Hinweise zur Benutzung des Buchs

Für diese Auflage der "Physikalischen Chemie" haben wir die Lernhilfen weiter ausgebaut. Zusätzlich zu den bereits bekannten didaktischen Elementen finden Sie optisch abgesetzte Herleitungen, die verdeutlichen, dass Mathematik ein interessanter und wesentlicher Baustein zum Verständnis der Physikalischen Chemie ist.

Innovative Struktur

2.1 Grundbegriffe

Motivation

Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik ist die Basis für die Diskussion, welche Rolle der Energie in der Chemie zukommt. Immer wenn wir uns bei physikalischen Umwandlungen oder chemischen Reaktionen mit energetischen Aspekten befassen, bilden die Konzepte, die im Ersten Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst sind, hierfür die Grundlage.

Schlüsselideen

Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen (isolierten) Systems ist konstant.

Voraussetzungen

In diesem Abschnitt greifen wir unsere Betrachtungen zu idealen Gasen (Abschn. 1.1) wieder auf, insbesondere die Zustandsgleichung des idealen Gases. Von grundlegender Bedeutung für die Argumentation in diesem Abschnitt ist außerdem die Definition der Arbeit, wie sie in "Toolkit 6: Arbeit und Energie" beschrieben ist.

In der Physikalischen Chemie teilt man die Welt zweckmäßigerweise in zwei Teile, das System und seine Umgebung. Das System ist der Teil, den wir untersuchen wollen; das kann ein Reaktionsgefäß

Kurze Abschnitte sind in Foki organisiert, um die Themen noch klarer zu gliedern und leichter verständlich zu machen. Jeder Abschnitt beginnt mit der Antwort auf die Frage, wieso er wichtig ist, also der Motivation sowie den Schlüsselideen und den Voraussetzungen, die zum Verständnis des jeweiligen Abschnitts nötig sind.

Hinweise zur guten wissenschaftlichen Praxis

Hinweis Als Allotrop bezeichnen wir eine bestimmte Molekülform eines Elements (wie z. B. Sauerstoff, O2, und Ozon, O3); dabei kann es sich um einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Ein Polymorph ist eine bestimmte feste Phase eines Elements oder einer Verbindung.

Diese Hinweise helfen dabei, typische Fehler von vornherein zu vermeiden. Unter anderem ermutigen sie zur konsequenten und korrekten Nutzung der chemischen Fachsprache, wie sie in den Konventionen und Richtlinien der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) niedergelegt sind.

Anhang

Der Anhang am Ende des Buches beinhaltet eine Tabelle nützlicher Integrale, ausführliche Tabellen physikalischer und chemischer Daten sowie Charaktertafeln. Kurze Ausschnitte aus diesen Tabellen erscheinen zusätzlich an den geeigneten Stellen in den Hauptabschnitten des Buches: sie sollen dort ein Gefühl für die typischen Werte physikalischer Größen vermitteln, die im Text erwähnt werden. Außerdem dienen sie als Datenquelle für Illustrationen und Rechenbeispiele.

Schlüsselkonzepte

Schlüsselkonzepte

1. Der physikalische Zustand einer Substanzpro be wird durch seine physikalischen Eigenschaften bestimmt.

2. Ein System befindet sich im mechanischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, wenn die Drücke auf beiden Seiten einer gemeinsamen, beweglichen Wand identisch sind.

Eine Auflistung der Schlüsselkonzepte erfolgt am Ende eines jeden Abschnitts, so dass Sie diejenigen Punkte abhaken können, die Sie bereits vollständig verstanden haben. Die Schlüsselkonzepte fassen in knappester Form die wichtigsten Punkte des jeweiligen Abschnitts zusammen, sodass Sie diese Kernaussagen vor Klausuren oder Prüfungen noch einmal verinnerlichen können.

Herleitungen

Herleitung 4.1: Die Phasenregel

Die Herleitung der Phasenregel kann am einfachsten verstanden werden, wenn wir uns zunächst auf die Betrachtung eines Systems beschränken, das nur eine einzelne Komponente enthält. Anschließend verallgemeinern wir die Betrachtung, indem wir das Ergebnis auf Systeme anwenden, die aus einer beliebigen Anzahl von Komponenten bestehen.

Schritt 1 Aufstellen der Phasenregel für ein Einkomponentensystem.

