Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach

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Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
(Lehramt, Biologie, Geoökologie, Pharmazie)
Christof Maul, Sommersemester 2014
Allgemeines und Organisatorisches
● Kontaktdaten
Christof Maul
[email protected]
391-7382
PC-Institut
Hans-Sommer-Str. 10
Büro: 4. OG, Raum 410
● zur Vorlesungs-Homepage
https://www.tu-braunschweig.de/pci/lehre/vorlesung
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 2 Christof Maul
PC für Nebenfach - Organisatorisches
Vorlesungs-Homepage
● https://www.tu-braunschweig.de/pci/forschung/maul/people/hcm/vl
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 3 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Klausur
● Geoökologie und CuV Lehramt
04.08.2014
(Teil)klausur 2stündig (Vorlesungsstoff)
Wiederholungsklausur im Februar/März 2015
● Biologie
Teilklausur NAT04 (PC)
Vorlesung PC, keine Praktikumsinhalte
voraussichtlich im Februar/März 2015
● Pharmazie
???
nach dem 4. Semester
im Rahmen des Ersten Staatsexamens
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 4 Christof Maul
PC für Nebenfach - Organisatorisches
Praktika Physikalische Chemie
für Studierende der Geoökologie:
SS 2014 (jetzt)
● optional
Modul Physik und Chemie II: vorgesehen für das 2. (laufende!) Semester
alternativ zu den Praktika Physik oder Chemie
https://www.tu-braunschweig.de/pci/lehre/praktika/geooek
Last Minute-Anmeldung noch möglich
für Studierende der Biologie:
WS 2014/5
● verpflichtend
Modul NAT04: vorgesehen für das 3. Semester
Es stehen ausreichend Plätze zur Verfügung.
https://www.tu-braunschweig.de/pci/lehre/praktika/biologie - Anmeldung ab Juli 2014
für Studierende der Pharmazie:
WS 2014/5
● verpflichtend
zusammen mit Physik-Praktikum, vorgesehen für das 2. Semester
veranstaltet von der Physik (Dr. Dirk Menzel, Inst. f. Physik der Kondensierten Materie)
Es stehen ausreichend Plätze zur Verfügung.
http://www.ipkm.tu-bs.de/index.php?id=63
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 5 Christof Maul
PC für Nebenfach - Organisatorisches
Literatur & Lehrmaterial
● Software: SimChemistry für Windows
Molekulardynamik-Software zu Ausbildungszwecken
kostenfrei herunterladbar: www.simchemistry.co.uk
● Nachschlagewerke
Chemgapedia Physikalische Chemie
www.chemgapedia.de
IUPAC Gold Book - aktuelles Kompendium chemischer Terminologie
goldbook.iupac.org
CRC Handbook of Chemistry and Physics
umfangreiche Tabellen mit Stoffeigenschaften von chemischen Verbindungen
CRC Press, erscheint jährlich neu, derzeit aktuell: 94. Auflage (2013/4)
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 6 Christof Maul
PC für Nebenfach - Organisatorisches
Literatur & Lehrmaterial
● Lehrbücher für Nebenfach-Studierende
Basiswissen Physikalische Chemie*
Claus Czeslik, Heiko Seemann und Roland Winter
*verfügbar im IP-Adressbereich der TU
Braunschweig und über VPN
Physikalische Chemie und Biophysik*
Gerold Adam, Peter Läuger und Günther Stark
Kurzlehrbuch Physikalische Chemie
Peter W. Atkins und Julio de Paula
● Lehrbücher für Hauptfach-Studierende
Physikalische Chemie (5. Aufl., 2013)
Peter W. Atkins und Julio de Paula
Lehrbuch der Physikalischen Chemie
Gerd Wedler (6. Aufl. 2012)
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 7 Christof Maul
PC für Nebenfach - Organisatorisches
Online-Umfrage-System: eduVote
● http://www.eduvote.de/downloads_students.html
App herunterladen oder
● Teilnahme unter
http://www.eduvote.de/vote.html
● Wenn Ihr Nachbar kein Smartphone besitzt, können Sie Ihres weitergeben.
Eine erneute Abstimmung mit deselben Gerät ist nach 10 Sekunden möglich.
Umfrage 1
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 8 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Teilgebiete der Physikalischen Chemie
und Inhalte der Vorlesung
● klassische und statistische Thermodynamik
Energie und Gleichgewicht
Reinstoffe und Mischsysteme
Ein- und Mehrphasensysteme (homogen/heterogen)
● Kinetik und Transportprozesse
Reaktionsgeschwindigkeiten
Diffusion, Wärmeleitung, Viskosität
● Elektrochemie
Thermodynamik und Kinetik/Transport geladener Teilchen
● Spektroskopie und Aufbau der Materie
Wechselwirkung Strahlung - Materie
Theoretische Chemie, Reaktionsdynamik
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 9 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Warum müssen Sie sich mit PC beschäftigen und warum ist das sinnvoll?
