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Kurzlehrbuch Physikalische Chemie

für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge

Autor	Julio de Paula, Peter W. Atkins
Verlag	Wiley-VCH
Erscheinungsjahr	2019
Seitenanzahl	694 Seiten
ISBN	9783527820368
Format	PDF
Kopierschutz	DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	61,99 EUR

Mit seinem lebendigen und anschaulichen Stil sowie einer immer weiter verfeinerten Didaktik hat Peter Atkins das Lernen und Lehren in der Physikalischen Chemie revolutioniert. Sein Stil ist unverwechselbar - und unerreicht.
Die 5. Auflagedes 'kleinen' Atkins für natur- und ingenieurwissenschaftliche Studiengänge hat ein neues, innovatives Konzept, das dabei unterstützt, sämtliche Hürden zu meistern.
Der Stoff ist in 15 Fokus-Kapitel aufgeteilt. Zu Beginn jedes Fokus werden Beziehungen zwischen den Abschnitten innerhalb eines Fokus hergestellt, um die Verbindungen zwischen den verschiedenen Gebieten der Physikalischen Chemie hervorzuheben.
Jeder Abschnitt beginnt mit einer Motivation, Nennung der Schlüsselideen und der Voraussetzungen, die die Leserinnen und Leser zum Verständnis des Abschnitts mitbringen sollten.
Zahlreiche durchgerechnete Beispiele, Zusammenfassungen, Verständnistests und Hinweise zur richtigen Verwendung von Fachsprache helfen dabei, die erlernten Konzepte zu festigen und ermöglichen zielgerichtetes Lernen und Wiederholen.
Passend zur 5. Auflage gibt es erstmals ein Arbeitsbuch mit durchgerechneten Lösungen der mehr als 800 Aufgaben.
Der 'kleine' Atkins ist und bleibt ein Muss für jeden Einsteiger und jede Einsteigerin in die Physikalische Chemie.

Auch im attraktiven Deluxe-Set mit dem Arbeitsbuch erhältlich!

Peter Atkins ist emeritierter Professor fur Chemie am Lincoln College der University of Oxford und Autor international bekannter Chemie-Lehrbucher. Er ist einer der erfolgreichsten und didaktisch besten Lehrbuchautoren weltweit und schrieb zahlreiche Lehrbuch-Klassiker.

Julio de Paula ist Professor fur Chemie am Lewis and Clark College, Portland, Oregon, USA. Zusammen mit Peter Atkins verfasste er bereits zahlreiche erfolgreiche Lehrbucher, neben der Neuauflage von 'Physikalische Chemie' u.a. auch 'Physical Chemistry for the Life Sciences'.

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Blick ins Buch

Inhaltsverzeichnis

Cover	1
Titelseite	5
Impressum	6
Vorwort	7
Inhaltsverzeichnis	9
Hinweise zur Benutzung des Buches	17
Energie, Temperatur und Chemie	19
1 Die Eigenschaften der Gase	21
1.1 Das ideale Gas	22
1.1.1 Die Zustandsgleichung des idealen Gases	24
1.1.2 Anwendungen der Zustandsgleichung des idealen Gases	27
1.1.3 Mischungen von Gasen: Der Partialdruck	29
1.2 Die kinetische Gastheorie	33
1.2.1 Der Druck eines Gases	33
1.2.2 Die mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle	36
1.2.3 Die Maxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung	37
1.2.4 Diffusion und Effusion	39
1.2.5 Intermolekulare Stöße	41
