B.Che.1301 (WS 2012/2013)
Einführung in die Physikalische Chemie
Diese zweistündige Vorlesung (Mo, 8.15-10.00 Uhr, Hörsaal I, MN27) ist ein zentraler Bestandteil des gleichnamigen Moduls (B.Che.1301, 8 Credits). Sie richtet sich an Studierende des Bachelor-Studiengangs Chemie im ersten Studiensemester. Die Vorlesung vermittelt wichtige mikroskopische und makroskopische Grundlagen der Physikalischen Chemie und bereitet so auf die weiterführenden Vorlesungen des Bachelor-Studiums vor. Hier besteht die Chance, die unterschiedlichen von der Schule mitgebrachten Kenntnisse anzugleichen und Lücken zu füllen. Solche Lücken erstrecken sich erfahrungsgemäß auch auf Grundkenntnisse in Mathematik und Physik. Materialien zur Vorlesung werden unter Stud.IP bereitgestellt. Als Vorbereitung zur Modulabschlussprüfung (eine Klausur, die ganz oder teilweise mit Hilfsmitteln gelöst werden darf, siehe die Beispielklausuren vom 28.2.11, vom 1.4.11, und von früher (PDF)) werden die aktive Teilnahme an der begleitenden Übung und die Beantwortung der Testfragen im Stud.IP dringend empfohlen. Ergänzend und begleitend zur Vorlesung werden ein Praktikum (6 Versuche) und ein Seminar (u.a. zu den Themen Fehlerrechnung und Sicherheit) angeboten (siehe getrennte Ankündigungen in Stud.IP). 6 testierte Praktikumsprotokolle sind Voraussetzung für die Anmeldung zur Modulabschlussprüfung. Die nächsten geplanten Termine dieser Prüfung sind der 11.2.13 (Klausur (PDF)) und der 25.3.13 (Klausur (PDF)).
- Bausteine der Materie
1.1. Atome (22.10. und 29.10.)
Elektron, Proton, Neutron, Elementarladung, Millikanversuch, Größen und Einheiten (http://physics.nist.gov/cuu), atomare Masseneinheit, Massenspektroskopie, Kernladungszahl, Isotope, Atomsymbole (http://www.webelements.com/), Isotopeneffekte, Deuterium, schweres Wasser, Massendefekt, chemischer Anteil daran, Tritium, radioaktiver Zerfall als Kinetik 1. Ordnung, Integration des differentiellen Zeitgesetzes, Halbwertszeit, Altersbestimmung, Nuklidkarte; Stoffmenge, Definition des Mol, SI-Basiseinheiten, Molmasse, Avogadrokonstante, Genauigkeit, Bestimmungsmethoden
1.2. Wellen und Licht (5.11.)
Wellenausbreitung, Beugung, elektromagnetisches Spektrum, Kirchhoffsches Gesetz, schwarze Strahler, Wiensches Verschiebungsgesetz, Strahlungsleistung, Ultraviolettkatastrophe, Plancksches Wirkungsquantum, Plancksche Strahlungsformel, photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt, Photonenimpuls, De Broglie Wellenlänge, Röntgenbeugung, Braggsche Reflektionsbedingung, Wellenlängenmessung, Elementarzelle, Anwendungen der Röntgenbeugung
1.3. Atome und Licht (12.11.)
Coulombgesetz, stationäre Zustände, Quantenzahlen, Fraunhoferlinien, Atomspektroskopie, Wasserstoffspektrum, Spektralserien, Kombinationsprinzip, Bohrsches Atommodell, Bohrscher Radius, reduzierte Masse, Franck-Hertz-Versuch, Röntgenspektren, zeitabhängige Zustände, Unbestimmtheitsrelation
1.4. Moleküle
Molekülspezifische Kräfte und Potentialkurven, Beziehung Kraft-potentielle Energie, AB-Moleküle, Dissoziationsenergie, Gleichgewichtsabstand, Beispiele, Präfixe für Einheiten, Morsepotential, Molekülschwingungen, Nullpunktsenergie, Wasserstoffbrückenbindung, van der Waals Bindung, Lennard-Jones Potential, He-Dimer - Erscheinungsformen der Materie (19.11.)
