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Über dieses Buch

Dieses Buch leitet Sie zum selbstständigen Lösen anspruchsvoller Probleme an. Es ist optimal geeignet für Studierende zur Prüfungsvorbereitung und zur Vertiefung des Lehrstoffs in physikalischer Chemie. Schärfen Sie Ihre Fähigkeiten im Problemlösen in einem breiten Aufgabenspektrum von stöchiometrischem Rechnen bis zur Molekülspektroskopie. Jedes Kapitel wird mit einem Überblick über Grundlagenwissen eingeleitet. Die Lösungswege werden ausführlich besprochen. Neben inhaltlichen Bezügen zwischen den Themengebieten wird akzentuiert auf methodische Gemeinsamkeiten der Lösungswege hingewiesen. Der umfangreiche mathematische Anhang ist passgenau zugeschnitten auf physikalisch-chemische Rechenmethoden und macht das Buch zu einem praktischen Begleiter durchs Studium. Darüberhinaus ist das Buch ein Ideengeber für Dozenten zur Vorbereitung von Lehrveranstaltungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Quantitatives Problemlösen in der Physikalischen Chemie

Zusammenfassung
In diesem einführenden Kapitel werden aus der Definition der wissenschaftlichen Disziplin Physikalische Chemie die Schlüsselkompetenzen für eine erfolgreiche Aufgabenlösung abgeleitet. Danach wird eine Methode zur Entwicklung mathematischer Lösungsansätze in der Physikalischen Chemie vorgestellt. Anhand einer konkreten Aufgabenstellung wird die Methode erläutert. Es folgt ein Überblick über die Aufgaben und einige Bemerkungen über deren Schwierigkeitsgrad und kapitelübergreifende thematische Zusammenhänge.
Jochen Vogt

Kapitel 2. Stöchiometrie und Chemische Reaktionen

Zusammenfassung
Die Stöchiometrie beschäftigt sich mit der quantitativen Beschreibung von Stoffumwandlungen im Verlauf einer chemischen Reaktion. In diesem kurzen Kapitel werden zunächst wichtige Größen eingeführt, die im gesamten Buch Verwendung finden werden. Stöchiometrisches Rechnen wird in nahezu allen Aufgaben, die mit chemischen Reaktionen zu tun haben, Teil des Lösungsweges sein, zum Beispiel in der Thermochemie (Kap. 4) oder in der chemischen Kinetik (Kap. 6). In diesem Kapitel werden daher nur einige elementare Anwendungen der Stöchiometrie behandelt.
Jochen Vogt

Kapitel 3. Zustandsänderungen

Zusammenfassung
Die Thermodynamik ist eine quantitative Methode zur Beschreibung von Zustandsänderungen in Systemen. Die Thematik wird in drei Kategorien eingeteilt: Aufgaben zu Zustandsgleichungen und Änderungen der thermischen Zustandsvariablen befinden sich in Abschn. 3.2 zusammen mit einer kompakten Zusammenstellung der grundlegenden Konzepte. Aufgaben, die sich mit den kalorischen Zustandsvariablen beschäftigen, werden in Abschn. 3.3 behandelt, ebenfalls ergänzt um eine Zusammenfassung der Grundlagen. In Abschn. 3.4 schließlich folgen eine Reihe von Aufgaben, die sich mit heterogenen Systemen, Phasenübergängen und Mischungen befassen.
Jochen Vogt

Kapitel 4. Thermochemie

Zusammenfassung
Die Thermochemie beschäftigt sich mit der Umsetzung von Wärmemengen im Verlauf chemischer Reaktionen oder anderer Zustandsänderungen. Die Kalorimetrie ist dabei die experimentelle Methode, mit deren Hilfe man solche Wärmemengen messen kann. Die Reaktionsenthalpie, die Reaktionsentropie und die freie Reaktionsenthalpie stehen dabei in einer Beziehung zu den molaren Bildungsenthalpien und den molaren Entropien der Edukte und Produkte. Die Auswahl der Übungsaufgaben dieses Kapitels legt den Schwerpunkt auf Schlüsselaspekte der Thermochemie wie dem Prinzip der Kalorimetrie und der Bestimmung molarer Bildungsenthalpien. Aufgabe 4.3 verwendet beispielhaft die freie Reaktionsenthalpie als Kriterium für das Ablaufen chemischer Prozesse.
Jochen Vogt

Kapitel 5. Chemisches Gleichgewicht

Zusammenfassung
Chemische Reaktionen sind irreversible Prozesse, die einen Gleichgewichtszustand erreichen. Unter wohldefinierten Bedingungen wird der Zustand des chemischen Gleichgewichts durch eine eindeutige Zusammensetzung des Systems charakterisiert, welche mit dem Massenwirkungsgesetz ermittelt werden kann.
Klausuraufgaben zum chemischen Gleichgewicht werden als vergleichsweise schwierig wahrgenommen. Wir verwenden einen allgemeinen Ansatz basierend auf der Reaktionslaufzahl im Gleichgewicht, um die systematische Herangehensweise beim Aufsuchen der Lösungsansätze zu demonstrieren. Die Auswahl der Übungsaufgaben beleuchtet die unterschiedlichen Aspekte des chemischen Gleichgewichts wie das Gleichgewicht paralleler Reaktionen, das Gleichgewicht geschlossener und offener Systeme sowie das Gleichgewicht in verdünnter wässriger Lösung.
Jochen Vogt