1.3 Reale Gase	43
1.3.1 Intermolekulare Wechselwirkungen	44
1.3.2 Die kritische Temperatur	45
1.3.3 Der Kompressionsfaktor	47
1.3.4 Die Virialgleichung	48
1.3.5 Die van-der-Waals-Gleichung	49
1.3.6 Die Verflüssigung von Gasen	52
2 Thermodynamik: der Erste Hauptsatz	59
2.1 Arbeit	60
2.1.1 System und Umgebung	61
2.1.2 Volumenarbeit	63
2.1.3 Reversible Expansion	64
2.2 Wärme	68
2.2.1 Konventionen	68
2.2.2 Wärmekapazität	69
2.2.3 Kalorimetrie	71
2.2.4 Der Wärmefluss während einer Expansion	73
2.3 Innere Energie	73
2.3.1 Die Innere Energie	74
2.3.2 Die Innere Energie als Zustandsfunktion	75
2.3.3 Änderungen der Inneren Energie	75
2.3.4 Die molekularen Grundlagen der Inneren Energie	77
2.4 Enthalpie	78
2.4.1 Die Enthalpie	79
2.4.2 Enthalpieänderung	79
2.4.3 Die Temperaturabhängigkeit der Enthalpie	81
2.5 Physikalische Umwandlungen	83
2.5.1 Die Enthalpie von Phasenübergängen	84
2.5.2 Ionisierung und Elektronenanlagerung	87
2.6 Chemische Umwandlungen	90
2.6.1 Dissoziationsenthalpien	90
2.6.2 Verbrennungsenthalpien	93
2.6.3 Die Kombination von Reaktionsenthalpien	95
2.6.4 Standardbildungsenthalpien	96
2.6.5 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie	98
3 Thermodynamik: der Zweite Hauptsatz	111
3.1 Die Entropie	112
3.1.1 Die Richtung spontaner Prozesse	112
3.1.2 Die Entropie und der Zweite Hauptsatz	113
3.1.3 Wärmekraftmaschinen, Kühlschränke und Wärmepumpen	115
3.2 Die Entropieänderung	117
3.2.1 Die Entropieänderung bei einer Expansion	117
3.2.2 Die Entropieänderung bei einer Temperaturerhöhung	118
3.2.3 Die Entropieänderung bei einem Phasenübergang	121
3.2.4 Entropieänderungen in der Umgebung	123
3.3 Absolute Entropien	125
3.3.1 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik	125
3.3.2 Die molekulare Interpretation der Entropie	127
3.3.3 Nullpunktsentropie	129
3.4 Die Freie Enthalpie	131
3.4.1 Die Standardreaktionsentropie	132
3.4.2 Die Spontaneität chemischer Reaktionen	132
3.4.3 Die Beschränkung auf das System	133
3.4.4 Die Eigenschaften der Freien Enthalpie	134
4 Physikalische Umwandlungen	143
4.1 Die Thermodynamik von Phasenübergängen	144
4.1.1 Die Stabilitätsbedingung	144
4.1.2 Die Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie	145
4.1.3 Die Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie	148
4.1.4 Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung	150
4.2 Phasendiagramme reiner Substanzen	152
4.2.1 Phasengrenzlinien	152
4.2.2 Der Verlauf von Phasengrenzlinien	154
4.2.3 Charakteristische Punkte im Phasendiagramm	159
4.2.4 Die Phasenregel	160
4.2.5 Phasendiagramme ausgewählter Substanzen	162
4.3 Partielle molare Größen	164
4.3.1 Partielles molares Volumen	165
4.3.2 Das chemische Potenzial	166
4.3.3 Spontane Mischungsprozesse	168
4.4 Lösungen	170
4.4.1 Ideale Lösungen	171
4.4.2 Das chemische Potenzial des Lösungsmittels	172
4.4.3 Ideal verdünnte Lösungen	174
4.4.4 Das chemische Potenzial des gelösten Stoffes	177
4.4.5 Reale Lösungen: Aktivitäten	179