Aggregatzustände, charakteristische Eigenschaften (Dichte, Kompressibilität, Zähigkeit), griechisches Alphabet
2.1. Gase
2.1.1. Ideales Gas
Zustandsgleichung, Volumenmessung, Druck, Einheiten, Messung, Quecksilbermanometer, Erdbeschleunigung, Temperatur, Definition, Einheiten, Interpolation, 0. Hauptsatz, universelle Gaskonstante, Dimension, Definition als Grenzwert, Zahlenwert, extensive und intensive Größen, Teilgesetze von Boyle, Gay-Lussac, Avogadro, 2D und 3D Darstellungen, Isotherme, Isobare, Isochore, Molvolumen, Standardbedingungen
2.1.2. Reales Gas (26.11.)
Kompressibilitätsfaktor, positive und negative Abweichungen, Boyle-Temperatur, Virialgleichung, 2. Virialkoeffizient, Äquivalenz von Druck- und Dichteentwicklung, Zahlenwerte für verschiedene Temperaturen, van der Waals Gleichung, Kovolumen, Binnendruck, Deutung, Zahlenwerte, van der Waals Isothermen, Instabilitätsbereich, kritische Isotherme, Sattelpunktskoordinaten, kritischer Punkt, Kompressibilität, Prinzip der korrespondierenden Zustände, 2. Virialkoeffizient und Boyle-Temperatur des van der Waals Gases, kubische Zustandsgleichungen, Redlich-Kwong, mikroskopische Berechnung des 2. Virialkoeffizienten
2.1.3. Gasmischungen (3.12.)
Molenbruch, Massenbruch, ideale Mischung idealer Gase, Partialvolumen, Partialdruck, Daltonsches Gesetz, reale Mischungen, Virialentwicklung
2.2. Kondensierte Phasen
Kondensation, Kohäsionskräfte, Grenzen der van der Waals Gleichung, isotherme Kompressibilität, Zustandsgleichungen kondensierter Phasen, radiale Verteilungsfunktion (Gas, Flüssigkeit, Festkörper), flüssige Kristalle (nematische, smektische, cholesterische Phasen), Gläser, Polymere, Ordnungsgrad - Phasengleichgewicht
Phase, Phasenübergang
3.1. Einstoffsysteme
3.1.1. Verdampfung
Dampfdruckdaten von Wasser, pVT-Diagramm mit 2-Phasengebiet, Schnitte, Projektionen, TV-Diagramm, pT-Diagramm, Dampfdruckkurve, Guldbergsche Regel, ln(p)/(1/T)-Auftragung, molare Verdampfungswärme, Clausius-Clapeyron Gleichung, Clapeyron Gleichung
3.1.2. Sublimation und Schmelzen (10.12.)
Tripelpunkt, Sublimation, Steigung der Schmelzkurve, Beispiele Kohlendioxid und Wasser, pVT-Diagramm mit Tripelpunkt, Festkörperphasen, Beispiele Kohlenstoff und Wasser, Phasenregel
3.2. Zweistoffsysteme
Konzentrationsmaße, Molarität, Molalität
3.2.1. Dampfdruck von Lösungen
Raoultsches Gesetz, ideale Lösung, Henrysches Gesetz, Dampfdruckerniedrigung
3.2.2. Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung
Herleitung, Molmassenbestimmung, ebullioskopische Konstante, kryoskopische Konstante, kolligative Eigenschaften
3.2.3. Siede- und Schmelzdiagramme (17.12.)
px-Diagramm, Tx-Diagramm, Hebelgesetz, Destillation, Abweichungen vom Raoultschen Gesetz, Azeotrop, Mischungslücke, Schmelzdiagramme, begrenzte Mischbarkeit, Eutektikum, Festkörperverbindungen, inkongruentes Schmelzen, fraktionierte Kristallisation, Zonenschmelzen
3.3. Osmose und Verteilungsgleichgewicht
3-Stoffsysteme, semipermeable Membran, osmotischer Druck, Nernstscher Verteilungskoeffizient - Ionen in Lösung (7.1.)
Coulombwechselwirkung, Dielektrizitätskonstante, Abschirmung, Elektroneutralität, Dissoziationsgrad
4.1. Elektrolytleitfähigkeit
Anionen, Kationen, Elektrodenreaktionen, Faradaykonstante, Ohmsches Gesetz, spezifische Leitfähigkeit, Zellkonstante, Wheatstonebrücke, molare Leitfähigkeit, Stromdichte, Beweglichkeit, Einzelionenleitfähigkeit, Grenzleitfähigkeit, Überführungszahlen, Extraleitfähigkeit, starke und schwache Elektrolyte, Kohlrauschsches Quadratwurzelgesetz, Ostwaldsches Verdünnungsgesetz
