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About this book

Die Physikalische Chemie wird von vielen Studierenden als schwer und trocken empfunden. Dieses Lehrbuch nach völlig neuem Konzept zeigt, dass das nicht stimmen muss. Anschaulich und leicht verständlich gelingt mit diesem Buch der Einstieg in ein spannendes Gebiet der Chemie. Viele Beispiele aus dem Alltag und über einhundert Experimente verdeutlichen den Lehrstoff und vermitteln oft überraschende Einblicke. Zur Vertiefung des erarbeiteten Stoffes empfiehlt sich das ebenfalls im Springer-Verlag erschienene Arbeitsbuch mit knapp zweihundert Übungsaufgaben und den zugehörigen ausführlichen Lösungen.

Der Inhalt

Das Buch vermittelt die Grundzüge der Stoffdynamik in drei Teilen

Grundbegriffe und chemische Gleichgewichte (Statik)Zeitlicher Ablauf von Stoffumbildungen (Kinetik)Mitwirkung elektrischer Felder (Elektrochemie)

und gibt damit gleichzeitig einen Überblick über wichtige Teilgebiete der physikalischen Chemie.

Die Zielgruppe

Studienanfänger mit Chemie im Haupt- und Nebenfach an Universitäten und Fachhochschulen.

Table of Contents

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung und erste Grundbegriffe

Zusammenfassung
Als Einstieg wird zunächst kurz das Gebiet der Stoffdynamik vorgestellt. Dieses Gebiet beschäftigt sich im weitesten Sinne mit stofflichen Umbildungen und den ihnen zugrunde liegenden physikochemischen Prinzipien. Folglich müssen zunächst einige wichtige Grundbegriffe besprochen werden, die zur Beschreibung solcher Umbildungsprozesse erforderlich sind wie Stoff, Gehaltsformel und Stoffmenge, aber auch Gemisch, Gemenge und die zugehörigen Zusammensetzungsmaße.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 2. Energie

Zusammenfassung
Die Energie ist eine Größe, die nicht nur in verschiedensten Bereichen der Naturwissenschaften, Technik und Wirtschaft eine beherrschende Rolle spielt, sondern sie ist auch in unserem alltäglichen Leben allgegenwärtig. Wir kaufen sie zum Beispiel in großen Mengen und zahlen dafür mit jeder Rechnung, die für Strom, Gas, Heizöl ins Haus gelangt. Aber wir werden auch immer wieder mit der Frage konfrontiert, was wir tun können, um Energie einzusparen, damit der Bedarf daran auch in der Zukunft gedeckt ist.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 3. Entropie und Temperatur

Zusammenfassung
In der phänomenologischen Beschreibung (vergleichbar einer Art von “Steckbrief”) erscheint die Entropie S als ein gewichtsloses, strömungsfähiges “Etwas”, das in jedem Ding unserer Umwelt in größerer oder kleinerer Menge enthalten ist. Man kann es in einem Materiebereich verteilen, anhäufen, einschließen oder umgekehrt daraus herauspumpen, ausquetschen, an einen anderen Gegenstand abschieben usw. Bedeutsam ist, dass die Entropie bei allen Wärmeeffekten eine Rolle spielt und als deren eigentliche Ursache betrachtet werden kann.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 4. Chemisches Potenzial

Zusammenfassung
Das chemische Potenzial μ, ein Kernbegriff der Stoffdynamik, dient als Maß für das allgemeine Bestreben von Substanzen, sich gestaltlich wie auch stofflich zu verändern. Einige wenige Eigenschaften, die anhand von Beispielen aus dem Alltag diskutiert werden, reichen für eine vollständige phänomenologische Charakterisierung dieser neuen Größe aus. Nach der Wahl eines geeigneten Bezugsniveaus können bereits quantitative Werte für das chemische Potenzial angegeben werden (zunächst für Normbedingungen, d. h. 298 K und 100 kPa).
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 5. Einfluss von Temperatur und Druck auf Stoffumbildungen

Zusammenfassung
Das chemische Potenzial μ kann nur in erster Näherung als konstant angesehen werden. Häufig haben Temperatur und Druck einen entscheidenden Einfluss auf das chemische Potenzial und damit den Ablauf chemischer Vorgänge. Wasser gefriert in der Kälte und verdampft in der Hitze.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 6. Gehaltsabhängigkeit des chemischen Potenzials

