Physikalische Chemie (eBook)

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Liste verwendeter Symbole 13
1 Einführung und erste Grundbegriffe 21
1.1 Stoffdynamik 21
1.2 Stoffe und Grundstoffe 23
1.3 Messung und Metrisierung 27
1.4 Stoffmenge 33
1.5 Gemisch, Gemenge und Zusammensetzungsgrößen 35
1.6 Zustand 37
1.7 Stoffumbildung 44
2 Energie 49
2.1 Zur Energie auf indirektem Wege 49
2.2 Direkte Metrisierung der Energie 50
2.3 Energieerhaltung 55
2.4 Energie einer gespannten Feder 56
2.5 Druck 58
2.6 Energie eines bewegten Körpers 60
2.7 Impuls 61
2.8 Energie eines gehobenen Körpers 63
3 Entropie und Temperatur 65
3.1 Vorüberlegung 65
3.2 Makroskopische Eigenschaften der Entropie 66
3.3 Molekularkinetische Deutung der Entropie 68
3.4 Entropieerhaltung und -erzeugung 70
3.5 Wirkungen wachsender Entropie 73
3.6 Entropieübertragung 76
3.7 Direkte Metrisierung der Entropie 79
3.8 Temperatur 82
3.9 Anwendungsbeispiele zur Entropie 85
3.10 Temperatur als „thermische Spannung“ 91
3.11 Energie zur Erzeugung und zur Zufuhr von Entropie 92
3.12 Energie kalorimetrisch bestimmt 96
3.13 Wärmepumpen und Wärmemotoren 98
3.14 Entropieerzeugung in einem Entropiestrom 101
4 Chemisches Potenzial 105
4.1 Vorüberlegung 105
4.2 Grundmerkmale des chemischen Potenzials 107
4.3 Wettstreit der Stoffe 109
4.4 Bezugszustand und Werte des chemischen Potenzials 112
4.5 Vorzeichen des chemischen Potenzials 116
4.6 Anwendung in der Chemie und Begriff des Antriebs 119
4.7 Direkte Messung von Antrieben 129
4.8 Indirekte Metrisierung des chemischen Potenzials 134
5 Einfluss von Temperatur und Druck auf Stoffumbildungen 139
5.1 Einleitung 139
5.2 Temperaturabhängigkeit von chemischem Potenzial und Antrieb 139
5.3 Druckabhängigkeit von chemischem Potenzial und Antrieb 149
5.4 Gleichzeitige Temperaturund Druckabhängigkeit 154
5.5 Verhalten von Gasen unter Druck 157
6 Massenwirkung und Konzentrationsabhängigkeit des chemischen Potenzials 161
6.1 Der Begriff der Massenwirkung 161
6.2 Konzentrationsabhängigkeit des chemischen Potenzials 162
6.3 Konzentrationsabhängigkeit des Antriebs 166
6.4 Das Massenwirkungsgesetz 172
6.5 Spezielle Fassungen der Massenwirkungsgleichung 177
6.6 Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes 178
6.7 Potenzialdiagramme gelöster Stoffe 187
7 Konsequenzen der Massenwirkung: Säure-Base-Reaktionen 192
7.1 Einführung 192
7.2 Der Säure-Base-Begriff nach BRØNSTED und LOWRY 192
7.3 Das Protonenpotenzial 194
7.4 Pegelgleichung und Protonierungsgleichung 204
7.5 Säure-Base-Titrationen 208
7.6 Puffer 212
7.7 Säure-Base-Indikatoren 217
8 Begleiterscheinungen stofflicher Vorgänge 220
8.1 Vorüberlegung 220
8.2 Raumanspruch 220
8.3 Umsatzbedingte Volumenänderungen 227
8.4 Entropieanspruch 228
8.5 Umsatzbedingte Entropieänderungen 232
8.6 Energieumsätze bei Stoffumbildungen 234
8.7 Wärmeeffekte 237
8.8 Kalorimetrische Antriebsmessung 245
9 Querbeziehungen 248
9.1 Hauptgleichung 248
9.2 Mechanisch-thermische Querbeziehungen 253
9.3 Querbeziehungen für chemische Größen 256
9.4 Weitere Anwendungen im mechanisch-thermischen Bereich 263
10 Dünne Gase aus molekularkinetischer Sicht 268
10.1 Einleitung 268
10.2 Allgemeines Gasgesetz 268
10.3 Molekularkinetische Deutung des allgemeinen Gasgesetzes 272
10.4 Anregungsgleichung und Geschwindigkeitsverteilung 279
10.5 Barometrische Höhenformel und BOLTZMANN-Verteilung 288