4.5 Kolligative Eigenschaften	180
4.5.1 Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung	180
4.5.2 Osmose	183
4.6 Phasendiagramme von Mischungen	187
4.6.1 Mischungen flüchtiger Flüssigkeiten	188
4.6.2 Flüssig/Flüssig-Phasendiagramme	190
4.6.3 Flüssig/Fest-Phasendiagramme	192
4.6.4 Das Zonenschmelzverfahren	195
4.6.5 Das Nernst’sche Verteilungsgesetz	196
5 Chemische Umwandlungen	207
5.1 Thermodynamik chemischer Reaktionen	209
5.1.1 Die Freie Reaktionsenthalpie	209
5.1.2 Die Abhängigkeit der Freien Reaktionsenthalpie von der Zusammensetzung	211
5.1.3 Reaktionen im Gleichgewichtszustand	213
5.1.4 Die Freie Standardreaktionsenthalpie	215
5.2 Die Gleichgewichtskonstante	217
5.2.1 Die Zusammensetzung im Gleichgewicht	218
5.2.2 Die Beziehung zwischen Gleichgewichtskonstante und Konzentrationen	221
5.2.3 Die molekulare Interpretation von Gleichgewichtskonstanten	222
5.3 Der Einfluss äußerer Bedingungen auf das Gleichgewicht	223
5.3.1 Der Einfluss der Temperatur	223
5.3.2 Der Einfluss des Drucks	226
5.3.3 Die Gegenwart eines Katalysators	228
5.4 Säure-Base-Gleichgewichte	228
5.4.1 Die Brønsted-Lowry-Theorie	229
5.4.2 Protonierung und Deprotonierung	230
5.5 Mehrwertige Säuren	236
5.5.1 Sukzessive Deprotonierung	236
5.5.2 Speziierung	237
5.6 Säure-Base-Gleichgewichte von wässrigen Salzlösungen	240
5.6.1 Der pH-Wert von Salzlösungen	240
5.6.2 Säure-Base-Titrationen	242
5.6.3 Puffer	246
5.7 Löslichkeitsgleichgewichte	247
5.7.1 Das Löslichkeitsprodukt	248
5.7.2 Der Einfluss gemeinsamer Ionen auf die Löslichkeit	249
5.7.3 Der Einfluss der Zugabe von Salzen auf die Löslichkeit	250
5.8 Ionen in Lösung	251
5.8.1 Mittlere Aktivitätskoeffizienten	252
5.8.2 Die Debye-Hückel-Theorie	253
5.8.3 Die Wanderung von Ionen	255
5.9 Elektrochemische Zellen	258
5.9.1 Halbreaktionen und Elektroden	259
5.9.2 Reaktionen an Elektroden	262
5.9.3 Zelltypen	264
5.9.4 Die Zellreaktion	265
5.9.5 Die Zellspannung	266
5.10 Standardpotenziale	268
5.10.1 Die Beiträge der einzelnen Elektroden	268
5.10.2 Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten aus Standardpotenzialen	269
5.10.3 Die Abhängigkeit des Potenzials vom pH-Wert	270
5.10.4 Die elektrochemische Reihe	271
5.10.5 Die Kombination von Standardpotenzialen	272
5.10.6 Bestimmung thermodynamischer Daten aus Standardpotenzialen	272
6 Chemische Kinetik	287
6.1 Empirische chemische Kinetik	288
6.1.1 Die Definition der Reaktionsgeschwindigkeit	289
6.1.2 Experimentelle Techniken	290
6.2 Geschwindigkeitsgesetze	292
6.2.1 Die Geschwindigkeitskonstante	293
6.2.2 Die Reaktionsordnung	294
6.2.3 Die Bestimmung des Geschwindigkeitsgesetzes	295
6.3 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze	298
6.3.1 Reaktionen nullter Ordnung	299
6.3.2 Reaktionen erster Ordnung	299
6.3.3 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A Produkte	301
6.3.4 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A+B Produkte	302
6.3.5 Halbwertszeiten	304
6.4 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit	306
