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2017 | Buch

Physikalische Chemie I: Thermodynamik und Kinetik

Grundlagen Erstes Kapitel lesen

Autor: Prof. Dr. Marcus Elstner

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Print ISBN: 978-3-662-55363-3

Electronic ISBN: 978-3-662-55364-0

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch ist essentiell für Studierende im Bachelor-Studiengang Chemie. Es geht um "wissen", "verstehen" und "anwenden". Das Wissen um die grundlegenden Gesetze und Phänomene. Das Verstehen der Konzepte und Grundlagen. Das Anwenden der Thermodynamik, Kinetik und Elektrochemie auf chemische Fragestellungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen der Thermodynamik

Frontmatter

1. Grundlagen
Am Anfang steht die Mechanik. Die Thermodynamik wurde zunächst entwickelt um Wärmekraftmaschinen zu verstehen, die dazu notwendigen neuen Konzepte ruhen auf den Schultern mechanischer Begriffe wie Kraft und Arbeit.
Marcus Elstner

2. Temperatur und Zustandsgleichungen
Bisher haben wir die Begriffe Druck, Arbeit und Volumen präzise definiert und als Funktionen bzw. Integrale dargestellt. Den Begriff des Drucks hat uns dieMechanik zu Verfügung gestellt, er basiert auf dem Kraftbegriff, ebenso der Begriff der Arbeit. Wärme ist kein Begriff der Mechanik.
Marcus Elstner

3. Energie und Wärme: 1. Hauptsatz der Thermodynamik
In diesem Kapitel wird die Energie eines thermodynamischen Systems eingeführt. In der Mechanik ist Energie als gespeicherte Arbeit definiert. Über den reversiblen Arbeitsspeicher kann man dem System eine genau definierte Menge Arbeit zuführen. Diese Energiemenge wird innere Energie U genannt.
Marcus Elstner

4. Thermodynamische Prozesse und Kreisprozesse
Der allgemeine Formalismus der Thermodynamik besagt nur, dass es Zustandsfunktionen gibt wie für die Temperatur T(p, V) und die innere Energie U(p, V). Wie diese Zustandsfunktionen explizit aussehen, ist eine Sache der Empirie.
Marcus Elstner

5. Enthalpie H und Thermochemie
Betrachten wir eine Stoffumwandlung A → B, passieren auf thermodynamischer Ebene zwei Dinge. Es wird Wärme aufgenommen oder abgegeben, und es gibt eine Volumenänderung, da A und B unterschiedliche Volumina einnehmen können.
Marcus Elstner

6. Der zweite Hauptsatz: Entropie
In der Mechanik hat die Energie eine zentrale Rolle, entsprechend fundamental ist dann das Prinzip der Energieerhaltung. Mit Angabe der Energie kann man das Verhalten der Systeme vollständig beschreiben.
Marcus Elstner

7. Ausgleichsprozesse und Prinzip der maximalen Entropie
Bisher wurde ein einphasiges adiabatisch isoliertes System mit einer Arbeitskoordinate V (Volumenänderung) betrachtet, wobei die Arbeit durch einen reversiblen Arbeitsspeicher aufgefangen wurde.
Marcus Elstner

8. Extremalprinzipien und thermodynamische Potenziale
Für den Verlauf thermodynamischer Prozesse ist der zweite Hauptsatz von fundamentaler Bedeutung. Der erste Hauptsatz garantiert nur die korrekte Energiebilanz, der zweite Hauptsatz jedoch erlaubt es, den Endpunkt thermodynamischer Prozesse zu bestimmen: das thermodynamische Gleichgewicht.
Marcus Elstner

Chemische Thermodynamik

Frontmatter

9. Thermochemie II: Zustandsgleichungen für H und G
Die Thermodynamik stellt einen sehr allgemeinen Formalismus bereit, die Hauptsätze geben im Prinzip nur an, dass Zustandsgleichungen für die thermodynamischen Größen
Marcus Elstner

