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Physikalische Chemie I
Vorlesung:
Criegee-HS
Teil A: Thermodynamik
Teil B: Kinetik
Übungen:
HS I & II
Übungsleiter Teil A:
Mi. & Fr. 9.45 - 11.15 Uhr
PD Dr. Patrick Weis
Prof. Dr. Marcus Elstner
Di. 17.30 - 19:00 Uhr
Dipl. Chem. Rebecca Kelting
Dr. Katerina Mattheis
Tutorien:
Seminarraum 411, Geb. 30.44 (PC-Turm, 4.OG)
Di. 11:30 -12:30 Uhr
Mi. 8:30 - 9:30 Uhr
Mi. 11:30 -12:30 Uhr
Do. 9:45 -10:45 Uhr
Do. 14:00 -15:00 Uhr
Fr. 8:30 - 9:30 Uhr
Martin Grüßer
Michael Lorenz
Rainhard Machatschek
Christian Schöttle
Constantin Kohl
Lorenz Schmidt
In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
Studierendenportal
https://studium.kit.edu
[email protected]
In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
Studierendenportal
https://studium.kit.edu
In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
Studierendenportal
https://studium.kit.edu
Passwort: Molekel
Klausur:
Fr. 18.02.11, 14:30 - 16:30 Uhr
HS Neue Chemie (Geb. 30.41)
Nachklausur:
Fr. 8.04.11,
9:30 - 11:30 Uhr
HS Neue Chemie (Geb. 30.41)
10 Aufgaben (im Stil der Übungsaufgaben)
100 Punkte (gesamt), 55 Punkte (zum Bestehen)
Hilfsmittel: Taschenrechner (nicht programmierbar, nicht grafikfähig),
Formelsammlung (2 Blätter, DIN A4, keine Lehrbücher)
Unterscheide:
(1) für Physiker  8 Leistungspunkte (Klausur) [+ 6 (Praktikum)]
 Klausur benotet
(Modulnote setzt sich aus Klausur + Praktikum zusammen)
(2) Für Chemiker Klausur nicht benotet (nach dem Praktikum mündl. Modulabschlußprüfung)
 Bestehen der Klausur relevant für Zugang zum PC-Praktikum
bis zu 20 Bonuspunkte (4 Kurztests während der Übungen, je 5
Punkten). Bonuspunkte werden nur für die Klausur, am 18.02.11.,
nicht für die Nachklausur angerechnet
Lehrbücher: (für PC1 und PC2)
P. W. Atkins, Julio de Paula, "Physikalische Chemie", Wiley-VCH, Weinheim
4., vollständig überarbeitete Auflage - September 2006 82,90 Euro
ISBN-10: 3-527-31546-2
ISBN-13: 978-3-527-31546-8
P.W. Atkins,Charles A. Trapp, Marshall P. Cady, Carmen Giunta, "Arbeitsbuch
Physikalische Chemie" Wiley-VCH, Weinheim
Lösungen zu den Aufgaben 49,90 Euro April 2007
ISBN-10: 3-527-31828-3
ISBN-13: 978-3-527-31828-5
G. Wedler, "Lehrbuch der Physikalischen Chemie", (5. Auflage, 2004) Wiley-VCH, Weinheim
5., vollst. überarb. u. aktualis. Auflage - August 2004 89,90 Euro 2004. XXX, 1072 Seiten, Hardcover
ISBN-10: 3-527-31066-5
ISBN-13: 978-3-527-31066-1 - Wiley-VCH, Weinheim
Donald A. McQuarrie, John D. Simon, "Physical Chemistry – A Molecular Approach",
University Science Books 1999
ISBN 0-935702-99-7
1. EINFÜHRUNG: PHYSIKALISCHE CHEMIE
„makroskopische Welt“, mehr als 1020 Moleküle
wägbare Mengen – mg, g, kg, t
Thermodynamik
Kinetik
Festkörpertheorie
Festkörperspektroskopie
Systemgröße
„top down“
„Nanowelt“, (abzählbar) viele Moleküle
„bottom up“
statistische
Thermodynamik
Kinetik
Quantenmechanik
(Theorie der chem. Bindung
in Molekülen)
„mikroskopische Welt“, einzelnes Molekül
Molekülspektroskopie
1. EINFÜHRUNG: PHYSIKALISCHE CHEMIE
Kurzer Exkurs: Mikroskopische vs. Makroskopische Welt
Röntgenbeugung
Fotoplatte
Röntgenbeugung
Wellenlänge (λ) vergleichbar mit Atomabständen
je nach Winkel θ
