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2024 | Buch

Case Studies in the Virtual Physical Chemistry Laboratory

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch bietet eine einzigartige Lehrquelle in experimenteller Physikalischer Chemie mit Fallstudien, die auf Daten aus der wissenschaftlichen Literatur beruhen. Plattform-unabhängige Software, die individuelle Datensätze für die studentische Praxis und Beurteilung generiert, ist enthalten. Anhand von Fallstudien im Virtuellen Physikalischen Labor können Online-Kurse in Physikalischer Chemie erstellt werden. • Ergänzender Unterricht im Hörsaal. • Ergänzen Sie praktische Projekte in persönlichen Laborkursen. Die Fallstudien decken Materiezustände, Thermochemie, Phasengleichgewichte, Reaktionsgleichgewichte, chemische Kinetik, Elektrolytlösungen und Aktivitätskoeffizienten ab. Sie sind so geschrieben, dass sie in sich geschlossen sind, um Flexibilität bei der Auswahl der Projekte zu bieten. Der pädagogische Ansatz in jeder Fallstudie besteht darin, die gegebenen Daten im direkten Unterricht zu verwenden, gefolgt von der Analyse der synthetischen Daten als individualisierte Aufgaben. Nur Open-Source-Software-Tools werden benötigt, um Daten zu analysieren. Jede Fallstudie enthält eine gründliche Diskussion der theoretischen Prinzipien, die dem Experiment und den Daten zugrunde liegen, des Charakters der zu analysierenden Daten und geeigneter Methoden für die Analyse der Daten. Die dazugehörige Software wurde so geschrieben, dass sie die Produktion vieler Datensätze ermöglicht, ohne Duplikation zu riskieren, aber die synthetischen Daten können regeneriert werden, wenn die Dateien verloren gehen oder beschädigt werden. Softwareprogramme wurden in Fortran 95 geschrieben und werden als eine Reihe ausführbarer Programme für Intel-basierte Computer mit Windows, MacOS oder Linux vertrieben. Dieses Buch wird von besonderem Interesse und von besonderem Nutzen für Studenten und Dozenten in den höheren Fächern der physikalischen Chemie sein.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Chapter 1. Introduction
Abstract
Completing the projects requires skill in using spreadsheets such as Microsoft Excel or LibreOffice Calc. Although the details of their use may differ, there are many common features in their use. It is expected that readers are competent users of a spreadsheet including the simpler aspects of the graphical tools. Readers are directed to the “help” tab on their spreadsheets for more information on the tools to be reviewed.
Anthony J. Duben
Chapter 2. Critical Properties and Real Gases
Abstract
Gases behave ideally in the limiting conditions of high temperature and low pressure. An ideal gas does not undergo a phase transition to a condensed phase. The ideal gas remains a gas at all conditions of temperature and pressure. A real gas can undergo a phase transition to a condensed phase at sufficiently low temperatures and at sufficiently high pressures.
Anthony J. Duben
Chapter 3. Thermochemistry
Abstract
The projects in this chapter emphasize the determination of values of thermodynamic state functions. The state functions, with the exception of entropy, are defined in terms of changes (e.g., formation, decomposition) or in reference to some point. The Third Law of Thermodynamics, however, permits the assignment of a value to a substance as a function of temperature only.
Anthony J. Duben
Chapter 4. Phase Equilibria
Abstract
The topic of phase equilibria is broad. The projects included in this chapter illustrate several aspects of this topic. The relationship between the equilibrium vapor pressure over a condensed phase and the enthalpy of the phase change to vapor is summarized in the Clausius–Clapeyron equation. The Clausius–Clapeyron equation is ultimately based on the ideal gas law. Experimental measurements can lead to an equation of similar form, the Antoine equation, with different values for the coefficients. The Antoine equation incorporates the non-ideal characteristics of real substances. These two equations are explored in project PEVPT.
Anthony J. Duben
Chapter 5. Reaction Equilibria
Abstract
Chemical reactions proceed until they reach a dynamic equilibrium in which there are no net changes in the composition of the system. When the equilibrium concentrations are inserted into the mass action expression for the reaction, the value produced—the equilibrium constant—will characterize the system at the temperature of the reaction. The equilibrium constant is a function of temperature. If the values of the equilibrium constant are known at several temperatures, it is possible to generate estimates of thermodynamic functions (enthalpy, entropy, Gibbs free energy).
Anthony J. Duben
Chapter 6. Electrolyte Solutions
Abstract
Since water is a polar solvent, electrolytes can easily dissolve in it. They dissolve as dissociated ions that can be affected by electrical fields and currents. If two electrodes, one positive and the other negative, are inserted into an aqueous solution of an electrolyte, the positive ions will migrate to the negative electrode and the negative ions to the positive electrode. The migration of ions can be studied experimentally and quantitative conclusions about the movement of ions and the conduction of electricity can be made. Ionic conductance is studied in project ESCSE.
Anthony J. Duben
Chapter 7. Activity Coefficients
Abstract
Calculations based on the concentrations of the chemical species are only the first approximation. The chemical and physical effects of a component are more accurately represented by the activity of the species rather than its concentration. The activity of a species incorporates all factors that may modify its concentration. It is possible to think either about the activity as the “effective concentration” or the concentration as the first approximation to the activity. The activity coefficient is the factor that relates the concentration to the activity.
Anthony J. Duben
Chapter 8. Chemical Kinetics
Abstract
The stoichiometric equation for a chemical reaction documents the mass and mole balances of the reactants and products. It primarily describes the state of the system as the reaction goes to completion, i.e., equilibrium. Chemical reactions take time to go to completion. Some are very fast, and some are very slow. The study of the progress in time of chemical reactions is the study of chemical kinetics.
Anthony J. Duben
Backmatter
Metadaten
Titel
Case Studies in the Virtual Physical Chemistry Laboratory
verfasst von
Anthony J. Duben
Copyright-Jahr
2024
Electronic ISBN
978-3-031-55018-8
Print ISBN
978-3-031-55017-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-031-55018-8

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.