Thermodynamik: Energieerzeugung technisch, Kraftwerke, Motoren,
Kühlschränke und Klimaanlagen...
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 10 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Warum müssen Sie sich mit PC beschäftigen und warum ist das sinnvoll"?
Thermodynamik: Energieerzeugung biologisch, Energieversorgung des
gesamten Organismus und der einzelnen Zelle, Nahrungs- und
Atmungskette, Löslichkeiten...
Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 11 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Warum müssen Sie sich mit PC beschäftigen und warum ist das sinnvoll"?
Thermodynamik: Gleichgewichte in komplexen Mischsystemen
(Atmosphäre, Organismus), Trennverfahren (Chromatographie,
Destillation...)
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 12 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Warum müssen Sie sich mit PC beschäftigen und warum ist das sinnvoll"?
pixabay.com
(Gewollte)
Explosion
Kinetik und Transport: Reaktionsgeschwindigkeiten, Katalyse
Enzymkinetik, Atmung und Blutkreislauf, Wirkstofftransport
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 13 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Warum müssen Sie sich mit PC beschäftigen und warum ist das sinnvoll"?
pixabay.com
Wie kommt das
das Wasser in
die Baumkrone?
Kinetik und Transport: Reaktionsgeschwindigkeiten, Katalyse
Enzymkinetik, Atmung und Blutkreislauf, Wirkstofftransport
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 14 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Warum müssen Sie sich mit PC beschäftigen und warum ist das sinnvoll"?
pixabay.com
Batterien,
Akkumulatoren,
Brennstoffzellen,
Elektromobilität
Elektrochemie technisch: TD und Kinetik geladener Teilchen
Akkumulatoren, Brennstoffzelle, ("Elektromobilität"), Korrosion
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 15 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Warum müssen Sie sich mit PC beschäftigen und warum ist das sinnvoll"?
Wikipedia
Membranpotenzial
Elektrochemie biologisch: TD und Kinetik geladener Teilchen
Membranpotenziale, Signalleitung im Organismus, Muskelkontraktion...
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 16 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Struktur der Vorlesung
VL1
25.04.
VL2
02.05.
VL3
09.05.
VL4
16.05.
VL5
23.05.
VL6
30.05.
VL7
06.06.
kinetische Gastheorie
Thermochemie
Gleichgewicht
13.06.
Exkursionswoche
VL8
20.06.
Elektrochemie
VL9
27.06.
VL10
04.07.
VL11
11.07.
Transportprozesse
VL12
18.07.
Kinetik
VL13
25.07.
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 17 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Physikalische Chemie
makrokopisch
mikroskopisch
System-Zustandsgrößen
Teilcheneigenschaften
• Druck p
• Temperatur T
• Volumen V
• Stoffmenge n
....
• Ortskoordinaten ri
• Impulskoordinaten pi
• Potenziale V(ri, rj, ...)
bzw. Wechselwirkungen
(Kräfte) F(ri, rj, ...) = -V
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 18 Christof Maul
Allgemeines und Organisatorisches
Physikalische Chemie
System-Zustandsgrößen sind prinzipiell als statistische
Mittel aus den Teilcheneigenschaften ableitbar.
Schwerpunkt der Vorlesung auf makroskopischer
Betrachtung, bisweilen ergänzt um mikroskopische
Betrachtungsweise, wo es dem Verständnis dient.
Einfachstes und illustratives Beispiel dafür:
Die kinetische Gastheorie
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 19 Christof Maul
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Kinetische Gastheorie - 3 Annahmen für das ideale Gas
• Gas besteht aus sehr vielen Teilchen (Atomen oder Molekülen) der Masse
m, die unablässig in Bewegung sind.
• Teilchen haben kein (bzw. vernachlässigbares) Eigenvolumen.
• Teilchen üben keine Wechselwirkung (Kräfte) untereinander aus außer
elastischen Stößen.*
* Elastischer Stoß: Zusammenstoß wie unter Billardkugeln (daher auch Harte-Kugel- bzw. HardSphere-Modell genannt), bei dem die kinetische Energie erhalten bleibt und sich nur die
Bewegungsrichtung ändert.