Wenn nur eine einzige Phase vorliegt, ist F = 2, und p und T können unabhängig voneinander variiert werden (zumindest über einen kleinen Bereich), ohne dass sich die Zahl der Phasen ändert. Für zwei Phasen a und ß im Gleichgewicht ist P = 2. Wenn diese beiden Phasen bei gegebenen Werten von Druck und Temperatur im Gleichgewicht vorliegen, dann müssen ihre chemischen Potenziale identisch sein:

Diese helfen Ihnen zu verstehen, wie eine Gleichung aufgrund der getroffenen Annahmen und den benötigen mathematischen Schritten hergeleitet wird. Jede Herleitung nimmt eine Frage oder ein Problem aus dem Text auf, entwickelt die notwendige Mathematik und schließt mit der gewünschten Gleichung und der Antwort auf die Ausgangsfrage.

Toolkits

Toolkit 2: Eigenschaften der Materie

Der Zustand einer makroskopischen Probe wird festgelegt, indem man die Werte einer Reihe von Eigenschaften angibt. Zu ihnen gehören:

• Die Masse m, ein Maß für die Menge einer Substanz (Einheit: Kilogramm, kg).
• Das Volumen V, ein Maß für den von der Probe eingenommenen Raum (Einheit: Kubikmeter, m3).
• Die Stoffmenge n, ein Maß für die Zahl von Teilchen (Atome, Moleküle oder Formeleinheiten) in der Probe (Einheit: Mol, mol).

Die Toolkits sollen Ihnen die mathematischen, physikalischen oder chemischen Konzepte in Erinnerung rufen, die Sie zum Verständnis des Lehrbuchs benötigen. Sie erscheinen jeweils dort, wo sie zuerst gebraucht werden. Dabei sind viele Toolkits für mehr als einen Abschnitt relevant.

Schlüsselgleichungen

Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick

Am Ende eines jeden Abschnitts werden die wichtigsten Gleichungen und deren Gültigkeitsbedingungen kurz zusammengefasst.

Illustrationen

Illustration 3.4

Wenn das Volumen eines idealen Gases bei konstanter Temperatur verdoppelt wird, gilt VE/VA = 2; somit beträgt die Änderung der molaren Entropie des Systems

Dies sind sehr kurze Beispiele, die zeigen, wie eine Gleichung oder ein Konzept konkret angewendet wird, meist durch einfaches Einsetzen vorgegebener Werte.

Beispiele

Beispiel 1.1: Anwendung der Zustandsgleichung des idealen Gases

In einem Industrieprozess wird Stickstoff in einem Gefäß mit konstantem Volumen auf 500 K erhitzt. Bei Eintritt in den Behälter beträgt sein Druck p = 100 atm und seine Temperatur T = 300 K. Unter welchem Druck steht das Gas bei Arbeitstemperatur, wenn es sich ideal verhält?

Vorgehensweise Da die Temperatur ansteigt, erwarten wir, dass der Druck zunimmt. Die Zustandsgleichung des idealen Gases in der Form pV/nT = R

Die ausführlich durchgerechneten Beispiele erläutern detailliert die Anwendung des im Text Gelernten und erfordern meist die Zusammenstellung und Nutzung mehrerer Gleichungen und Konzepte. Wir empfehlen, die Beispiele nicht nur zu rezipieren, sondern sich erst selbst an der Lösung zu versuchen. Selbsttests am Ende eines Beispiels geben Ihnen die Gelegenheit, Ihr Verständnis zu überprüfen.

Diskussionsfragen

Abschnitt 3.1 - Die Entropie

Diskussionsfragen

D3.1.1 Die biologische Evolution erfordert die Organisation einer großen Zahl von Molekülen in lebenden Zellen. Verletzt die Bildung von Organismen den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik? Formulieren Sie Ihre Antwort klar und schlüssig und begründen Sie sie mit ausführlichen Argumenten.

D3.1.2 Diskutieren Sie die Bedeutung der Begriffe "Verteilung" und "Unordnung" im Kontext des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

D3.1.3 Diskutieren Sie die Beziehungen zwischen den unterschiedlichen Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Jeder Fokus schließt mit Diskussionsfragen, die abschnittsweise organisiert sind. Diese Fragen sollen Sie ermuntern, das Gelesene zu reflektieren, sich die Schlüsselkonzepte zu vergegenwärtigen und über deren Implikationen und Limitationen nachzudenken.

Leichte und schwerere Aufgaben

Leichte Aufgaben

L3.5.1a 2,5 mmol eines...