 Diffusion 311

6.8 Homogene Katalyse 315

6.8.1 Der Michaelis-Menten-Mechanismus der enzymatischen Katalyse 316

6.8.2 Analyse der Geschwindigkeiten enzymatisch katalysierter Reaktionen 318

6.9 Heterogene Katalyse 320

6.9.1 Physisorption und Chemisorption 321

6.9.2 Adsorptionsisothermen 322

6.9.3 Mechanismen oberflächenkatalysierter Reaktionen 326

7 Quantentheorie 339

7.1 Die Grundlagen der Quantentheorie 340

7.1.1 Der Nachweis diskreter Energieniveaus 342

7.1.2 Der Nachweis des Teilchencharakters von Strahlung 343

7.1.3 Der Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus 345

7.2 Die Dynamik mikroskopischer Systeme 347

7.2.1 Die Schrödinger-Gleichung 348

7.2.2 Die Born’sche Interpretation 350

7.2.3 Die Unschärferelation 353

7.3 Translation 356

7.3.1 Bewegung in einer Dimension 356

7.3.2 Der Tunneleffekt 360

7.3.3 Bewegung in zwei Dimensionen 362

7.4 Rotation 365

7.4.1 Rotation in zwei Dimensionen 366

7.4.2 Rotation in drei Dimensionen 369

7.5 Schwingung 372

7.5.1 Der harmonische Oszillator 372

7.5.2 Quantenmechanische Behandlung des harmonischen Oszillators 373

8 Der Aufbau der Atome 381

8.1 Wasserstoffähnliche Atome 382

8.1.1 Die erlaubten Energieniveaus des Wasserstoffatoms 382

8.1.2 Quantenzahlen 385

8.1.3 Wellenfunktionen: s-Orbitale 388

8.1.4 Wellenfunktionen: p- und d-Orbitale 392

8.2 Der Aufbau von Mehrelektronenatomen 394

8.2.1 Die Orbitalnäherung 394

8.2.2 Der Elektronenspin 395

8.2.3 Das Pauli-Prinzip 396

8.2.4 Durchdringung und Abschirmung 397

8.2.5 Das Aufbauprinzip 398

8.2.6 Die Besetzung der d-Orbitale 399

8.2.7 Die Konfiguration von Kationen und Anionen 400

8.2.8 Self-Consistent-Field-Orbitale 400

8.3 Die Periodizität der atomaren Eigenschaften 401

8.3.1 Der Radius von Atomen und Ionen 402

8.3.2 Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität 403

8.4 Atomspektroskopie 406

8.4.1 Die Spektren wasserstoffähnlicher Atome 406

8.4.2 Die Spektren von Mehrelektronenatomen 407

8.4.3 Die Spin-Bahn-Kopplung 410

8.4.4 Auswahlregeln für Mehrelektronenatome 411

9 Die chemische Bindung 417

9.1 Die Valence-Bond-Theorie 418

9.1.1 Zweiatomige Moleküle 420

9.1.2 Mehratomige Moleküle 422

9.1.3 Promotion und Hybridisierung 422

9.1.4 Resonanz 426

9.1.5 Begriffsdefinitionen in der Valence-Bond-Theorie 427

9.2 Molekülorbital-Theorie: homonukleare, zweiatomige Moleküle 428

9.2.1 Linearkombination von Atomorbitalen 428

9.2.2 Bindende und antibindende Orbitale 430

9.2.3 Inversionssymmetrie 431

9.2.4 Die chemische Bindung in der MO-Theorie 432

9.2.5 Die elektronische Struktur homonuklearer, zweiatomiger Moleküle 433

9.2.6 Die Konfigurationen homonuklearer, zweiatomiger Moleküle der zweiten Periode 435

9.2.7 Die Kriterien für die Bildung von Molekülorbitalen 437

9.3 Molekülorbital-Theorie: heteronukleare, zweiatomige Moleküle 438

9.3.1 Polare Bindungen 438

9.3.2 Die Formulierung von Molekülorbitalen 439

9.3.3 Molekülorbital-Diagramme 441

9.4 Molekülorbital-Theorie: mehratomige Moleküle 442

9.4.1 Die Molekülorbitale von Wasser 443

9.4.2 Die Hückel-Methode 444

9.4.3 Die Molekülorbitale von Benzol 447

9.4.4 Computerchemie 448

10 Molekulare Wechselwirkungen 457

10.1 Elektrische Eigenschaften von Molekülen 458

10.1.1 Elektrische Dipolmomente 458

10.1.2 Dipolmomente mehratomiger Moleküle 459

10.1.3 Polarisierbarkeit 462

10.2 Wechselwirkungen zwischen Molekülen 463

10.2.1 Wechselwirkungen zwischen Partialladungen 463

10.2.2 Wechselwirkungen zwischen Ladungen und Dipolen 464

10.2.3 Wechselwirkungen zwischen Dipolen 466

10.2.4 Induzierte Dipolmomente 468

10.2.5 Dispersionswechselwirkungen 468

10.2.6 Wasserstoffbrückenbindungen 469

10.2.7 Der hydrophobe Effekt 471

10.2.8 Die Beschreibung der Gesamtwechselwirkung 471

11 Molekulare Spektroskopie 479

11.1 Allgemeine Aspekte der Spektroskopie 480

11.1.1 Spektrometer 481

11.1.2 Absorption und Emission 483

11.1.3 Die Raman-Streuung 487

11.1.4 Linienbreiten 487

11.2 Rotationsspektroskopie 490

11.2.1 Energieniveaus der Rotation von Molekülen 490

