nRT nb V V an p = − + ) )( (

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Abweichungen vom idealen Gasverhalten: van der Waals
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Der holländische Wissenschaftler J. van der Waals hat in diesem Zusammenhang eine sehr
wertvolle Gleichung zur Beschreibung realer Gase vorgeschlagen. Für diese Korrektur hat
er 2 Konstanten a und b eingeführt.
Idealverhalten:
Realverhalten:
pV = nRT
n2a
( p + 2 )(V − nb) = nRT
V
Die Konstanten a und b sind für viele
Gase tabellarisch verfügbar.
Korrektur der
Anziehungskräfte
Volumenkorrektur
171
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Die Verflüssigung von Gasen
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Bei niedrigen Temperaturen kann die Bewegung der Gasmoleküle so
stark verlangsamt werden, dass die einzelnen Moleküle oder Atome die
gegenseitigen Anziehungskräfte nicht mehr überwinden können ⇒ das
Gas wird flüssig.
Beim Joule-Thomson Effekt wird ein
komprimiertes Gas durch Expansion
abgekühlt. Großtechnisch wird dieses
Phänomen in einem zyklischen Prozess
für die Verflüssigung von Gasen
eingesetzt ⇒ Linde-Verfahren
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Volumenarbeit eines Gases
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Eine in der Chemie besonders wichtige Arbeit ist die Expansions-/Kompressionsarbeit
eines Gases.
Expansion
p=
F
A
w = F∗∆h = p∗A∗∆h A∗∆h = ∆V
w: Arbeit
∆h: zurückgelegter Weg
∆V: Volumenvergrösserung
w = -p∗∆V
Minuszeichen per Konvention: bei
Expansion wird Arbeit vom System an
Umgebung abgegeben (-) und bei
Kompression muss Arbeit an dem
System geleistet werden (+).
173
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Einige charakteristische Phänomene der Erdatmosphäre
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Höhe/T
Höhe/p
Das menschliche Leben spielt sich in der Troposphäre ab. Die Temperatur-Extreme zwischen
den einzelnen Regionen werden mit der Endung –pause bezeichnet. Diese Grenzen sind
wichtig, weil sich Gase (Verunreinigungen) nur sehr langsam über diese Grenzen mischen.
Im Gegensatz zur Temperatur variiert der Druck in einer regulären Art und Weise (von
101 kPa auf Meeresniveau auf 3.1∗10-4 kPa in 100 km Höhe). In der Troposphäre und
Stratosphäre befinden sich 99.9% der Masse der Atmosphäre (mit 75% in der Troposphäre).
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Funktion der Ozonschicht
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Hochenergetische (<240 nm) UV-Strahlung (unter der Pflanzen- und Tierwelt nicht
überleben könnten) der Sonne wird von dem in der Atmosphäre vorhandenen N2 und O2
zu unserem Schutz absorbiert. Für die Absorption längerwelliger (240-310 nm) Strahlung
wird aber Ozon gebraucht. Ozon bildet sich überwiegend in der Stratosphäre in Höhen
von 10 – 50 km entsprechend der Reaktion
O + O2 ⇒ O3 (Ozon)
Dieses Ozon zerfällt als Folge der Absorption solarer Strahlung < 1140 nm wieder und
hält diese Strahlung dadurch von der Erdoberfläche ab. Die Ozon-Schicht hat daher für
uns eine lebenswichtige Schutzfunktion.
200nm
600nm 1000nm
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Abbau der Ozon-Schicht
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In 1995 wurde an F. S. Rowland, M. Molina und P. Crutzen der Nobelpreis für Studien
zum Abbau der Ozon-Schicht verliehen.
Rowland und Molina haben gezeigt, dass Chlorfluorkohlenwasserstoffe, insbesondere
CFCl3 und CF2Cl2, die als Treibgase in Sprays und in Kühlschränken und Klimaanlagen
eingesetzt werden, wenn sie in die Atmosphäre gelangen, den Ozonabbau hervorrufen.