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 20 Christof Maul
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Das ideale Gas - ein virtuelles Experiment
SimChemistry für Windows
• Einfaches (2-dimensionales) Molekulardynamik-Programm
• für maximal 500 Teilchen
Programmierbar:
• Teilchengröße
• Teilchenmasse
• Systemtemperatur
• Teilchen-Wechselwirkungen (Anziehungs- und
Abstoßungskräfte)
Messbar:
• makroskopische Zustandsgrößen
• Druck, Temperatur, Volumen, Dichte, ...
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 21 Christof Maul
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Gasdruck p: Stöße auf die Wand
Gastemperatur T: mittlere kinetische Energie der Teilchen
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 22 Christof Maul
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Berechnung des makroskopischen Gasdrucks p aus der
mikroskopischen mittleren Teilchengeschwindigkeit <v>*
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 23 Christof Maul
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Berechnung des makroskopischen Gasdrucks p aus der
mikroskopischen mittleren Teilchengeschwindigkeit <v>*
Gefäßdimension (würfelförmig)
Zahl der Stöße pro Zeit
Zahl der Stöße pro Zeit pro Wand
Impulsübertrag pro Stoß
Kraft pro Wand
Druck
V = L3
1
=< vL>
Δt
<v >
6L
Dp = 2m<v>
F=
Δp
Δt
F
A
(elastische Reflexion)
m <v > 2
3L
m< v >2
3V
=
p= =
pV ist proportional zur kinetischen Energie, und damit der Temperatur,
der Gasteilchen
2
pV= m <3v > =const.∼Ekin∼T
* Eigentlich müsste hier die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit <v2>1/2 stehen
(s. Vorlesung 2), aber das ändert nichts an der Argumentation.
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 24 Christof Maul
Thermodynamik - Druck
Druckeinheiten alt und neu
N
kg
SI-Einheit: 1 Pa (Pascal) = 1 m =1 ms
2
2
gebräuchlich: 1 bar = 105 Pa, 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa
Standarddruck neu (IUPAC): po = 1 bar = 105 Pa
alt: 1 atm = 760 Torr = 760 mm Hg = 1013.25 mbar
Standarddruck alt: po' = 1 atm = 760 Torr = 1.01325 po
Vorsicht bei "Standard"angaben! Immer prüfen, welcher Standard
gemeint ist!
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 25 Christof Maul
Thermodynamik - Druck
Wieso 760 Torr?
Quecksilbermanometer
p=
Mit
mHg g
A
=
V ρHg g
A
=ρHg g Δ h bzw.
Δh= ρ p g
Hg
p = 1013.25 mbar,
g
rHg = 13.595 cm (bei 0°C)
m
g = 9.81 s
3
2
ergibt sich
Dh = 760 mm
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 26 Christof Maul
Thermodynamik - Zustandsgleichung des idealen Gases
Die Zustandsgleichung des idealen Gases
verknüpft Zustandsgrößen miteinander:
• Druck p, Volumen V, Temperatur T, Stoffmenge n.
Es wird betrachtet die Änderung einer Zustandsgröße ("Zustandsfunktion") bei
Variation einer anderen Zustandsgröße ("Zustandsvariablen"),
z.B. die Abhängigkeit des Drucks p von der Temperatur T für einen gegebene
Stoffmenge n und ein gegebenes Volumen V.
p: Zustandfunktion, T: Zustandsvariable
konstantes Volumen: isochore Prozessführung
Virtuelles Experiment: Isochore Zustandsänderung
p
n, V const.
T
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 27 Christof Maul
Thermodynamik - Zustandsgleichung des idealen Gases
Isochore Zustandsänderung des idealen Gases
p(T) = const. ∙ T
p/T = const.*
oder
p(T) ist eine Ursprungsgerade
wenn T in K gemessen wird,
d.h. p = 0 Pa für T = 0 K.
Dies ist der absolute Nullpunkt der Temperaturskala, eine tiefere Temperatur
kann es nicht geben, da sonst der Druck des idealen Gases negativ würde.
*Gesetz von Amontons, auch (zweites) Gesetz von Gay-Lussac
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 28 Christof Maul
Thermodynamik - Zustandsgleichung des idealen Gases
Zustandsänderungen des idealen Gases
p
isochor (n,V const.) p(T) = const.∙T oder
• Gesetz von Amontons (Gay-Lussac)
p/T = const.
n,V const.
V
isobar (n,p const.)
V(T) = const.∙T
• Gesetz von Charles
oder
V/T = const.
n,p const.
p
isotherm (n,T const.) p(V) = const./V oder
• Gesetz von Boyle-Mariotte
oder
T
p∙V = const.
n,T const.
V
p,T const.