11.2.2 Verbotene und erlaubte Rotationszustände 494

11.2.3 Die Besetzung von Rotationszuständen im thermischen Gleichgewicht 495

11.2.4 Mikrowellenspektroskopie 497

11.2.5 Raman-Rotationsspektren 499

11.3 Schwingungsspektroskopie 500

11.3.1 Schwingungen von Molekülen 501

11.3.2 Schwingungsübergänge 502

11.3.3 Anharmonizität 503

11.3.4 Raman-Schwingungsspektren zweiatomiger Moleküle 504

11.3.5 Schwingungen mehratomiger Moleküle 504

11.3.6 Rotationsschwingungsspektren 507

11.3.7 Raman-Schwingungsspektren mehratomiger Moleküle 508

11.4 Elektronenspektroskopie 509

11.4.1 Spektren im ultravioletten und sichtbaren Bereich 509

11.4.2 Spezielle Arten von Elektronenübergängen 511

11.4.3 Untersuchung von Mischungen mittels Elektronenspektroskopie 512

11.4.4 Photoelektronenspektroskopie 514

11.5 Die Desaktivierung angeregter Zustände 516

11.5.1 Fluoreszenz und Phosphoreszenz 517

11.5.2 Mechanismus der Desaktivierung angeregter Zustände 519

11.5.3 Fluoreszenzlöschung 520

11.5.4 Resonanzenergietransfer 523

12 Statistische Thermodynamik 535

12.1 Die Boltzmann-Verteilung 536

12.1.1 Die Besetzung von Zuständen 536

12.1.2 Die allgemeine Form der Boltzmann-Verteilung 537

12.1.3 Die Ursprünge der Boltzmann-Verteilung 539

12.2 Die Zustandssumme 540

12.2.1 Die Bedeutung der Zustandssumme 540

12.2.2 Die molekulare Zustandssumme 542

12.2.3 Die Translationszustandssumme 543

12.2.4 Die Rotationszustandssumme 544

12.2.5 Die Schwingungszustandssumme 545

12.2.6 Die elektronische Zustandssumme 547

12.2.7 Die Aussagekraft der molekularen Zustandssumme 547

12.3 Der Ursprung thermodynamischer Eigenschaften 548

12.3.1 Die Innere Energie 548

12.3.2 Die Wärmekapazität 550

12.3.3 Die Entropie 551

12.3.4 Die Freie Enthalpie 552

12.3.5 Die Berechnung der Gleichgewichtskonstante 554

13 Magnetische Resonanz 561

13.1 Das Prinzip der magnetischen Resonanz 562

13.1.1 Kerne in Magnetfeldern 562

13.1.2 Die Resonanzbedingung 564

13.1.3 Technische Aspekte der NMR 565

13.2 Die Auswertung von NMR-Spektren 566

13.2.1 Die chemische Verschiebung 566

13.2.2 Die Feinstruktur 570

13.2.3 Die Ursachen der Spin-Spin-Aufspaltung 572

13.2.4 Spinrelaxation 573

13.2.5 Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse 575

13.3 Elektronenspinresonanz 576

13.3.1 Elektronen in Magnetfeldern 577

13.3.2 Technische Aspekte der ESR 578

13.3.3 Der g-Faktor 578

13.3.4 Die Hyperfeinstruktur 579

14 Makromoleküle und Selbstorganisation 587

14.1 Biologische und synthetische Makromoleküle 588

14.1.1 Die mittlere Molmasse 588

14.1.2 Strukturmodelle 590

14.1.3 Strukturmodelle: Zufallsknäuel 591

14.1.4 Strukturmodelle: Polypeptide und Polynucleotide 592

14.1.5 Die Vorhersage von Proteinstrukturen 594

14.1.6 Mechanische Eigenschaften von Polymeren 596

14.1.7 Thermische Eigenschaften von Polymeren 598

14.2 Mesophasen und disperse Systeme 599

14.2.1 Flüssigkristalle 600

14.2.2 Unterteilung disperser Systeme 601

14.2.3 Oberfläche, Struktur und Stabilität 602

14.2.4 Die elektrische Doppelschicht 604

14.2.5 Oberflächen von Flüssigkeiten und der Einfluss von Tensiden 606

15 Festkörper 613

15.1 Kristallstrukturen 614

15.1.1 Die Identifizierung von Kristallebenen 615

15.1.2 Die Bestimmung von Kristallstrukturen 617

15.1.3 Das Bragg’sche Gesetz 619

15.1.4 Experimentelle Techniken 620

15.2 Die chemische Bindung in Festkörpern 622

15.2.1 Metallische Festkörper 623

15.2.2 Ionische Festkörper 625

15.2.3 Die elektronische Struktur metallischer und ionischer Festkörper 627

15.2.4 Energetische Aspekte der Bindungen in ionischen Festkörpern 629

15.2.5 Molekulare Festkörper 633

15.2.6 Kovalente Netzwerke 633

15.3 Die Eigenschaften von Festkörpern 634

15.3.1 Elektrische Eigenschaften von Festkörpern 635

15.3.2 Supraleitung 637

15.3.3 Optische Eigenschaften von Festkörpern 638

15.3.4 Festkörperlaser 639

15.3.5 Magnetische Eigenschaften von Festkörpern 640

A Anhang 647

Anhang 1 Standardintegrale 647

Anhang 2 Einheiten 648

Anhang 3 Daten 649

Stichwortverzeichnis 659