Physikalische Chemie für Dummies

Georg Heun

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2017
• ISBN drucken: 9783527711871
• eBook-ISBN: 9783527811373
• Auflage: 2
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Physikalische & theoretische Chemie

Wie die Organische und die Anorganische Chemie ist die Physikalische Chemie eines der klassischen Teilgebiete der Chemie. Wie ihr Name schon sagt, beschäftigt sie sich mit dem Grenzbereich von Chemie und Physik. Georg Heun erklärt Ihnen, was Sie über Kräfte und Elemente, Reinstoffe, Mischungen, Wechselwirkungen und Thermodynamik wissen sollten. Mit vielen Übungen erläutert er so verständlich wie möglich die Grundlagen der Physikalischen Chemie und hilft Ihnen so bei Ihren ersten Schritten in diesem Grenzbereich der Naturwissenschaften.

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Kapitel 1

Gase unter Druck: Die Gasgesetze

In diesem Kapitel

Den Begriff »Physikalische Chemie« definieren

Den Einfluss von Druck und Temperatur auf Gase beschreiben

Ideales und reales Verhalten von Gasen ­unterscheiden

Im ersten Teil geht es um die Einwirkung der physikalischen Größen Temperatur und Kraft oder Druck auf chemische Substanzen. Einer der ersten Chemiker, der maßgeblich die Physikalische Chemie mitbegründet hat, war Joseph Louis Gay-Lussac. Er untersuchte den Einfluss der Temperatur auf das Volumen von Gasen bei konstantem Druck. Das erste Kapitel ist daher dem Zusammenspiel der Einflussgrößen Druck, Volumen und Temperatur bei idealen und realen Gasen gewidmet.

Physik plus Chemie gleich Physikalische Chemie?

Während Ihnen die naturwissenschaftlichen Disziplinen Physik und Chemie aus Ihrer Schulzeit als Unterrichtsfächer bekannt sind, können Sie wahrscheinlich mit der Kombination Physikalische Chemie zunächst einmal wenig anfangen. Gemäß der alten Schülerweisheit, »Chemie ist das, was kracht und stinkt. Physik ist das, was nie gelingt«, könnten Sie vielleicht scherzhaft unterstellen, dass hier chemische Experimente mit niedriger Erfolgsquote durchgeführt werden. Das ist aber nicht der Fall!

Die Physikalische Chemie ist ein Teilgebiet der Chemie, das sich mit der Anwendung physikalischer Methoden auf die Beschreibung der Eigenschaften oder des Verhaltens von chemischen Stoffen und Stoffgemischen beschäftigt.

Eine klare Abgrenzung zur Physik und zur Allgemeinen und Analytischen Chemie ist häufig nicht vorhanden. So werden Sie feststellen, dass Sie einzelne der in diesem Buch vorgestellten Formeln und Diagramme bereits in anderen Disziplinen kennengelernt haben. Und auf der anderen Seite muss ich damit rechnen, dass man mir vorhält, eine Teildisziplin nicht ausreichend berücksichtigt zu haben.

Das ideale Gas

Für das Verständnis der meisten physikalisch-chemischen Formeln und Phänomene sollten Sie sich das folgende stark vereinfachte Modell der Materie gut einprägen.

Eine Substanz verhält sich so, als ob sie aus kleinen kugelförmigen Teilchen (Atomen, Molekülen, Ionen) aufgebaut ist.

Die Teilchen ziehen sich bei sehr kleinen Abständen gegenseitig an (Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte).

Abhängig von der Temperatur haben diese Teilchen eine mittlere Bewegungsenergie

.

In festen Substanzen liegen die Teilchen direkt aneinander und sind nicht gegeneinander verschiebbar. Die Bewegungsenergie bewirkt lediglich eine Schwingung im Bereich der festen Position.

In Flüssigkeiten liegen die Teilchen direkt aneinander, verändern aber ständig ihre Positionen, da die Bewegungsenergie die Gitterenergie überwiegt.

In idealen Gasen bewegen sich die Teilchen in sehr großen Abständen, sodass keine gegenseitigen Anziehungskräfte wirksam werden. Die Größe der Teilchen spielt keine Rolle. Es finden elastische Stöße der Teilchen untereinander und mit der Gefäßwand statt (Kinetische Gastheorie).

Da die Teilchengröße bei idealen Gasen vernachlässigbar ist, ergibt sich, dass eine gleich große Teilchenzahl eines beliebigen Gases bei gleichem Druck und gleicher Temperatur immer das gleiche Volumen einnimmt.

Unter Normalbedingungen nimmt ein Mol eines idealen Gases 22,414 L ein (nach DIN 1343 sind die Normalbedingungen durch die Normtemperatur (T_n = 273,15 K beziehungsweise t_n = 0 °C) und den Normdruck (p_n = 101325 Pa = 1,01325 bar = 760 Torr = 1 atm) gegeben.).

Aber was bedeuten eigentlich Druck und Temperatur?

Druck

In der Physik haben Sie gelernt, dass der Druck p eine Kraft F pro Fläche A ist (p = F/A). Da sich in einem Gas die Teilchen ungerichtet und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, üben sie durch das Aufprallen auf eine Gefäßwand eine Kraft durch die Summe vieler Stöße aus. Bei konstanter Temperatur ist die Kraft auf eine bestimmte Fläche proportional zur Trefferquote. Die Trefferquote wiederum ist direkt proportional zur Teilchendichte, das heißt, wenn in einem Volumen doppelt so viele Teilchen vorhanden sind, verdoppelt sich die Trefferquote und damit die Kraft pro Fläche.

Temperatur

Die Temperatur ist ein Maß f...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Über den Autor
• Einführung
• Teil I: Kräfte und Substanzen
• Kapitel 1: Gase unter Druck: Die Gasgesetze
• Kapitel 2: Zerreißprobe für Feststoffe – Verformung
• Kapitel 3: Die Sache kommt in Fluss – Viskosität
• Kapitel 4: Übungen
• Teil II: Reinstoffe und Mischungen
• Kapitel 5: Zustandsdiagramme (Phasendiagramme)
• Kapitel 6: Lösungen und Mischungen
• Kapitel 7: Oberflächlich betrachtet: Grenzflächenphänomene
• Kapitel 8: Übungen
• Teil III: Reaktionskinetik
• Kapitel 9: Lassen Sie es krachen: Die chemische Reaktion
• Kapitel 10: Wer mit wem – die Reaktionsordnung
• Kapitel 11: Übungen
• Teil IV: Thermodynamik
• Kapitel 12: Zustands- und Prozessgrößen – die Bausteine der Thermodynamik
• Kapitel 13: Robert von Mayer und der erste Hauptsatz der Thermodynamik – Ein Arzt und die Energieerhaltung
• Kapitel 14: Alles in Unordnung – Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik
• Kapitel 15: Zustände und Zustandsänderungen
• Kapitel 16: Links oder rechts – die Kreisprozesse
• Kapitel 17: Gas-Dampf-Gemische – Alles feuchte Luft?
• Kapitel 18: Jetzt wird es brenzlig – Verbrennung
• Kapitel 19: Übungen
• Teil V: Wechselwirkungen
• Kapitel 20: Spektroskopie
• Kapitel 21: Molecular Modeling
• Teil VI: Der Top-Ten-Teil
• Kapitel 22: Zehn (Groß-)Väter der Physikalischen Chemie
• Kapitel 23: Zehn Tipps für Studierende
• Stichwortverzeichnis
• Teil VII: Anhänge
• Anhang A
• Anhang B
• Anhang C
• Anhang D
• Wiley End User License Agreement