Inhaltsverzeichis_PCE_2013

Einführung in die Physikalische Chemie
HS 2013
Einführung in die Physikalische Chemie für Studierende der Natur- und
Nanowissenschaften
Herbstsemester 2013
Teil 1: Mikrostruktur der Materie
(Dr. Martin Oliver Steinhauser)
1. Einführung in die Quantenmechanik
1.1 Historische Entwicklung, Welle-Teilchen-Dualismus
1.2 Die Wellenfunktion und ihre Interpretation
1.3.Mathematik der Quantenmechanik: Eigenwertgleichungen, Observablen und Operatoren 1.4.Die
Schrödingergleichung
1.5.Das Heisenbergsche Unbestimmtheitsprinzip 1.6.Das
Teilchen im Kasten
2. Atome
2.1 Entwicklung der modernen Atomtheorie
2.2.Das Wasserstoffatom
2.2.1.Lösungsskizze der Schrödingergleichung
2.2.2.Radialfunktionen 2.2.3.Kugelflächenfunktionen
und Drehimpuls
2.3.Spin
2.4.Spektroskopie des H-Atoms 2.5.Pauli-Prinzip und
Heliumatom
2.6.Mehrelektronenatome: das Aufbauprinzip
3. Molekülstruktur
3.1.Chemische Bindung
3.2.Molekülorbitaltheorie
3.2.1.Molekülorbitale aus Linearkombination von Atomorbitalen (LCAO)
3.2.2.Das einfachsten Moleküle: H2+ und H2
3.2.3. Das Sauerstoffmolekül O2
3.2.4. Heteroatomare zweiatomige Moleküle: Fluorwasserstoff HF
3.2.5.Elektronenstruktur mehratomiger Moleküle
3.2.6.π-MOs in mehratomigen Molekülen: die Hückel-Methode
3.3.Die Born-Oppenheimer-Potentialfläche
3.3.1.Born-Oppenheimer-Näherung und molekulare Potentialflächen 3.3.2.Interne und
externe Bewegungsfreiheitsgrade eines Moleküls 3.3.3.Beispiele für BOPotentialhyperflächen
3.3.4.Intramolekulare Modellpotentiale
3.3.5.Molekülmechanik (MM) - Rechnungen
4. Molekülspektroskopie
4.1.Einführung
4.2.Lambert-Beer-Gesetz
4.3. Rotationsspektroskopie (MW-Spektroskopie) 4.3.1.Schrödingergleichung für
die Rotationsbewegung eines Moleküls 4.3.2.Molekulare Trägheitsmomente
4.3.3.Rotatorische Energieniveaus: sphärische Kreisel
4.3.4.Rotatorische Energieniveaus: symmetrische Kreisel
4.3.5.Rotatorische Energieniveaus: lineare Moleküle
4.3.6.Auswahlregeln für Rotationsübergänge
4.3.7.Anwendungen der Rotationsspektroskopie
4.4. Schwingungsspektroskopie (IR-SPektroskopie)
4.4.1. Schwingungen zweiatomiger Moleküle: harmonische Näherung
4.4.2.Schwingungen zweiatomiger Moleküle: Morse-Oszillator
4.4.3.Rotations-Schwingungsspektren
4.4.4.Schwingungen mehratomiger Moleküle
4.4.5.Anwendungen der Schwingungsspektroskopie
4.5. Elektronische Spektroskopie (UV/VIS-Spektroskopie)
Einführung in die Physikalische Chemie
HS 2013
4.5.1. Elektronisch angeregte Zustände von Molekülen
4.5.2. Vibratorische Feinstruktur elektronische Übergänge: Franck-Condon-Prinzip
4.5.3.Zerfall elektronisch angeregter Zustände
4.5.4.Beispiele
5. Zwischenmolekulare Wechselwirkungen
5.1. Elektrostatische Eigenschaften von Molekülen
5.1.1.Multipolentwicklung der molekularen Ladungsverteilung
5.1.2.Ladung
5.1.3.Dipol 5.1.4.Quadrupol
5.2. Langreichweitige Wechselwirkungen zwischen Molekülen
5.2.1.Wechselwirkungen zwischen permanenten Multipolmomenten
5.2.2.Induzierte Wechselwirkungen
5.2.3.Wasserstoffbrücken-Bindungen 5.3.Intermolekulare
Modellpotentiale
5.3.1.Einfache Modellpotentiale
5.3.2.Das Lennard-Jones-Potential
5.4.Struktur von Biomolekülen
5.4.1.Proteine
5.4.2.Nucleinsäuren
6. Struktur der Materie
6.1.Einführung
6.2.Reale Gase: die van der Waals-Gleichung 6.3.Flüssigkeiten
6.4. Ionische Kristalle
6.5. Struktur kondensierter Phasen
6.6.Moleküldynamik - Simulationen
Teil 2: Makroskopische Phänomene und Thermodynamik
(Prof. Anatole von Lilienfeld)
7. Boltzmann-Verteilung
7.1.Einleitung
7.2.Zustandsbesetzungen
7.2.1.Eigenschaften des Ensembles
7.2.2.Konfigurationen 7.2.3.Gewicht
der Konfigurationen
7.3.Die Boltzmann-Verteilung 7.4.Anwendungen
der Boltzmann-Verteilung
7.4.1.Moleküle mit quantisierten Energieniveaus 7.4.2.Barometrische
Höhenformel
7.4.3.Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten: Arrhenius-Gleichung 7.4.4.MaxwellBoltzmann-Geschwindigkeitsverteilung eines Gases
8. Statistische Beschreibung makroskopischer Grössen
8.1.Einleitung 8.2.Innere
Energie U
8.3.Wärmekapazität C