V(n) = const.∙n
• Gesetz von Avogadro
T
V
V/n = const.
p,T const.
n
Bei gleichen Temperaturen und Drucken bestehen gleiche Gasvolumina unabhängig von der Art des Gases aus gleich
vielen Teilchen (aus Untersuchung von Gasreaktionen, etwa H 2+Cl2 → 2HCl oder Wasserelektrolyse: 2H2O → 2H2+O2)
Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 29 Christof Maul
Thermodynamik - Zustandsgleichung des idealen Gases
Die Zustandsgleichung des idealen Gases
Die in den Gasgesetzen von Boyle-Mariotte, Charles, Amontons und
Avogadro auftretende Konstante ist für alle Gase dieselbe
universelle Gaskonstante R = 8.314 JK-1mol-1
Damit lassen sich alle Gasgesetze vereinen zur
Zustandsgleichung des idealen Gases:
Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 30 Christof Maul
p·V = n·R·T
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Das dreidimensionale pVT-Diagramm des idealen Gases
Isochoren
p
n,V const.
T
pV = nRT
allgemeines Gasgesetz
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 31 Christof Maul
V
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Das dreidimensionale pVT-Diagramm des idealen Gases
Isobaren
V
n,p const.
T
pV = nRT
allgemeines Gasgesetz
Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 32 Christof Maul
V
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Das dreidimensionale pVT-Diagramm des idealen Gases
Isothermen
p
pV = nRT
allgemeines Gasgesetz
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 33 Christof Maul
n,T const.
V
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Das dreidimensionale pVT-Diagramm des idealen Gases
Isothermen
p
pV = nRT
allgemeines Gasgesetz
Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 34 Christof Maul
n,T const.
V
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Das dreidimensionale pVT-Diagramm des idealen Gases
Isobaren
V
n,p const.
T
Isochoren
p
n,V const.
T
Isothermen
p
pV = nRT
allgemeines Gasgesetz
Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 35 Christof Maul
n,T const.
V
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Interpretation der Temperatur als kinetische Energie
mikroskopisch: Druck p des idealen Gases
berechnet aus Wandstößen der Teilchen:
p=
m < v2 >
3V
bzw.
pV=
2 m <v 2 >
3
2
= 23 Ekin
<v2>: mittlere quadratische Teilchengeschwindigkeit
Ekin: mittlere kinetische Energie eines Teilchens
makroskopisch: Zustandsgleichung des idealen Gases (n = 1 mol)
pVM = RT
Vergleich:
RT= 23 Ekin⋅N A
Ekin= 32
R
mit Boltzmann-Konstante kB = N
A
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 36 Christof Maul
R
NA
T= 32 kB T
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Interpretation der Temperatur als kinetische Energie
Ekin= 32 kB T
Boltzmann-Konstante kB= NR : mikroskopisches Pendant zur allgemeinen Gaskonstanten R
A
J
8.314 K⋅mol
kB= NR = 6.023⋅10
A
23 1
mol
=1.381⋅10−23 KJ
Einatomiges ideales Gas besitzt drei Bewegungsfreiheitsgrade (f = 3):
Translation in die drei Raumrichtungen x,y und z.
Es gilt das Äquipartitionsprinzip:
Jedem Bewegungsfreiheitsgrad kommt eine thermische Energie von ½kBT zu
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 37 Christof Maul
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Signifikanz von Nachkommastellen bei Messwerten
Der genaueste Messwert für die Boltzmann-Konstante kB ist derzeit
kB = 1.380 6488(13)·10-23 JK-1
1.380 6488(13) ist übliche Kurzschreibweise für 1.380 6488 ± 0.0000013.
Es ist unsinnig, weitere Nachkomma-Stellen anzugeben, da ja (in diesem Fall) bereits
die 6. Stelle hinter dem Komma unsicher ist.
Man nennt sinnvoll angebbare Stellen eines Messwerts (hier: 7) signifikante Stellen.
Geben Sie bei eigenen Messungen (Praktika, Abschlussarbeiten) nicht mehr als die
signifikanten Stellen an!
Ermittlung siginifikanter Stellen ist Gegenstand der Fehlerrechnung → PC-Praktikum...
Physikalische Chemie für Studierende im Nebenfach
Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 38 Christof Maul
Thermodynamik - Kinetische Gastheorie
Zusammenfassung
●
Einführung in die physikalische Chemie
●
Kinetische Gastheorie (Einführung)
●
Ideales Gas: Teilchen in Bewegung
kein Eigenvolumen, keine Wechselwirkung, nur elastische Stöße
●
Zustandsgleichung des idealen Gases:
●
Temperatur als Maß für Teilchenenergie
●
allgemeine Gaskonstante R
●
Avogadro-Konstante NA, Boltzmann-Konstante kB:
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Sommersemester 2014 | 25.4.2014 | Seite 39 Christof Maul
pV = nRT
R = N Ak B