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Physikalische Chemie: für Nebenfächler und Fachschüler

Physikalische Chemie: für Nebenfächler und Fachschüler

Friedrich Bergler

ISBN: 978-3-527-33363-9

Oct 2013

330 pages

Select type: Paperback

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Vorwort XI

1 Gase 1

1.1 Ideale Gase 1

1.1.1 Das Modell des idealen Gases 1

1.1.2 Die kinetische Deutung von Gastemperatur und Gasdruck 2

1.1.3 Zustandsänderungen idealer Gase 3

1.1.3.1 Isotherme Zustandsänderung 4

1.1.3.2 Isobare Zustandsänderung 9

1.1.3.3 Isochore Zustandsänderung 12

1.1.3.4 Enthalpie und spezifische Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und konstantem Volumen 13

1.1.3.5 Adiabatische Zustandsänderung 15

1.1.3.6 Polytrope Zustandsänderung 18

1.1.4 Zustandsgleichung idealer Gase 19

1.1.5 Mischungen idealer Gase 21

1.2 Reale Gase 28

1.2.1 Van-der-Waals-Gleichung 28

1.2.2 Der praktische Verlauf der Isothermen; die Gasverflüssigung 30

1.2.3 Kritische Daten eines realen Gases 31

1.2.4 Zustandsgebiete 32

1.2.5 Gasverflüssigung mit dem Joule-Thomson-Effekt 33

2 Festkörper und Flüssigkeiten 37

2.1 Festkörper 37

2.1.1 Der ideale, kristalline Festkörper 37

2.1.2 Kristallzüchtung 39

2.1.3 Das Verhalten des Festkörpers bei der Erwärmung 40

2.1.4 Der amorphe Festkörper 41

2.2 Flüssigkeiten 42

2.2.1 Oberflächenspannung von Flüssigkeiten 42

2.2.2 Benetzende und nicht benetzende Flüssigkeiten 45

2.2.3 Viskosität 47

2.3 Änderungen des Aggregatzustandes 51

2.3.1 Der Begriff „Phase“ 51

2.3.2 Bestimmung der Phasenumwandlungstemperaturen von Reinstoffen 52

2.3.3 Molare Enthalpien bei Phasenumwandlungen 53

2.4 Dampfdruck über Flüssigkeiten und Festkörpern 54

2.4.1 Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und ihrem Dampf 54

2.4.2 Gleichgewicht zwischen Festkörper und seinem Dampf 59

2.4.3 Gleichgewicht zwischen der festen und der flüssigen Phase 60

2.4.4 Zustandsdiagramm des Wassers 61

3 Mischphasen 65

3.1 Homogene und heterogene Stoffverteilungen 65

3.1.1 Lösungen und Gemenge 65

3.1.2 Kolloid-disperse Systeme 66

3.2 Angaben über die Zusammensetzung von Mischphasen 68

3.3 Löslichkeit und Mischbarkeit in flüssiger Phase 71

3.3.1 Gesättigte Lösung 71

3.3.2 Löslichkeit fester Stoffe 72

3.3.3 Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten 73

3.3.4 Mischungen von Flüssigkeiten 75

3.4 Verteilungssatz von Nernst 77

3.5 Chromatographische Trennverfahren 79

3.5.1 Säulenchromatographie 81

3.5.2 Gaschromatographie 83

3.5.3 Ionenaustauschchromatographie 85

3.5.4 Gelchromatographie 87

3.5.5 Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) 88

3.5.6 Dünnschicht- und Papierchromatographie 88

3.6 Diffusion und Osmose 90

3.7 Dampfdruck- und Siedediagramme binärer Mischungen 96

3.7.1 Binäre Mischungen mit nur einer flüchtigen Komponente 96

3.7.1.1 Dampfdruckerniedrigung 96

3.7.1.2 Siedepunkterhöhung und Gefrierpunkterniedrigung 98

3.7.2 Binäre Mischungen zweier flüchtiger Komponenten 101

3.7.2.1 Ideale, binäre Mischungen 101

3.7.2.2 Reale binäre Mischungen 109

3.8 Schmelzdiagramme binärer Stoffsysteme 115

3.8.1 Schmelzdiagramm des Systems Zinn/Blei 116

3.8.2 Abkühlungskurve und Zustandsdiagramme bei Mischkristallbildung 119

3.8.3 Zustandsdiagramm bei Verbindungsbildung 121

4 Energiebilanz chemischer Reaktionen 127

4.1 Physikalische Grundlagen 127

4.2 Energieumsatz bei chemischen Reaktionen 129

4.2.1 Exotherme und endotherme Reaktionen 129

4.2.2 Reaktionsenergie 130

4.2.3 Reaktionen bei konstantem Volumen und bei konstantem Druck 130

4.2.3.1 Reaktionswärme bei isochor ablaufenden Prozessen 130

4.2.3.2 Reaktionswärme bei isobar ablaufenden Prozessen 132

4.2.3.3 Molare Reaktionsenthalpie unter Standardbedingungen 134

4.2.4 Die Wegunabhängigkeit der Reaktionsenthalpie 136

4.2.5 Molare Bildungs- und Zersetzungsenthalpie 137

4.2.6 Anwendungen des Hess’schen Satzes 139

4.3 Kriterien für den selbstständigen Ablauf chemischer Reaktionen 142