konstruktive (hell) oder
destruktive (dunkel)
Interferenzen
Abbilden von Oberflächen mit atomarer Auflösung
Direkte Abbildung, „Sehen“ , mit sichtbarem Licht unmöglich
Ausweg: Ertasten mit sehr feiner Spitze Rastersondenmikroskopie
Rasterkraftmikroskopie (AFM) atomic force microscopy
Rastertunnelmikroskopie (STM) scanning tunneling microscopy
Die Idee:
1) man bewegt die Spitze knapp über eine Oberfläche
2) man misst die Kraft (Strom) zwischen Spitze und Oberfläche
3) man erhält so Punkt für Punkt den Abstand zwischen Spitze und Oberfläche (Höhenlinien)
4) Bildgebung – analog Höhenlinien auf topographischen Karten
Spitze
Oberfläche
Wie sieht so ein Gerät aus?
Rastertunnelmikroskop
Scanning Tunnelling Microscope
(STM)
Rasterkraftmikroskop
Atomic Force Microscope
(AFM)
Erfinder:
Binnig und Rohrer, IBM
Quelle: Digital Instruments
Rasterkraft-Bild einer
Glimmeroberfläche.
Man erkennt die
einzelnen Oberflächenatome.
5 nm = 0.000005 mm
Quelle: Digital Instruments
Rastertunnel-Bild von SauerstoffAtomen, die
auf einer Rhodiumoberfläche adsorbiert
(chemisorbiert) sind.
1 Monolage
4 nm = 0.000004 mm
Rastertunnelbild von Iod-Atomen, die auf einer
Platinoberfläche adsorbiert sind.
2.5 nm = 0.0000025 mm
... ein Iod-Atom fehlt
Quelle: Don Eigler, IBM
Man kann Atome nicht nur
"ertasten",
sondern auch bewegen:
Ein Ring aus 48
Eisenatomen entsteht.
Quelle: Don Eigler, IBM
… oder ein Männchen aus
einzelnen CO-Molekülen !
Thermodynamik
2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik
Systeme:
offenes Becherglas
mit Wasser
Wasserkreislauf einer
Wohnungsheizung
Heizkessel
Wasser in
Thermoskanne
(mit Deckel)
Heizkörper
Offen:
Geschlossen:
Isoliert (abgeschlossen)
Stoffaustausch mit Umgebung
kein Stoffaustausch mit Umgebung
kein Stoffaustausch
Wärmeaustausch mit Umgebung
Wärmeaustausch mit Umgebung
kein Wärmeaustausch
ein „leeres“ Glas
(mit Luft gefüllt)
Phase 1 (N2,O2,Ar,CO2)
ein Glas Wasser
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phasengrenzfläche
Phase 2 (H2O)
ein Glas Wasser mit
einem Eiswürfel
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 3 (H2O)
Phasengrenzflächen
Phase 2 (H2O)
Whiskey on the rocks
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 3 (H2O)
Phasengrenzflächen
Phase 2 (H2O, C2H5OH)
ein Glas Wasser mit Öl
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 2 (Öl)
Phase 3 (H2O)
Phasengrenzflächen
ein Glas Milch
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 2 (Öl)
Phase 3 (H2O)
Extensive / Intensive Variablen System 1
Beispiel: 2 Behälter mit Gas
System 3
System 2
p, V,
p,
2 x V,
p, V,
T,m
T,
2xm
T,m
Thermodynamik
2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik
2.2. Temperatur und Nullter Hauptsatz
Gasthermometer
P
p
Kolben mit
Gas
1 bar
T
Wasserbad
0 bar
-273.15
0
100
1. Fixpunkt
2. Fixpunkt
Gefrierpunkt
von Wasser
Siedepunkt von
Wasser
T(°C)
Kelvin-Skala
P
p
Kolben mit
Gas
T
Wasserbad
0
273.15
373.15
T(K)
Thermodynamik
2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik
2.2. Temperatur und Nullter Hauptsatz
2.3. Eigenschaften des idealen Gases
Gesetz von
Boyle-Mariotte
p ~ 1/V
F  mg
Masse
m
F
p
A
Kolben,
2m
Fläche A
V  A h
3m
ideales
Gas
h
h/2
Temperatur konstant !
