Einführung

Die meisten Menschen können sich unter dem Fach »Physikalische Chemie« wenig vorstellen. Wenn ich im Bekanntenkreis gefragt wurde, was für ein Buch ich gerade schreibe, löste meine Antwort fragende Blicke oder skeptisches Stirnrunzeln aus. Die Namenskombination aus zwei Fächern, die schon in der Schulzeit als äußerst schwierig gelten, löst beim ersten Kontakt zumeist eine Schreckensvision von komplizierten Gleichungen in irgendeinem unklaren Zusammenhang mit giftigen Chemikalien aus.

Daher hielt sich meine Begeisterung, als ich beim Antritt meiner ersten Dozentenstelle die Lehrveranstaltungen in Physikalischer Chemie übernehmen sollte, zunächst in Grenzen. Als »Neuer« bekommt man eben die Aufgaben aufgedrückt, die sonst niemand übernehmen will. Das Fach war erst wenige Jahre zuvor durch eine Änderung der pharmazeutischen Studienordnung als eigenständiges Fach eingeführt worden, und als Rückkehrer nach vier Jahren Praxis in der Arzneimittelproduktion und Qualitätssicherung musste ich mich als Erstes schlaumachen, worum es überhaupt geht. Zum Glück stellte sich heraus, dass ich die meisten Lehrinhalte in den verschiedenen Fächern meines Studiums gelernt hatte und die Methoden aus der praktischen Anwendung kannte.

Physikalische Chemie ist keineswegs eine praxisferne, theoretische Wissenschaft, die Sie notgedrungen in Ihrer Ausbildung durchleiden müssen, um sie nach hoffentlich bestandener Prüfung für alle Zeiten aus Ihrem Gedächtnis zu verbannen. Bei jeder hochwertigen Labortätigkeit werden Sie im Beruf die eine oder andere Methode anwenden, die Sie aus der Physikalischen Chemie kennen. Gute Grundlagenkenntnisse helfen Ihnen gewaltig bei der praktischen Arbeit. Sie können Fehler leichter erkennen und vermeiden und sogar fundierte Lösungsansätze für Neuentwicklungen oder Verbesserungen in Ihrem Arbeitsbereich vorschlagen.

Aber vor allen Dingen kann die Physikalische Chemie richtig Spaß machen. Je länger ich das Fach unterrichtete, desto mehr Ideen kamen mir, wie ich die scheinbar komplizierten Zusammenhänge mit einfachen Versuchen und Modellen anschaulich demonstrieren kann. So etwas macht nicht nur dem Dozenten Spaß, sondern auch den Studenten.

Sie werden fast gar nicht mehr bemerken, dass das Fach Gerüchten zufolge eigentlich besonders schwierig sein soll. Lassen Sie sich nicht von jetzt noch unverständlichen und nach Fachchinesisch klingenden Begriffen wie Viskosität, Tensiometrie, Adsorptionsisotherme, Eutektikum und Reaktionsgeschwindigkeitskonstante abschrecken. Ich verspreche Ihnen, dass Sie nach dem Lesen dieses Buches wissen, was sich dahinter verbirgt. Sie werden problemlos mit den Begriffen umgehen und mit Ihren neu erworbenen Kenntnissen vieles verstehen, was Ihnen bisher unklar ist.

Jeder Mensch sammelt schon ab dem Kleinkindalter Erfahrungen, wie sich die Stoffe in seiner alltäglichen Umgebung verhalten. Dass eine randvolle Badewanne überläuft, wenn man sich hineinsetzt, dass Eisenstücke in Wasser untergehen, Holz aber schwimmt und dass kochendes Wasser heiß ist. Später erfährt er dann, dass Wasser bei 0 °C einfriert und bei 100 °C siedet. Ich könnte Ihnen noch jede Menge weiterer physikalischer und physikalisch-chemischer Selbstverständlichkeiten aufzählen. So etwas zu untersuchen, wo Sie genau das erwartete Ergebnis erhalten, ist langweilig. Physikalische Chemie kann ein bisschen wie Zauberei sein. Lassen Sie sich verzaubern von verblüffenden Phänomenen. Schwimmende Eisenstücke, kaltes siedendes Wasser, verschwindende Substanzen, nach oben fließende Flüssigkeiten und flüssig werdende Pulvermischungen sind nur eine Auswahl der erstaunlichen Dinge, die Ihnen beim sorgfältigen Lesen dieses Buches begegnen werden.

Über dieses Buch

Dieses Buch wird Ihnen einen leicht verständlichen Einstieg in die Physikalische Chemie ermöglichen. Es ist kein umfassendes Lehrbuch, das alle Formeln und Gesetze für fortgeschrittene Chemiestudenten enthält. Dafür finden Sie die Grundlagen und wichtigsten Formeln in anschaulichen Modellen und Versuchsbeschreibungen erklärt.

Sie können sich selbst beweisen, dass Sie mit diesem Buch viel gelernt haben, indem Sie die zuvor noch schwierig bis unlösbar erscheinenden Aufgaben der Kapitel 4, 8, 12 und 20?lösen.