4.3.1 Die These von Thomsen und Berthelot 143

4.3.2 Entropiebegriff 143

4.3.3 Reaktionsentropie 144

4.3.4 Freie Reaktionsenthalpie 146

4.3.5 Freie Reaktionsenthalpie und chemische Affinität 148

4.4 Aktivierungsenergie 149

4.5 Katalysatoren 151

5 Das chemische Gleichgewicht 157

5.1 Einige Grundlagen aus der Reaktionskinetik 157

5.1.1 Die Stoßtheorie 157

5.1.2 Mittlere Reaktionsgeschwindigkeit 158

5.1.3 Konzentrationsabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 159

5.1.4 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 163

5.2 Die Behandlung des chemischen Gleichgewichts 164

5.2.1 Der Zustand des chemischen Gleichgewichts 164

5.2.2 Massenwirkungsgesetz 166

5.2.3 Möglichkeiten zur Beeinflussung der Gleichgewichtslage 174

5.2.4 Heterogene Gleichgewichte 178

5.2.5 Berechnung der Gleichgewichtskonstanten *Kp(T) aus thermodynamischen Daten 179

6 Elektrolytische Dissoziationsgleichgewichte 183

6.1 Elektrolytlösungen 183

6.1.1 Elektrolyte 183

6.1.2 Vorgänge beim Lösen 184

6.2 Gesetze der elektrolytischen Dissoziation 188

6.2.1 Starke und schwache Elektrolyte 188

6.2.2 Konzentrationsabhängigkeit des Dissoziationsgrades 189

6.2.3 Konzentration und Aktivität 191

6.3 Protolysegleichgewichte 192

6.3.1 Eigendissoziation des Wassers 192

6.3.2 Wässrige Säurelösungen 194

6.3.3 Wässrige Lösungen von Basen 194

6.3.4 Kenngrößen von Säure- und Baselösungen 195

6.3.4.1 Der pH- und pOH-Wert 195

6.3.5 Wässrige Salzlösungen 199

6.3.6 Pufferlösungen 202

6.4 Löslichkeitsprodukt 203

7 Elektrochemische Vorgänge 207

7.1 Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Reaktionsarbeit 207

7.1.1 Vorgänge bei der Elektrolyse 208

7.1.2 Quantitative Zusammenhänge 210

7.1.3 Anwendungs- und Rechenbeispiele 212

7.1.4 Stromausbeutefaktor 214

7.1.5 Probleme bei der Elektrolyse wässriger Lösungen 214

7.1.6 Schmelzflusselektrolyse 218

7.2 Umwandlung von chemischer Reaktionsarbeit in elektrische Energie 219

7.2.1 Galvanisches Halbelement und galvanische Kette 221

7.2.2 Ausbildung eines elektrischen Potentials und der Potentialdifferenz 222

7.2.3 Der Begriff des Einzelpotentials 224

7.2.4 Wichtige Halbelemente 229

7.2.4.1 Elektroden 1. Art 230

7.2.4.2 Elektroden 2. Art 231

7.2.5 Die EMK galvanischer Ketten 233

7.2.6 Angewandte Potentiometrie 237

7.2.7 Elektrolyse und galvanische Polarisation 239

7.2.7.1 Galvanische Polarisation und Zersetzungsspannung 239

7.2.7.2 Überspannung 241

7.2.7.3 Konzentrationspolarisation 242

7.2.7.4 Das Prinzip der Polarographie 244

7.2.8 Stromerzeugung auf elektrochemischem Weg 246

7.2.9 Korrosion 252

7.3 Elektrische Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen 253

7.3.1 Elektrischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit 253

7.3.2 Leitfähigkeitsmessungen 254

7.3.3 Konzentrationsabhängigkeit der Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen 256

7.3.4 Molare Leitfähigkeit und Äquivalentleitfähigkeit 256

7.3.5 Konzentrationsabhängigkeit der Äquivalentleitfähigkeit 258

7.3.6 Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit 262

7.3.7 Anwendungsmöglichkeiten von Leitfähigkeitsmessungen 262

8 Spektroskopie 269

8.1 Grundlagen 269

8.1.1 Elektromagnetische Strahlung als Energieträger 269

8.1.2 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 271

8.1.2.1 Energieschema 271

8.1.2.2 Strahlungsabsorption 272

8.1.2.3 Strahlungsemission 274

8.2 Emissionsspektroskopie 275

8.2.1 Aufnahme eines Emissionsspektrums 275

8.2.2 Verfahren der Emissionsspektroskopie 276

8.3 Absorptionsspektroskopie 280

8.3.1 Gesetze der Strahlungsabsorption 281

8.3.2 Absorptionsmessungen 283

8.3.3 Konzentrationsbestimmung durch Extinktionsmessungen 285

8.3.4 Absorptionsspektren 286

8.3.4.1 UV/VIS-Spektroskopie 286

8.3.4.2 IR-Spektroskopie 289

8.4 NMR-Spektroskopie 291

8.4.1 Grundlagen 292

8.4.2 NMR-Apparatur 297

8.4.3 Chemische Verschiebung 297

8.5 Massenspektrometrie 298

9 Richtig gelöst ... 303

Stichwortverzeichnis 309