6.4.1 Die Arrhenius-Parameter	306
6.4.2 Die Stoßtheorie von Reaktionen in der Gasphase	309
6.4.3 Die Theorie des Übergangszustands	311
6.5 Die Annäherung an den Gleichgewichtszustand	314
6.5.1 Gleichgewichte und Reaktionsgeschwindigkeiten	314
6.5.2 Relaxation	317
6.6 Reaktionsmechanismen	318
6.6.1 Elementarreaktionen	319
6.6.2 Die Aufstellung von Geschwindigkeitsgesetzen	320
6.6.3 Folgereaktionen	321
6.6.4 Der Übergangszustand	322
6.6.5 Die Näherung des stationären Zustands	322
6.6.6 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt	324
6.6.7 Kinetische Kontrolle	325
6.6.8 Unimolekulare Reaktionen	325
6.7 Reaktionen in Lösung	327
6.7.1 Aktivierungskontrolle und Diffusionskontrolle	327
6.7.2 Diffusion	329
6.8 Homogene Katalyse	333
6.8.1 Der Michaelis-Menten-Mechanismus der enzymatischen Katalyse	334
6.8.2 Analyse der Geschwindigkeiten enzymatisch katalysierter Reaktionen	336
6.9 Heterogene Katalyse	338
6.9.1 Physisorption und Chemisorption	339
6.9.2 Adsorptionsisothermen	340
6.9.3 Mechanismen oberflächenkatalysierter Reaktionen	344
7 Quantentheorie	357
7.1 Die Grundlagen der Quantentheorie	358
7.1.1 Der Nachweis diskreter Energieniveaus	360
7.1.2 Der Nachweis des Teilchencharakters von Strahlung	361
7.1.3 Der Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus	363
7.2 Die Dynamik mikroskopischer Systeme	365
7.2.1 Die Schrödinger-Gleichung	366
7.2.2 Die Born’sche Interpretation	368
7.2.3 Die Unschärferelation	371
7.3 Translation	374
7.3.1 Bewegung in einer Dimension	374
7.3.2 Der Tunneleffekt	378
7.3.3 Bewegung in zwei Dimensionen	380
7.4 Rotation	383
7.4.1 Rotation in zwei Dimensionen	384
7.4.2 Rotation in drei Dimensionen	387
7.5 Schwingung	390
7.5.1 Der harmonische Oszillator	390
7.5.2 Quantenmechanische Behandlung des harmonischen Oszillators	391
8 Der Aufbau der Atome	399
8.1 Wasserstoffähnliche Atome	400
8.1.1 Die erlaubten Energieniveaus des Wasserstoffatoms	400
8.1.2 Quantenzahlen	403
8.1.3 Wellenfunktionen: s-Orbitale	406
8.1.4 Wellenfunktionen: p- und d-Orbitale	410
8.2 Der Aufbau von Mehrelektronenatomen	412
8.2.1 Die Orbitalnäherung	412
8.2.2 Der Elektronenspin	413
8.2.3 Das Pauli-Prinzip	414
8.2.4 Durchdringung und Abschirmung	415
8.2.5 Das Aufbauprinzip	416
8.2.6 Die Besetzung der d-Orbitale	417
8.2.7 Die Konfiguration von Kationen und Anionen	418
8.2.8 Self-Consistent-Field-Orbitale	418
8.3 Die Periodizität der atomaren Eigenschaften	419
8.3.1 Der Radius von Atomen und Ionen	420
8.3.2 Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität	421
8.4 Atomspektroskopie	424
8.4.1 Die Spektren wasserstoffähnlicher Atome	424
8.4.2 Die Spektren von Mehrelektronenatomen	425
8.4.3 Die Spin-Bahn-Kopplung	428
8.4.4 Auswahlregeln für Mehrelektronenatome	429
9 Die chemische Bindung	435
9.1 Die Valence-Bond-Theorie	436
9.1.1 Zweiatomige Moleküle	438
9.1.2 Mehratomige Moleküle	440
9.1.3 Promotion und Hybridisierung	440
9.1.4 Resonanz	444
9.1.5 Begriffsdefinitionen in der Valence-Bond-Theorie	445