Zusammenfassung
Das Konzept der Massenwirkung sowie seine Beziehung zur Gehaltsabhängigkeit des chemischen Potenzials (Massenwirkungsgleichungen) und zum chemischen Antrieb werden diskutiert. Eine wichtige Anwendung im Falle des Vorliegens eines Gleichgewichtes ist die Herleitung des „Massenwirkungsgesetzes“. Aber wir besprechen auch einige weitere Auswirkungen wie die Löslichkeit von Feststoffen wie Salzen oder auch von Gasen in Flüssigkeiten, vorzugsweise in Wasser.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 7. Konsequenzen der Massenwirkung: Säure-Base-Reaktionen

Zusammenfassung
Das Konzept der Massenwirkung kann auf jegliche Art einer Stoffumbildung angewandt werden. Für die Stoffdynamik spielt es keine Rolle, wie der Vorgang auf molekularer Ebene zustande kommt, ob durch Lösen und Knüpfen chemischer Bindungen, durch Umbau eines Kristallgitters, durch Einwanderung von Teilchen, durch Übertragung von Elektronen oder ganzen Atomgruppen von einer Teilchenart auf die andere oder sonst wie. In diesem Kapitel wollen wir uns auf ein wichtiges Beispiel für Stoffumbildungen, nämlich das der Säure-Base-Reaktionen konzentrieren, um zu zeigen, dass sich das chemische Potenzial auch zur Beschreibung recht spezialisierter und differenzierter Bereiche eignet.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 8. Begleiterscheinungen stofflicher Vorgänge

Zusammenfassung
Stoffumbildungen wie chemische Reaktionen, Phasenumwandlungen oder die Ausbreitung im Raum werden oft von auffälligen Nebeneffekten begleitet: Es glimmt und blitzt, zischt und kracht, blubbert und raucht. Doch gerade diese Begleiterscheinungen machen den selbst für Laien besonderen Reiz der Chemie aus. Sie sind im Wesentlichen rückführbar auf Volumenänderungen, die heftige Ex- und Implosionen verursachen können, Entropieaustausch und -erzeugung, die verantwortlich für Glut- und Hitzeentwicklung sind, sowie Energieumsätze, die wir z. B.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 9. Querbeziehungen

Zusammenfassung
Wie wir in den vorangegangenen Kapiteln gesehen haben, kann auf ein stoffliches System mechanisch (dehnen, pressen, ...), thermisch (heizen, kühlen, ...) und chemisch (Stoffe zusetzen, umsetzen, ...) eingewirkt werden. Jede dieser Einwirkungen ist mit Energieänderungen des Systems verbunden. Diese Energieänderungen können in einer einzigen Gleichung, der sogenannten „Hauptgleichung“ zusammengefasst werden.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 10. Dünne Gase

Zusammenfassung
In diesem Kapitel behandeln wir die speziellen Eigenschaften dünner Stoffe, insbesondere diejenigen dünner Gase. In diesem Zusammenhang wird der Begriff des „idealen Gas“ eingeführt. Anschließend wird das allgemeine Gasgesetz, eine der am häufigsten zitierten Gleichungen in der physikalischen Chemie, aus experimentellen Beobachtungen abgeleitet, die im 17. bis frühen 19.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 11. Übergang zu dichteren Stoffen

Zusammenfassung
Geht man von der Betrachtung dünner (idealer) Gase zu der von realen Gasen mit höherer Dichte über, so können die Wechselwirkungen der Teilchen untereinander und das Phänomen der Kondensation nicht länger vernachlässigt werden. Die Berücksichtigung dieser Effekte resultiert in der VAN DER WAALS-Gleichung, einer abgewandelten Form des allgemeinen Gasgesetzes. Eine genauere Betrachtung des Prozesses der Kondensation führt uns zu den kritischen Phänomenen, d. h.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 12. Stoffausbreitung

Zusammenfassung
Bisher hatten wir uns bei der Betrachtung des chemischen Potenzials im Wesentlichen auf chemische Umsetzungen und Phasenumwandlungen konzentriert. Daneben ist jedoch eine weitere Eigenschaft der Stoffe fast ebenso bedeutsam: die Neigung, sich im Raum auszubreiten. In diesem Zusammenhang wird das Phänomen der Diffusion erläutert.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 13. Gemische und Gemenge