8.4.Der klassische Gleichverteilungssatz
8.5.Quantenmechanische Berechnung von U und C
8.5.1.QM Berechnung des vibratorischen Anteils an der inneren Energie eines Gases
8.5.2.QM Berechnung des rotatorischen Anteils an der inneren Energie eines Gases
8.6.Wärmekapazität von Festkörpern
8.6.1.Klassische Betrachtung
8.6.2.Einstein-Modell der Wärmekapazität von Festkörpern 8.6.3.Modell von
Debye
9. Thermodynamik: Vorbereitung
9.1.Einleitung
9.2.Zustandsfunktionen
Einführung in die Physikalische Chemie
9.2.1.Zustandsvariablen- und Funktionen
9.2.2.Eigenschaften von Zustandsfunktionen
9.2.3.Partielle Ableitungen
9.2.4.Höhere partielle Ableitungen 9.3.Totales
Differential
9.3.1.Definition
9.3.2.Rechenregeln
9.4. Homogene Funktionen und Mehrkomponentensysteme
9.4.1.Homogene Funktionen
9.4.2.Mehrkomponentensysteme
9.5. Mechanische Koeffizienten
10. rundlagen der Thermodynamik
10.1. Einführung und Definitionen
10.2. Der 0. Hauptsatz und seine mikroskopische Interpretation
10.3. Der 1. Hauptsatz: Zustands- und Transfergrössen, innere Energie, Enthalpie
10.3.1.Zustands- und Wegfunktionen
10.3.2. Zustandsänderungen (“Wege”)
10.3.3.Expansionsarbeit w und Wärme q
10.3.4.Die Enthalpie H
10.3.5.Die Wärmekapazität bei konstantem Druck Cp
10.3.6.Die Adiabatengleichung
10.4. Der 2. Hauptsatz: spontante Prozesse und Entropie
10.4.1.Die Entropie
10.4.2. Entropieänderungen in System und Umgebung
10.4.3.Die Temperaturabhängigkeit der Entropie
10.5. Der 3. Hauptsatz
10.6. Die freie Enthalpie G und das chemische Potential μ
10.6.1.Definitionen und Interpretation der freien Enthalpie
10.6.2.Fundamentalgleichungen der Thermodynamik
10.6.3.Temperatur- und Druckabhängigkeit der freien Enthalpie
10.6.4.Das chemische Potential μ
11. Thermochemie
11.1. Konventionen und thermochemische Grössen
11.1.1.Standard- und Referenzzustände
11.1.2.Enthalpieänderungen für diverse Prozesse
11.2. Der Satz von Hess
11.3. Das Kirchhoff’sche Gesetz
12. as chemische Gleichgewicht
12.1. Motivation
12.2. Mischungen und reale Systeme
12.2.1.Die freie Mischungsenthalpie
12.2.2. Das chemische Potential von Lösungen
12.2.3.Reale Lösungen
12.2.4.Andere Konzentrationsmasse
12.3. Beschreibung des Reaktionsgleichgewichts
12.3.1.Bedingungen für das chemische Gleichgewicht
12.3.2.Die Reaktionslaufzahl ξ
12.3.3.Bedingung für das Reaktionsgleichgewicht
12.4. Reaktionsgleichgewicht für Reaktionen zwischen idealen Gasen 12.4.1.Fall
für eine Reaktion mit einfacher Stöchiometrie A=B 12.4.2.Reaktionen zwischen
idealen Gasen mit beliebiger Stöchiometrie 12.4.3.Gleichgewichtskonstanten
für verschiedene Konzentrationsmasse 12.4.4.Gleichgewichtsbedingung für
reale Systeme
12.5. Druck- und Temperaturabhängigkeit des Gleichgewichts
12.5.1.Druckabhängigkeit
12.5.2.Temperaturabhängigkeit
HS 2013
Einführung in die Physikalische Chemie
13. hasenübergänge
13.1. Phasendiagramme
13.1.1.Einführung
13.1.2. asendiagramme anhand von Beispielen
13.1.3.Dreidimensionale Phasendiagramme
13.1.4.Dampfdruckkurven
13.2. Das Phasengleichgewicht
13.2.1.Chemisches Potential und Phasengleichgewicht 13.2.2.Temperatur- und
Druckabhängigkeit der Phasenstabilität
13.3. Die Clapeyron-Gleichung
13.4. Ordnung von Phasenübergängen
13.5. Die Gibbs’sche Phasenregel
13.6. Exotische Phasen bei extrem tiefen Temperaturen
14. Transportvorgänge
14.1. Einführung
14.2. Phänomenologische Gleichungen
14.2.1.Erstes Ficksches Gesetz der Diffusion
14.2.2.Wärmeleitfähigkeit: Fourier-Gesetz
14.2.3.Viskosität
14.3. Transporteigenschaften eines idealen Gases
14.4. Die Diffusionsgleichung
14.4.1.Zweites Ficksches Gesetz der Diffusion
14.4.2.Interpretation der Diffusionsgleichung
14.4.3.Beispiele für Lösungen der Diffusionsgleichung
14.4.4.Durch Diffusion zurückgelegte Wegstrecke eines Teilchens 14.4.5.Transport
ungeladener Teilchen durch eine biologische Membran
14.5. Viskosität
14.5.1. Messung von Viskositätskoeffizienten
14.5.2.Temperaturabhängigkeit von Viskositätskoeffizienten
14.5.3.Diffusionskoeffizient und Viskosität
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