h/3
Gesetz von
Gay-Lussac (1)
p~T
Masse
2m
3m
m
Kolben,
Fläche A
ideales
Gas
h
h
h
2 * T1
3 * T1
Volumen konstant
Temperatur variabel
T1
Gesetz von
Gay-Lussac (2)
V~T
T1
3 * T1
2 * T1
m
m
m
3h
2h
Druck konstant
Temperatur variabel
h
Isothermen
Isobaren
Vm(p,T)
V2
T
T2
T1
V1
p2
p1
p
p2,V2,T2
Vm(p,T)
p1,V1,T1
V2
T
T2
T1
V1
p2
p1
p
p2,V2,T2
p2,V*,T1
Vm(p,T)
 ΔV 


 Δp T
p1,V1,T1
V2
T
T2
T1
V1
p2
Δp
p1
p
Molvolumen (liter)
Quelle:
http://webbook.nist.gov/chemistry/
30
Molvolumen von Stickstoff als
Funktion des Drucks
25
Temperatur: 300K (27°C)
20
15
10
5
0
0
20
40
60
Druck (bar)
80
100
Molvolumen (liter)
30
Molvolumen von Stickstoff als
Funktion des Drucks
25
Temperatur: 300K (27°C)
20
15
10
5
ideales Gas
0
0
20
40
60
Druck (bar)
80
100
Molvolumen von Stickstoff als
Funktion des Drucks
0.3
Molvolumen (Liter)
Temperatur: 300K (27°C)
0.2
0.1
ideales Gas
0
0
200
400
600
Druck (bar)
800
1000
Quelle:
http://webbook.nist.gov/chemistry/
3
Molvolumen von Kohlendioxid als
Funktion des Drucks
Molvolumen (liter)
2.5
Temperatur: 300K (27°C)
2
1.5
1
ideales Gas
Meßwerte
0.5
0
0
20
40
60
Druck (bar)
80
100
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
CO2
Energie (kJ/mol)
5
2.5
0
-2.5
-5
0
0.2
0.4
0.6
Molekülabstand (nm)
0.8
1
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
N2
Energie (kJ/mol)
5
CO2
2.5
0
-2.5
-5
0
0.2
0.4
0.6
Molekülabstand (nm)
0.8
1
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
He
Energie (kJ/mol)
5
N2
CO2
2.5
0
-2.5
-5
0
0.2
0.4
0.6
Molekülabstand (nm)
0.8
1
Realgasfaktor von Stickstoff als
Funktion des Drucks
1.1
Temperatur: 300K (27°C)
1.08
Realgasfaktor z
1.06
1.04
1.02
1
0.98
0
50
100
150
Druck (bar)
200
250
300
1.1
Realgasfaktor z
1
0.9
Realgasfaktor von Kohlendioxid
als Funktion des Drucks
0.8
Temperatur: 300K (27°C)
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
200
400
600
Druck (bar)
800
1000
Quelle:NIST
1.3
1.2
1000K
1.1
Realgasfaktor z
1
500K
0.9
Realgasfaktor von Kohlendioxid
als Funktion des Drucks und der
Temperatur
0.8
400K
0.7
0.6
0.5
0.4
300K
0.3
0.2
0.1
0
200
400
600
Druck (bar)
800
1000
Quelle:NIST
1.3
1.2
1000K
1.1
715K
Realgasfaktor z
1
500K
0.9
Realgasfaktor von Kohlendioxid
als Funktion des Drucks und der
Temperatur
0.8
400K
0.7
0.6
Boyle-Temperatur:
0.5
 dz 
lim    0
p 0  dp 
0.4
300K
0.3
0.2
0.1
0
200
400
600
Druck (bar)
800
1000
Quelle:NIST
500 K – Isotherme von CO2
200
175
Druck (bar)
150
125
100
75
● exp. Werte
50
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
500 K – Isotherme von CO2
200
175
Druck (bar)
150
125
100
van der Waals Gleichung
75
● exp. Werte
50
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
500 K – Isotherme von CO2
200
ideales
175
Gasgesetz
Druck (bar)
150
125
100
van der Waals Gleichung
75
● exp. Werte
50
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
400 K – Isotherme von CO2
200
ideales
175
Gasgesetz
Druck (bar)
150
125
100
75