Zusammenfassung
In der Chemie, aber auch im Alltag werden wir sehr oft mit Mischungen konfrontiert, seien sie homogen oder heterogen. Man denke zum Beispiel nur an Schnaps, im Wesentlichen ein Gemisch (homogene Mischung) aus Ethanol und Wasser, oder auch an Nebel, ein Gemenge (heterogene Mischung) aus Luft und winzigen Wassertröpfchen. Zunächst konzentrieren wir uns auf Mischungen aus zwei flüssigen Komponenten.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 14. Zweistoffsysteme

Zusammenfassung
Das (mittlere) chemische Potenzial einer Mischung hängt nicht nur von ihrer Zusammensetzung ab, sondern auch von Temperatur und Druck. Diese Abhängigkeiten und die Tatsache, dass die Phase mit dem niedrigsten chemischen Potenzial bei einer gegebenen Temperatur (und einem gegebenen Druck) stabil ist, können genutzt werden, um Zustandsdiagramme verschiedener Mischungen zu konstruieren. Als erstes diskutieren wir die T(x)-Diagramme zweier flüssiger Phasen.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 15. Grenzflächenerscheinungen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel diskutieren wir, wie sich die chemischen und physikalischen Materieeigenschaften an Phasengrenzen von denjenigen im Phaseninnern unterscheiden. Für eine quantitative Beschreibung ist es erforderlich, Begriffe wie Oberflächenspannung und Oberflächenenergie einzuführen. Mit ihrer Hilfe können Phänomene aus dem Alltag wie zum Beispiel der Lotuseffekt erklärt werden.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 16. Grundzüge der Kinetik

Zusammenfassung
Das als chemische Kinetik bekannte Teilgebiet der Stoffdynamik wird Gegenstand der nächsten vier Kapitel sein. Die chemische Kinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Ablauf von Stoffumbildungen, d. h., man untersucht, wie schnell die Ausgangsstoffe verbraucht bzw. wie schnell die Endprodukte gebildet werden. Ziel dieser Untersuchungen ist es, Mittel in die Hand zu bekommen, die Geschwindigkeit von solchen Vorgängen vorauszusagen und die Einflussfaktoren herauszufinden, die eine erwünschte Reaktion fördern oder eine unerwünschte unterdrücken können.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 17. Zusammengesetzte Reaktionen

Zusammenfassung
Die einfachen Geschwindigkeitsgesetze, die wir im letzten Kapitel kennengelernt haben, reichen oft zur korrekten Beschreibung des zeitlichen Ablaufs einer Reaktion oder der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches nicht aus. Viele Umsetzungen laufen nach komplizierteren Mechanismen ab, die verschiedene Elementarschritte beinhalten. Drei grundlegende Typen zusammengesetzter Reaktion werden in diesem Kapitel besprochen: gegenläufige oder Gleichgewichtsreaktionen, Parallelreaktionen und Folgereaktionen.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 18. Theorie der Reaktionsgeschwindigkeit

Zusammenfassung
Aus dem Alltag ist uns vertraut, dass die Geschwindigkeit der meisten chemischen Reaktionen bei Temperaturerhöhung ansteigt. So verderben Lebensmittel, die an einem heißen Sommertag draußen stehen, viel schneller als im Kühlschrank, was unangenehme Folgen für die Gesundheit haben kann. Eine einfache, aber dennoch bemerkenswert präzise Beziehung für die Temperaturabhängigkeit von Reaktionsgeschwindigkeiten wurde 1889 empirisch von dem schwedischen Chemiker Svante Arrhenius gefunden.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 19. Katalyse

Zusammenfassung
Reaktionen können nicht nur durch Temperaturerhöhung beschleunigt werden, sondern auch durch Zugabe geringer Mengen eines Stoffes, des sogenannten Katalysators, der selbst während der Umsetzung nicht verbraucht wird. Im Falle der Katalyse können die homogene Katalyse, bei der alle beteiligten Stoffe ein einheitliches Gemisch bilden, die heterogene Katalyse, bei der Katalysator und umgesetzte Stoffe auf verschiedene Phasen verteilt sind, und die enzymatische Katalyse, die eine Zwischenstellung einnimmt, unterschieden werden. Ein aus dem Alltag wohlbekanntes Beispiel eines Katalysators ist der Abgaskatalysator in Kraftfahrzeugen mit Ottomotor, der Verbrennungsschadstoffe durch beschleunigte Nachreaktionen beseitigt.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 20. Transporterscheinungen