Da diese Verbindungen chemisch nicht sehr reaktiv sind (ein Hauptgrund für ihre
Einsatzgebiete) und sich nicht in Wasser lösen, gelangen sie aber in die Stratosphäre und
werden dort durch hochenergetische Strahlung zersetzt:
CF2Cl2(g)
Strahlung
CF2Cl(g) + Cl(g)
Dieses atomare Chlor bewirkt letztendlich die Rückspaltung von Ozon:
2O3(g)
Cl(g)
Cl(g)
3O2(g)
und führt auf diesem Wege zum Abbau der Ozon-Schicht. Damit steht Ozon nicht mehr
für die (für uns lebenswichtige) Absorption solarer Strahlung zur Verfügung.
Antarktis, 2004
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NOx und Smog
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Smog ist ein urbanes Phänomen, wenn die Wetterbedingungen dazu führen, dass
große Luftmassen stagnieren.
NOx aus Kraftfahrzeugen und Kraftwerken kann im Sonnenlicht zersetzt
werden:
NO2(g)
SonnenSonneneinstrahlung
NO(g) + O(g)
und dann zur Bildung von Ozon führen:
O(g) + O2(g) ⇒ O3(g)
Obwohl Ozon in der Stratosphäre als UV-Schild erwünscht ist, ist seine Bildung
in der Troposphäre unerwünscht. Smog ist besonders gefährlich für ältere
Menschen, Asthmatiker und Sportler in Aktion.
Ozon ist also in 10-50 km Höhe erwünscht, aber in Höhen < 10 km unerwünscht.
177
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H2O, CO2, das Klima und der Treibhauseffekt
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Wie wir gesehen haben, ist die Atmosphäre wichtig um hochenergetische Strahlung von
der Erdoberfläche abzuhalten. Sie hat aber auch eine wichtige Funktion in der Erhaltung
einer gleich bleibenden und gemäßigten Temperatur auf der Erdoberfläche. Die wichtigste
Rolle spielen dabei H2O und CO2.
Genauso wie die Sonne Energie abstrahlt, strahlt auch die Erde (allerdings weniger
energetische) Infrarot-Strahlung ab. Die in der Atmosphäre enthaltenen H2O und CO2
Moleküle absorbieren aber einen Großteil dieser Strahlung und tragen damit zu einer
einheitlichen Temperatur auf der Erdoberfläche bei. Dieser Einfluss wird
“Treibhauseffekt“ genannt. Wie die untenstehende Abbildung zeigt, ist es aber im Laufe
der Jahre zu einer starken Anreicherung von CO2 in der Atmosphäre gekommen und
Wissenschaftler nehmen an, dass diese Veränderungen zu einem Temperaturanstieg von
0.3 - 0.6°C im Laufe des letzten Jahrhunderts geführt haben.
100 ppm (part per million) = 0.01%
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Flüssigkeiten – einige wichtige Eigenschaften
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Viskosität: Diese Eigenschaft ist eine Folge der intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Flüssigkeitsmolekülen. Der Widerstand, den eine
Flüssigkeit dem Fliessen entgegenbringt, wird Viskosität genannt. Die
Messung erfolgt durch Zeitnahme wie lange eine Flüssigkeit benötigt, um
durch eine Kapillare zu fließen oder wie lange eine Stahlkugel braucht, um
unter dem Einfluss der Schwerkraft durch die Flüssigkeit zu sinken.
Viskosität η = kgm-1s-1
Einheit: 1 Poise (P) = 10-1 kgm-1s-1
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Flüssigkeiten – einige wichtige Eigenschaften
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Die Viskosität einer Flüssigkeit nimmt mit steigender molarer Masse zu und mit
steigender Temperatur ab. Die Abnahme mit steigender Temperatur beruht auf
der Abschwächung der intermolekularen Wechselwirkungen in der Flüssigkeit
⇒ Beispiel: Motorenöl im Winter !
Die Viskosität eines Gases nimmt dagegen mit steigender Temperatur zu.
Die steigende Temperatur führt zu höheren Geschwindigkeiten der Moleküle
und damit zu einer stärkeren Wechselwirkung zwischen benachbarten Gasschichten.
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