Kapitel 6. Reaktionskinetik

Zusammenfassung
Die Reaktionskinetik geht der Frage nach, wie schnell eine chemische Reaktion fortschreitet. Die mathematische Formulierung reaktionskinetischer Probleme erfolgt dabei mit Hilfe von Ratengleichungen, d. h. in Form von Differentialgleichungen in der Zeit. Im Grenzfall \(t\rightarrow \infty \) müssen die Ergebnisse der Reaktionskinetik mit jenen der Thermodynamik übereinstimmen (chemisches Gleichgewicht). Dies wird konkret in Aufgabe 6.4 betrachtet. Am Ende des Kapitels werden wir uns mit dem faszinierenden Gebiet der Autokatalyse und oszillierenden chemischen Reaktionen beschäftigen.
Jochen Vogt

Kapitel 7. Kinetische Gastheorie

Zusammenfassung
Die Kinetische Gastheorie führt makroskopische Zustandsvariablen wie Druck und Temperatur auf die Bewegung von Teilchen und deren innere Freiheitsgrade zurück. Sie verfolgt daher ein atomistisches Konzept zur Beschreibung eines Systems aus typischerweise \(10^{23}\) Teilchen. Die mathematische Grundlage bilden die Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung und der Statistik. Von großer Bedeutung ist die Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Teilchengeschwindigkeit, die in einer Reihe von Aufgaben behandelt wird. In weiteren praktischen Anwendungsbeispielen werden die Eigenschaften eines Molekularstrahles, der eine Effusionszelle verlässt, sowie das Filmwachstum betrachtet.
Jochen Vogt

Kapitel 8. Statistische Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Statistische Thermodynamik führt die Zustandsgrößen makroskopischer Systeme auf die Eigenschaften ihrer mikroskopischen Bestandteile, also Atomen und Molekülen, zurück. Dabei können die Zustandsvariablen auf eine Größe von herausragender Bedeutung zurückgeführt werden: die Zustandssumme des Systems. Die Aufgaben in diesem Kapitel legen den Schwerpunkt auf den Umgang mit elementaren Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung, da diese für ein grundlegendes Verständnis der statistischen Thermodynamik wichtig sind. Der richtige Umgang mit Fakultäten ist ein häufig auftretendes methodisches Problem, das in den Aufgaben behandelt wird. Weitere Aufgabenstellungen behandeln die Boltzmann-Verteilung und die Diffusion von Teilchen mit Hilfe elementarer Wahrscheinlichkeitsrechnung. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf Problemen, die sich mit konkreten Zustandssummen und ihrem Bezug zu thermodynamischen Größen wie der Entropie und der molaren Wärmekapazität befassen.
Jochen Vogt

Kapitel 9. Quantenmechanik und elektronische Struktur

Zusammenfassung
Die Quantenmechanik ist die Grundlage für die Beschreibung der Materie auf der atomaren Skala. Ihre Entstehung ist eng mit der Entwicklung der Spektroskopie verbunden. Sie liefert die Erklärung für Phänomene wie den photoelektrischen Effekt, den Molekülspektren, die elektronische Struktur der Materie und die chemische Bindung. Der Abschnitt Grundlagen geht unter anderem auf die Postulate der Quantenmechanik ein. Neben den Aufgaben zur Schwarzkörperstrahlung, dem Zerfließen von Wellenpaketen und dem Wasserstoffproblem stehen Anwendungen der Operatorrechnung und des Variationsprinzips im Mittelpunkt. Sie zeigen Perspektiven auf, wie fortgeschrittene Problemstellungen dieses Fachgebiets behandelt werden können.
Jochen Vogt

Kapitel 10. Spektroskopie

Zusammenfassung
Die Spektroskopie stellt eine wichtige experimentelle Technik zur Bestimmung von Atom- und Moleküleigenschaften dar. Sie beruht wesentlich auf der Wechselwirkung von Materie mit elektromagnetischen Wellen. Die Grundlagen der Spektroskopie stehen in engem Zusammenhang mit der Quantennatur der Materie, weshalb im Abschnitt Grundlagen Inhalte aus der Quantenmechanik (Kap. 9) wieder aufgegriffen werden. Die Auswahl an Übungsaufgaben geht auf unterschiedliche Aspekte der Spektroskopie und auf verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ein. Ein Schwerpunkt der Aufgaben liegt auf der quantitativen Analyse von Spektren. Weitere Aufgaben setzen sich mit dem Prinzip und der Dynamik von Lasern auseinander, die in der Spektroskopie gegenwärtig die wichtigsten Labor-Lichtquellen sind.
Jochen Vogt

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