4.2. Eigendissoziation des Wassers (14.1.)
Autoprotolyse, Dissoziations-Rekombinationskinetik, Ionenprodukt, Temperaturabhängigkeit, pH-Wert
4.3. Säure/Base-Gleichgewicht
Bronstedt-Lowry-Definition, konjugierte Säure-Base-Paare, amphotere Stoffe, pKs-Wert, Säurestärke in der Gasphase und in Lösung, Berechnungsschema für Säure-Base-Gleichgewicht, Hydrolyse, Näherungsformeln, Puffersysteme, Henderson-Hasselbalch, Titrationsschema, Äquivalenzpunkt, Indikatoren - Einführung in die Thermochemie
5.1. Thermodynamische Grundbegriffe (21.1.)
Offene, geschlossene und isolierte Systeme, adiabatische und diathermale Wände, Zustand, Zustandsgröße, Zustandsfunktion, Kreisprozess, exotherm/endotherm, mechanisches, chemisches und thermisches Gleichgewicht, reversibel/irreversibel
5.2. Arbeit, Wärme, Energieerhaltung (28.1.)
Mechanische, Volumen- und elektrische Arbeit, Vorzeichenkonvention, Energieformen, Wärmekapazität, spezifische Wärme, Energieerhaltungssatz
5.3. Formulierungen des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik
Innere Energie als Zustandsfunktion, als Konstante in isolierten Systemen, als totales Differential, perpetuum mobile
5.4. Isochore und isobare Prozesse
Wärmekapazität bei konstantem Volumen und konstantem Druck, Molwärme, Enthalpie, Systemdruck und äußerer Druck
5.5. Thermochemische Anwendungen des 1. Hauptsatzes (4.2.)
Isotherme und adiabatische Reaktionsführung, Standardzustand, Reaktionsenthalpie, Standardbildungsenthalpie, Satz von Hess, stöchiometrische Koeffizienten, Verbrennungsenthalpie, Hydrierungsenthalpie, Lösungsenthalpie, Verdünnungsenthalpie, Einzelionenbildungsenthalpie, Solvatationsenthalpie, Hydratationsenthalpie, Bindungsenthalpie, Dissoziationsenergie, Dissoziationsprodukte, mittlere Bindungsenthalpie, Reaktionsenergie
Literaturempfehlung
Ein allgemeines Lehrbuch der Physikalischen Chemie (Atkins, McQuarrie/Simon, Wedler/Freund, Alberty/Silbey, Berry/Rice/Ross, Moore/Hummel, Engel/Reid (cave!), ...) ist auch für die späteren PC-Vorlesungen (Chemisches Gleichgewicht im Modul B.Che.1304, Molekülzustände und ihre Spektroskopie im Modul B.Che.1303, Chemische Reaktionskinetik im Modul B.Che.2301) bis hinein in den Masterstudiengang (Wahlpflichtvorlesungen M.Che.1311-15) sowie für alle PC-Praktika tragfähig und wird daher empfohlen. Für B.Che.1301 selbst genügt eventuell auch ein gutes Lehrbuch der allgemeinen Chemie (Christen, Oxtoby, ...) oder ein Kurzlehrbuch der Physikalischen Chemie für Nebenfachstudenten. Bei angelsächsischen Autoren ist in der Regel die englischsprachige Originalausgabe zu empfehlen (Preis, Aktualität, wichtige Sprachübung).
Das Grundwissen in Mathematik und Physik (und vieles andere mehr) lässt sich beispielsweise im Bronstein/Semendjajew/Musiol/Mühlig, Taschenbuch der Mathematik, 6. Auflage, und im Stöcker, Taschenbuch der Physik, 5. Auflage, beide im Harri Deutsch Verlag erschienen, auffrischen.
Versuchsanleitungen zu den praktischen Übungen
PDF Datei (1.25 MB, 64 Seiten) (Version WS 2012/2013)
Eine empfehlenswerte Zusammenstellung von grundlegenden und weiterführenden Praktikumsexperimenten zusammen mit Hinweisen zu Fehlerrechnung, Protokollverfassung, graphischen Darstellungen, etc. findet sich bei E. Meister, Grundpraktikum Physikalische Chemie, 2006, UTB, ISBN 3-8252-8329-1.
Anmeldung
Die Gruppeneinteilung erfolgt über Stud.IP. Die Anmeldung zu den Übungsgruppen und zum Praktikum ersetzt nicht die spätere Online-Anmeldung zur Modulprüfung (via http://www.uni-goettingen. de/de/45574.html)!