10. Das chemische Potenzial
Die chemische Thermodynamik beschäftigt sich mit chemischen Gleichgewichten
Marcus Elstner

11. Mischungen
Der Angelpunkt der chemischen Thermodynamik ist die Darstellung der Gibbs’schen Enthalpie und der chemischen Potenziale
Marcus Elstner

12. Reaktionsgleichgewichte
Chemische Reaktionen sind ein typisches Beispiel für Ausgleichsprozesse. Bei konstantem p und T führt die Reaktion zu einem Ausgleich der Molzahlen, die im Gleichgewicht durch die chemischen Potenziale festgelegt sind.
Marcus Elstner

13. Phasengleichgewichte bei Reinstoffen
Phasengleichgewichte sind thermodynamische Gleichgewichtszustände, bei denen zwei Phasen eines Stoffes gleichzeitig vorliegen. Dies geschieht für spezifische Werte von p und T.
Marcus Elstner

14. Phasengleichgewichte in Mischungen
Nun betrachten wir Mischungen, die gleichzeitig in verschiedenen Phasen vorliegen können. Die Mischung verändert das hemische Potenzial μi der Komponenten, und dies hat Einfluss sowohl auf den Siedepunkt als auch auf den Gefrierpunkt, was die Grundlage der Destillation und des Phänomens der Osmose ist.
Marcus Elstner

15. Elektrochemie
Bei Redoxreaktionen werden Elektronen zwischen den Reaktionspartnern ausgetauscht. In elektrochemischen Zellen findet eine Ladungstrennung zwischen Ionen/Molekülen und Elektroden statt, die in elektrische Energie umgesetzt wird.
Marcus Elstner

16. Mikroskopische Theorie
Bisher haben wir nur phänomenologische Thermodynamik betrieben, wir haben gesehen, wie sie das Mischen von Stoffen, das Gleichgewicht von Reaktionen bestimmt, aber auch die Physik der Phasenübergänge.
Marcus Elstner

Kinetik

Frontmatter

17. Grundlagen der Kinetik
Die Thermodynamik macht eine fundamentale Aussage über die Energetik von chemischen Reaktionen und bestimmt damit ihre Richtung: Die Konzentration der Reaktanten wird zu kleinerer freier Enthalpie G verschoben. Es wird aber keine Ausssage über die Aktivierungsenergie oder die Reaktionsgeschwindigkeit gemacht.
Marcus Elstner

18. Erweiterungen und wichtige Konzepte
In Kap. 17 wurden Elementarreaktionen in Bezug auf ihre Reaktionsordnung dargestellt. Dies kann schon Aufschluss über den Mechanismus dieses Reaktionsschrittes geben. Nun werden wir Elementarreaktionen in komplexeren Reaktionsabläufen modellhaft kombinieren, wir diskutieren zunächst
Marcus Elstner

19. Komplexe Kinetiken
In diesem Kapitel werden wir die bisher erläuterten kinetischen Modelle und Methoden auf komplexe Reaktionsabläufe anwenden. Für diese wird eine Darstellung in Form von einer Summe von einfachen Reaktionen gesucht, die durch eine jeweilige Reaktionsordnung charakterisiert sind.
Marcus Elstner

20. Das mikroskopische Bild: kinetische Gastheorie
Wir haben die Kinetik bisher phänomenologisch betrieben, d. h., wir haben eine Reaktion A + B k ⟶ C + D betrachtet und die Reaktionsordnungen und Ratenkonstanten empirisch ermittelt, dabei aber keinen Bezug auf die Moleküle, ihre relativen Geschwindigkeiten und die molekularen Details der Reaktionen genommen.
Marcus Elstner

Transportphänomene

Frontmatter

21. Transportgleichungen
In der Thermodynamik sind die Relaxationsprozesse explizit nicht Gegenstand der Betrachtung, es wird nach der Stoffzusammensetzung, d. h., den Stoffkonzentrationen im Gleichgewicht gefragt.
Marcus Elstner

Backmatter

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Version: 201802052232-708