11 Übergang zu dichteren Stoffen 290
11.1 Die VAN DER WAALS-Gleichung 290
11.2 Kondensation 294
11.3 Die kritische Temperatur 297
11.4 Die Siededruckkurve (Dampfdruckkurve) 298
11.5 Das vollständige Zustandsdiagramm 302
12 Stoffausbreitung 308
12.1 Vorüberlegung 308
12.2 Diffusion 310
12.3 Mittelbare Massenwirkung 312
12.4 Osmose 315
12.5 Dampfdruckerniedrigung 320
12.6 Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunktserhöhung 322
12.7 Kolligative Eigenschaften und Molmassenbestimmung 325
13 Gemische und Gemenge 328
13.1 Einführung 328
13.2 Chemisches Potenzial in Gemischen 330
13.3 Zusatzpotenzial 334
13.4 Chemisches Potenzial von Gemischen und Gemengen 335
13.5 Mischungsvorgänge 340
13.6 Weitere Phasenreaktionen 344
14 Zweistoffsysteme 346
14.1 Zweistoffzustandsdiagramme 346
14.2 Zustandsdiagramme flüssig-flüssig (Mischungsdiagramme) 347
14.3 Zustandsdiagramme fest-flüssig (Schmelzdiagramme) 350
14.4 Zustandsdiagramme flüssig-gasig (Dampfdruckbzw. Siedediagramme) 357
15 Grenzflächenerscheinungen 368
15.1 Oberflächenspannung, Oberflächenenergie 368
15.2 Oberflächeneffekte 371
15.3 Adsorption an Flüssigkeitsoberflächen 376
15.4 Adsorption an Feststoffoberflächen 378
15.5 Anwendung der Adsorption 384
16 Grundzüge der Kinetik 385
16.1 Einführung 385
16.2 Umsatzgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion 388
16.3 Geschwindigkeitsdichte 390
16.4 Messung der Geschwindigkeitsdichte 392
16.5 Geschwindigkeitsgesetze einstufiger Reaktionen 397
17 Zusammengesetzte Reaktionen 408
17.1 Einführung 408
17.2 Gegenläufige Reaktionen 408
17.3 Paralleloder Nebenreaktionen 412
17.4 Folgereaktionen 415
18 Theorie der Reaktionsgeschwindigkeit 420
18.1 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 420
18.2 Stoßtheorie 422
18.3 Theorie des Übergangszustandes 425
18.4 Molekulare Deutung des Übergangszustandes 430
19 Katalyse 434
19.1 Einführung 434
19.2 Wirkungsweise eines Katalysators 436
19.3 Enzymkinetik 439
19.4 Heterogene Katalyse 446
20 Transporterscheinungen 450
20.1 Diffusionskontrollierte Reaktionen 450
20.2 Geschwindigkeit der Stoffausbreitung 451
20.3 Fließfähigkeit 459
20.4 Entropieleitung 463
20.5 Vergleichender Überblick 467
21 Elektrolytlösungen 470
21.1 Elektrolytische Dissoziation 470
21.2 Elektrisches Potenzial 474
21.3 Ionenwanderung 476
21.4 Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen 480
21.5 Konzentrationsabhängigkeit der Leitfähigkeit 484
21.6 Überführungszahlen 489
22 Elektrodenreaktionen und Galvanispannungen 495
22.1 Galvanispannung und elektrochemisches Potenzial 495
22.2 Elektronenpotenzial in Metallen und Berührspannung 497
22.3 Galvanispannung zwischen Metall und Lösung 500
22.4 Redoxreaktionen 504
22.5 Galvanispannung von Halbzellen 507
22.6 Galvanispannung an Flüssigkeitsgrenzflächen 514
22.7 Galvanispannung an Membranen 516
23 Redoxpotenziale und galvanische Zellen 521
23.1 Messung von Redoxpotenzialen 521
23.2 Zellspannung 530
23.3 Technisch wichtige galvanische Elemente 535
Anhang 541
A1 Mathematische Grundlagen 541
A1.1 Lineare, logarithmische und exponentielle Funktionen 541
A1.2 Umgang mit Differenzialen 543
A1.3 Stammfunktion und Integration 548
A1.4 Kurzer Ausflug in die Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung 552
A2 Tabellen 554
A2.1 Tabelle der chemischen Potenziale 554
Sachverzeichnis 569