Als ich gefragt wurde, ob ich ein ... für-Dummies-Buch über Physikalische Chemie schreiben wolle, war ich zunächst skeptisch. Ich bin schließlich kein studierter Physikochemiker, sondern Pharmazeut. Ich habe zwar dreizehn Jahre lang physikalisch-chemische Lehrveranstaltungen durchgeführt, aber nur als Grundlagenfach für Pharmazeuten, Biotechnologen, Lebensmitteltechnologen und Verfahrenstechniker. Außerdem habe ich nie das wichtige Teilgebiet Thermodynamik unterrichtet, da es als eigenes Fach von einem Kollegen übernommen wird. Andererseits hat es mir immer Spaß gemacht, meine Studenten für dieses spannende Fachgebiet zu begeistern oder ihnen wenigstens den Schrecken zu nehmen. Also stelle ich mich der Aufgabe und versuche, auch Ihnen den Erstkontakt mit der Physikalischen Chemie so leicht und schmackhaft wie möglich zu machen.

Zur Thermodynamik hätte ich wahrscheinlich kaum mehrere Seiten mit fundierten und leicht verständlichen Inhalten zusammengebracht, da ich selbst nur die wichtigsten Grundlagen einigermaßen beherrsche. Glücklicherweise konnte ich mit Herrn Sebastian Altwasser einen meiner ehemaligen Studenten dafür gewinnen, der als Nachwuchswissenschaftler mittlerweile erfolgreich seine wissenschaftliche Karriere fortsetzt. Als Verfahrenstechniker kann er Ihnen sicherlich die als besonders schwierig geltende Thermodynamik umfassend und verständlich nahebringen.

Konventionen in diesem Buch

Obwohl Sie in diesem Buch eine Menge Formeln finden, ist es kein Mathematikbuch und auch kein Physikbuch. Ich habe bewusst auf Matrizen oder Vektorpfeile bei gerichteten physikalischen Größen (Weg, Kraft, Geschwindigkeit, .) verzichtet, um Sie nicht zu verwirren. Falls notwendig, finden Sie die Richtung in den Erklärungsmodellen angedeutet. Das Multiplikationszeichen habe ich konsequent eingesetzt, auch wenn es weggelassen werden darf. Zu oft habe ich schon erlebt, dass Studenten aus mPas (korrekt: Millipascal mal Sekunden) fälschlich Meter mal Pascal mal Sekunden gemacht haben. Manchmal wechsele ich zwischen verschiedenen erlaubten Schreibweisen (mol/l oder mol · L-1) und Achsenbeschriftungen (Geschwindigkeit v/m · s-1 oder Geschwindigkeit v [m/s]). Diese Konvention ist zugegebenermaßen sehr unkonventionell. Es soll Ihnen aber zeigen, welche unterschiedlichen Schreibweisen Sie in verschiedenen Büchern finden werden und auch selbst gebrauchen dürfen.

Törichte Annahmen über den Leser

Sie wollen sich Kenntnisse in einem neuen und wahrscheinlich komplizierten Fachgebiet aneignen? Ich gratuliere Ihnen, Sie haben instinktiv die beste Vorgehensweise gewählt. Stellen Sie sich zuerst einmal ganz dumm! Nur wer sich immer schlau stellt, weil er sich keine Blöße mit Wissenslücken geben will, ist töricht. Kurzfristig wird er vielleicht durch seinen Bluff mit unfundiertem Halbwissen und aufgeschnappten Fachbegriffen seine Mitmenschen beeindrucken können. Aber sobald es ans Eingemachte geht, wird er als Blender entlarvt. Die klügsten Menschen, vor deren Wissen und Intelligenz ich bescheiden den Hut ziehe, haben in wissenschaftlichen Symposien mit »Lieber Kollege, könnten Sie mir als Laien bitte noch einmal erklären, wie Sie .« die fachliche Diskussion mit dem Vortragenden eröffnet.

Allein die Tatsache, dass Sie offensichtlich einen Grund für die Beschäftigung mit Physikalischer Chemie haben, zeigt mir, dass Sie als ... für-Dummies-Leser wahrscheinlich fortgeschrittenere physikalische, chemische und mathematische Grundkenntnisse besitzen, als ich in diesem Buch voraussetze. Verzeihen Sie mir bitte, wenn Ihnen manche Erklärungen und Herleitungen zu einfach oder gar überflüssig erscheinen. Aber bei anderen Lesern könnte die Erinnerung an den mathematisch-naturwissenschaftlichen Schulstoff etwas eingerostet und wiederholungsbedürftig sein.

Selbstverständlich kann ich nicht ganz bei null anfangen. Ich nehme an, dass Sie eine Geradengleichung kennen, einfache Funktionsverläufe verstehen und mathematische Gleichungen lösen können. Sie sollten außerdem Grundkenntnisse aus der Physik zur Geschwindigkeit, Kraft und Energie sowie zum Atomaufbau besitzen.

Die Physikalische Chemie begegnet Ihnen als chemisches Spezialgebiet erst, nachdem Sie in den chemischen Grundlagenfächern Kenntnisse zur allgemeinen, anorganischen und organischen Chemie erworben haben. Ich nehme also an, dass Sie etwas über chemische Elemente und Verbindungen wissen sowie Ionen, Bindungsarten und Gehaltsangaben kennen.

Ich habe mir die größte Mühe gegeben, keine unerklärten Fachbegriffe zu verwenden. Der Nachteil eines Buches gegenüber einer Unterrichtsveranstaltung ist, dass Sie nicht gleich beim Lehrenden nachfragen können. Notfalls verschafft Ihnen eine kurze Internetsuche sofort die benötigte Information.

Wie...