Zusammenfassung
Das Phänomen der Diffusion kann eine wichtige Rolle für die Kinetik chemischer Reaktionen in Lösungen spielen. Wir nehmen dies zum Anlass, uns nochmals etwas ausführlicher mit dem Prozess der Stoffausbreitung zu befassen. Die Wanderungsgeschwindigkeit wird durch ein Gefälle des chemischen Potenzials und damit in homogener Umgebung letztendlich durch ein Konzentrationsgefälle bestimmt.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 21. Elektrolytlösungen

Zusammenfassung
Eine Diskussion des chemischen Antriebs von Solvatations- und Hydratationsprozessen resultiert in der Einführung des Grundbegriffes der elektrolytischen Dissoziation, dem Zerfall eines Stoffes in Lösung in mobile Ionen. Anschließend besprechen wir die Wanderung dieser Ionen in einem elektrischen Feld als Spezialfall der Stoffausbreitung. Die damit im Zusammenhang stehende elektrische Beweglichkeit führt uns zur Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 22. Elektrodenreaktionen und Galvanispannungen

Zusammenfassung
Einführend werden die Begriffe Galvanipotenzial (für das innere elektrische Potenzial einer Phase), elektrochemisches Potenzial und Elektronenpotenzial vorgestellt, die dazu dienen, Prozesse zu charakterisieren, an denen Ladungsträger beteiligt sind. Mittels der elektrochemischen Potenziale kann die Galvanispannung zwischen zwei Phasen im Gleichgewicht bestimmt werden, zunächst am besonders einfachen Fall zweier sich berührender Metalle. Die Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht an der Grenzfläche beider Metalle wird ebenso wie die zugehörige Galvanispannung, die sogenannte Kontaktspannung, diskutiert.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 23. Redoxpotenziale und galvanische Zellen

Zusammenfassung
Im vorhergehenden Kapitel haben wir eine Menge über Galvanispannungen an unterschiedlichen Grenzflächen und deren Nutzen gelernt, aber wir haben nicht erfahren, wie sie gemessen werden können. Das Problem in diesem Zusammenhang ist, dass sich die Galvanispannung an einer einzelnen Grenzfläche in einer Halbzelle nicht direkt messen lässt, da der Anschluss der Elektrolytlösung an die Zuleitungen eines geeigneten elektrischen Messgerätes zwangsläufig eine zweite Elektrode erfordert, was eine neue Grenzfläche mit zusätzlicher Galvanispannung schafft. Der Ausweg aus diesem Dilemma stellt der Einsatz einer stets gleichen Bezugshalbzelle, der Wasserstoff-Normalelektrode, dar, sodass die gemessene Gesamtspannung nur durch die Messhalbzelle bestimmt wird.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 24. Salzwirkung

Zusammenfassung
Im Kapitel 13 sind wir bereits auf Abweichungen vom idealen Verhalten in Mischungen eingegangen, die auf Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Teilchen zurückzuführen sind. Zur quantitativen Beschreibung von realen Lösungen wurde dort das Zusatzpotenzial \(\mathop \mu \limits^{ + }\) eingeführt. Elektrolytlösungen nehmen nun eine gewisse Sonderstellung ein, da in ihnen Abweichungen vom idealen Verhalten bei weitaus geringeren Konzentrationen als bei Nichtelektrolyten auftreten, was auf die starken interionischen Wechselwirkungen zurückzuführen ist.
Georg Job, Regina Rüffler

Kapitel 25. Thermodynamische Funktionen

Zusammenfassung
Neben den bisher behandelten Begriffen werden in der Thermodynamik eine Reihe anderer Größen und Funktionen verwandt, ohne die Lehrbücher, die dem herkömmlichen Konzept folgen, nicht auskommen. Da die Kenntnis dieser Größen jedoch für das Verständnis üblicher Lehrbücher und zugehöriger Datensammlungen bedeutsam ist, wollen wir die wichtigsten in diesem Kapitel kurz vorstellen und den Zusammenhang mit dem von uns im vorliegenden Buch gewählten Konzept herstellen. Die wichtigsten dieser zusätzlichen Begriffe sind die energetischen Größen innere Energie U, Enthalpie H, Helmholtz-Energie A und Gibbs-Energie G.
Georg Job, Regina Rüffler

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