9.2 Molekülorbital-Theorie: homonukleare, zweiatomige Moleküle	446
9.2.1 Linearkombination von Atomorbitalen	446
9.2.2 Bindende und antibindende Orbitale	448
9.2.3 Inversionssymmetrie	449
9.2.4 Die chemische Bindung in der MO-Theorie	450
9.2.5 Die elektronische Struktur homonuklearer, zweiatomiger Moleküle	451
9.2.6 Die Konfigurationen homonuklearer, zweiatomiger Moleküle der zweiten Periode	453
9.2.7 Die Kriterien für die Bildung von Molekülorbitalen	455
9.3 Molekülorbital-Theorie: heteronukleare, zweiatomige Moleküle	456
9.3.1 Polare Bindungen	456
9.3.2 Die Formulierung von Molekülorbitalen	457
9.3.3 Molekülorbital-Diagramme	459
9.4 Molekülorbital-Theorie: mehratomige Moleküle	460
9.4.1 Die Molekülorbitale von Wasser	461
9.4.2 Die Hückel-Methode	462
9.4.3 Die Molekülorbitale von Benzol	465
9.4.4 Computerchemie	466
10 Molekulare Wechselwirkungen	475
10.1 Elektrische Eigenschaften von Molekülen	476
10.1.1 Elektrische Dipolmomente	476
10.1.2 Dipolmomente mehratomiger Moleküle	477
10.1.3 Polarisierbarkeit	480
10.2 Wechselwirkungen zwischen Molekülen	481
10.2.1 Wechselwirkungen zwischen Partialladungen	481
10.2.2 Wechselwirkungen zwischen Ladungen und Dipolen	482
10.2.3 Wechselwirkungen zwischen Dipolen	484
10.2.4 Induzierte Dipolmomente	486
10.2.5 Dispersionswechselwirkungen	486
10.2.6 Wasserstoffbrückenbindungen	487
10.2.7 Der hydrophobe Effekt	489
10.2.8 Die Beschreibung der Gesamtwechselwirkung	489
11 Molekulare Spektroskopie	497
11.1 Allgemeine Aspekte der Spektroskopie	498
11.1.1 Spektrometer	499
11.1.2 Absorption und Emission	501
11.1.3 Die Raman-Streuung	505
11.1.4 Linienbreiten	505
11.2 Rotationsspektroskopie	508
11.2.1 Energieniveaus der Rotation von Molekülen	508
11.2.2 Verbotene und erlaubte Rotationszustände	512
11.2.3 Die Besetzung von Rotationszuständen im thermischen Gleichgewicht	513
11.2.4 Mikrowellenspektroskopie	515
11.2.5 Raman-Rotationsspektren	517
11.3 Schwingungsspektroskopie	518
11.3.1 Schwingungen von Molekülen	519
11.3.2 Schwingungsübergänge	520
11.3.3 Anharmonizität	521
11.3.4 Raman-Schwingungsspektren zweiatomiger Moleküle	522
11.3.5 Schwingungen mehratomiger Moleküle	522
11.3.6 Rotationsschwingungsspektren	525
11.3.7 Raman-Schwingungsspektren mehratomiger Moleküle	526
11.4 Elektronenspektroskopie	527
11.4.1 Spektren im ultravioletten und sichtbaren Bereich	527
11.4.2 Spezielle Arten von Elektronenübergängen	529
11.4.3 Untersuchung von Mischungen mittels Elektronenspektroskopie	530
11.4.4 Photoelektronenspektroskopie	532
11.5 Die Desaktivierung angeregter Zustände	534
11.5.1 Fluoreszenz und Phosphoreszenz	535
11.5.2 Mechanismus der Desaktivierung angeregter Zustände	537
11.5.3 Fluoreszenzlöschung	538
11.5.4 Resonanzenergietransfer	541
12 Statistische Thermodynamik	553
12.1 Die Boltzmann-Verteilung	554
12.1.1 Die Besetzung von Zuständen	554
12.1.2 Die allgemeine Form der Boltzmann-Verteilung	555
12.1.3 Die Ursprünge der Boltzmann-Verteilung	557
12.2 Die Zustandssumme	558