van der Waals Gleichung
● exp. Werte
50
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
320 K – Isotherme von CO2
200
175
Druck (bar)
150
125
100
75
● exp. Werte
50
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
320 K – Isotherme von CO2
200
175
Druck (bar)
150
125
100
75
● exp. Werte
van der Waals Gleichung
50
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
320 K – Isotherme von CO2
200
ideales
175
Gasgesetz
Druck (bar)
150
125
100
75
● exp. Werte
van der Waals Gleichung
50
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
310 K – Isotherme von CO2
200
175
Druck (bar)
150
125
Wendepunkte
100
75
50
● exp. Werte
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
310 K – Isotherme von CO2
200
175
Druck (bar)
150
125
100
75
50
● exp. Werte
van der Waals Gleichung
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
310 K – Isotherme von CO2
200
ideales
175
Gasgesetz
Druck (bar)
150
125
100
75
50
● exp. Werte
van der Waals Gleichung
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
304.2 K – Isotherme von CO2
kritischer Punkt
200
175
Druck (bar)
150
125
Sattelpunkt
 p 

 0

V
 m T
und
  2p 

 0
 V 2 
 m T
100
75
50
● exp. Werte
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
304.2 K – Isotherme von CO2
kritischer Punkt
200
175
Druck (bar)
150
125
van der Waals Gleichung
100
75
50
● exp. Werte
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
304.2 K – Isotherme von CO2
kritischer Punkt
200
ideales
175
Gasgesetz
Druck (bar)
150
125
van der Waals Gleichung
100
75
50
● exp. Werte
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
273 K – Isotherme von CO2
Flüssigkeit
200
175
Druck (bar)
150
125
100
75
50
● exp. Werte
25
2 Phasen: g+l
Gas
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
273 K – Isotherme von CO2
van der Waals Gleichung
200
ideales
Druck (bar)
175
"van der Waals- Schleifen"
Gasgesetz
150
vdW-Gleichung in diesem Bereich qualitativ
falsch:
125
Druck sinkt, wenn Volumen verkleinert wird!
100
das ist unphysikalisch
75
50
● exp. Werte
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
273 K – Isotherme von CO2
van der Waals Gleichung
200
ideales
175
"van der Waals- Schleifen"
Gasgesetz
Korrektur durch sog. Maxwell-Konstruktion:
Druck (bar)
150
Horizontale Linie, gleiche Flächen
125
100
75
50
● exp. Werte
25
0
0
0.2
0.4
0.6
Molvolumen (l/mol)
0.8
1
250 K – Isotherme von CO2
Flüssigkeit
200
175
Druck (bar)
150
125
100
75
50
2 Phasen: g+l
Gas
25
● exp. Werte
0
0
0.5
1
Molvolumen (l/mol)
1.5
2
250 K – Isotherme von CO2
van der Waals Gleichung
200
ideales
175
Gasgesetz
Druck (bar)
150
125
100
75
50
● exp. Werte
25
0
0
0.5
negativer
Druck !
1
Molvolumen (l/mol)
1.5
2
Zusammenfassung:
verschiedene Isothermen von CO2
Flüssigkeit
Oberhalb des kritischen Punktes
verschwindet der Unterschied zwischen
Flüssigkeit und Gas!
"Überkritischer Bereich"
Gas
2 Phasen, flüssig + gas
Quelle: Engel/Reid