12.2.1 Die Bedeutung der Zustandssumme	558
12.2.2 Die molekulare Zustandssumme	560
12.2.3 Die Translationszustandssumme	561
12.2.4 Die Rotationszustandssumme	562
12.2.5 Die Schwingungszustandssumme	563
12.2.6 Die elektronische Zustandssumme	565
12.2.7 Die Aussagekraft der molekularen Zustandssumme	565
12.3 Der Ursprung thermodynamischer Eigenschaften	566
12.3.1 Die Innere Energie	566
12.3.2 Die Wärmekapazität	568
12.3.3 Die Entropie	569
12.3.4 Die Freie Enthalpie	570
12.3.5 Die Berechnung der Gleichgewichtskonstante	572
13 Magnetische Resonanz	579
13.1 Das Prinzip der magnetischen Resonanz	580
13.1.1 Kerne in Magnetfeldern	580
13.1.2 Die Resonanzbedingung	582
13.1.3 Technische Aspekte der NMR	583
13.2 Die Auswertung von NMR-Spektren	584
13.2.1 Die chemische Verschiebung	584
13.2.2 Die Feinstruktur	588
13.2.3 Die Ursachen der Spin-Spin-Aufspaltung	590
13.2.4 Spinrelaxation	591
13.2.5 Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse	593
13.3 Elektronenspinresonanz	594
13.3.1 Elektronen in Magnetfeldern	595
13.3.2 Technische Aspekte der ESR	596
13.3.3 Der g-Faktor	596
13.3.4 Die Hyperfeinstruktur	597
14 Makromoleküle und Selbstorganisation	605
14.1 Biologische und synthetische Makromoleküle	606
14.1.1 Die mittlere Molmasse	606
14.1.2 Strukturmodelle	608
14.1.3 Strukturmodelle: Zufallsknäuel	609
14.1.4 Strukturmodelle: Polypeptide und Polynucleotide	610
14.1.5 Die Vorhersage von Proteinstrukturen	612
14.1.6 Mechanische Eigenschaften von Polymeren	614
14.1.7 Thermische Eigenschaften von Polymeren	616
14.2 Mesophasen und disperse Systeme	617
14.2.1 Flüssigkristalle	618
14.2.2 Unterteilung disperser Systeme	619
14.2.3 Oberfläche, Struktur und Stabilität	620
14.2.4 Die elektrische Doppelschicht	622
14.2.5 Oberflächen von Flüssigkeiten und der Einfluss von Tensiden	624
15 Festkörper	631
15.1 Kristallstrukturen	632
15.1.1 Die Identifizierung von Kristallebenen	633
15.1.2 Die Bestimmung von Kristallstrukturen	635
15.1.3 Das Bragg’sche Gesetz	637
15.1.4 Experimentelle Techniken	638
15.2 Die chemische Bindung in Festkörpern	640
15.2.1 Metallische Festkörper	641
15.2.2 Ionische Festkörper	643
15.2.3 Die elektronische Struktur metallischer und ionischer Festkörper	645
15.2.4 Energetische Aspekte der Bindungen in ionischen Festkörpern	647
15.2.5 Molekulare Festkörper	651
15.2.6 Kovalente Netzwerke	651
15.3 Die Eigenschaften von Festkörpern	652
15.3.1 Elektrische Eigenschaften von Festkörpern	653
15.3.2 Supraleitung	655
15.3.3 Optische Eigenschaften von Festkörpern	656
15.3.4 Festkörperlaser	657
15.3.5 Magnetische Eigenschaften von Festkörpern	658
Anhang	665
Anhang 1 Standardintegrale	665
Anhang 2 Einheiten	666
Anhang 3 Daten	667
Stichwortverzeichnis	677
EULA	697

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Die etz bietet mit technischer Berichterstattung aus der elektrischen Automatisierungstechnik, Energietechnik, Mess- und Prüftechnik sowie Industrieelektronik wichtige Entscheidungshilfen für den ...