Wärme, Arbeit, Innere Energie, Enthalpie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 19

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2 Vorwort XIX Kapitel 1 Grundbegriffe der Thermodynamik Was ist Thermodynamik und wozu ist sie gut? Grundlegende Definitionen zur Beschreibung von thermodynamischen Systemen Temperaturmessung Zustandsgleichungen und das Zustandsgesetz der idealen Gase Eine kurze Einführung in die realen Gase Kapitel 2 Wärme, Arbeit, Innere Energie, Enthalpie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik Die Innere Energie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik Arbeit Wärme Wärmekapazität Zustandsfunktionen und wegabhängige Funktionen Gleichgewicht, Zustandsänderungen und Reversibilität Vergleich der Arbeit bei reversiblen und irreversiblen Prozessen Bestimmung von U und Einführung der Enthalpie, einer neuen Zustandsfunktion Berechnung von q, w, U und H für Prozesse mit idealen Gasen Die reversible adiabatische Expansion und Kompression eines idealen Gases Kapitel 3 Die Bedeutung von Zustandsfunktionen: Innere Energie und Enthalpie Die mathematischen Eigenschaften von Zustandsfunktionen Die Abhängigkeit von U von V und T Hängt die Innere Energie stärker von V oder T ab? Temperaturabhängigkeit der Enthalpie bei konstantem Druck In welchem Zusammenhang stehen C p und C V? Druckabhängigkeit der Enthalpie bei konstanter Temperatur Der Joule-Thomson-Versuch Verflüssigung von Gasen über isenthalpe Expansion Kapitel 4 Thermochemie In chemischen Bindungen gespeicherte Energie wird in chemischen Reaktionen freigesetzt oder aufgenommen Innere Energie und Enthalpieänderungen in chemischen Reaktionen... 80

3 4.3 Der Satz von Hess besagt, dass die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist Die Temperaturabhängigkeit von Reaktionsenthalpien Die experimentelle Bestimmung von U und H für chemische Reaktionen Differenzial-Scanning-Kalorimetrie Kapitel 5 Entropie und der zweite und dritte Hauptsatz der Thermodynamik Veränderungen im Universum haben eine vorgegebene Richtung Wärmekraftmaschinen und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Einführung in die Entropie Die Berechnung von Entropieänderungen Die Verwendung der Entropie zur Berechnung der natürlichen Zustandsänderung in einem isolierten System Die Clausius sche Ungleichung Die Entropieänderung in der Umgebung und S gesamt = S + S Umgebung Absolute Entropien und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik Standardzustände in Entropieberechnungen Entropieänderungen in chemischen Reaktionen Kühlschränke, Wärmepumpen und reale Wärmekraftmaschinen Ergänzung Bestimmung der Abhängigkeit von S von V und T über die Tatsache, dass S eine Zustandsfunktion ist Ergänzung Die T- und p-abhängigkeit von S Ergänzung Die thermodynamische Temperaturskala Kapitel 6 Das chemische Gleichgewicht Die Gibbs-Energie und die Helmholtz-Energie Die Differenzialformen von U, H, A und G Die Abhängigkeit der Gibbs- und Helmholtz-Energien von p, V und T Die Gibbs-Energie einer Reaktionsmischung Die Gibbs-Energie eines Gases in einer Mischung Berechnung der Gibbs-Mischungsenergie für ideale Gase Das chemische Gleichgewicht in einer idealen Gasmischung, ausgedrückt über das chemische Potenzial Berechnung von G Reaktion und Einführung der Gleichgewichtskonstante für eine Mischung von idealen Gasen Berechnung der Gleichgewichtspartialdrücke in einer Mischung von idealen Gasen Die Änderung von K p mit der Temperatur Gleichgewichte zwischen idealen Gasen und festen oder flüssigen Phasen Formulieren der Gleichgewichtskonstante mit Molenbrüchen oder Molaritäten Die Abhängigkeit von eq von T und p Ergänzung Eine Fallstudie: Die Ammoniaksynthese Ergänzung Darstellung von U und H und der Wärmekapazitäten über Messgrößen VIII

4 Kapitel 7 Die Eigenschaften realer Gase Reale Gase und ideale Gase Zustandsgleichungen für reale Gase und ihr Anwendungsbereich Der Kompressionsfaktor Das Gesetz der korrespondierenden Zustände Fugazität und die Gleichgewichtskonstante für reale Gase Kapitel 8 Phasendiagramme und die Existenzbereiche von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen Wodurch wird die relative Stabilität der festen, flüssigen und gasförmigen Phasen bestimmt? Das Druck-Temperatur-Phasendiagramm Druck-Volumen- und Druck-Volumen-Temperatur-Phasendiagramme Die theoretische Grundlage des p T-Phasendiagrammes Anwendung der Clapeyron-Gleichung zur Berechnung des Dampfdrucks als Funktion von T Der Dampfdruck eines Reinstoffes hängt vom angewandten Druck ab Oberflächenspannung Chemie in überkritischen Fluiden Flüssigkristalle und LCD-Displays Kapitel 9 Ideale und reale Lösungen Definition der idealen Lösung Das chemische Potenzial einer Komponente in der Gasphase und in den Lösungen Anwendung des Modells der idealen Lösung auf binäre Lösungen Das Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm und die fraktionierte Destillation Die Gibbs-Duhem-Gleichung Kolligative Eigenschaften Gefrierpunkterniedrigung und Siedepunkterhöhung Der osmotische Druck Reale Lösungen weisen Abweichungen vom Raoult schen Gesetz auf Die ideale verdünnte Lösung Aktivitäten werden in Bezug auf Standardzustände definiert Das Henry-Gesetz und die Löslichkeit von Gasen in einem Lösungsmittel Chemisches Gleichgewicht in Lösungen Kapitel 10 Elektrolytlösungen Die Enthalpie, Entropie und freie Enthalpie der Ionenbildung in Lösungen Erklärung der thermodynamischen Funktionen bei Ionenbildung und -lösung Aktivitäten und Aktivitätskoeffizienten für Elektrolytlösungen IX

5 10.4 Berechnung von über die Debye-Hückel-Theorie Chemisches Gleichgewicht in Elektrolytlösungen Kapitel 11 Elektrochemische Zellen, Batterien und Brennstoffzellen Die Auswirkung eines elektrischen Potenzials auf das chemische Potenzial geladener Stoffe Konventionen und Standardzustände der Elektrochemie Messung des reversiblen Zellenpotenzials Chemische Reaktionen in elektrochemischen Zellen und die Nernst-Gleichung Kombination von Standardelektrodenpotenzialen zur Bestimmung des Zellenpotenzials Bestimmung von Reaktions-Gibbs-Energien und Reaktions-Entropien aus Zellenpotenzialen Die Beziehung zwischen Zell-EMK und Gleichgewichtskonstante Bestimmung von E ı und der Aktivitätskoeffizienten unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle Zell-Nomenklatur und Typen elektrochemischer Zellen Die elektrochemische Spannungsreihe Thermodynamik von Batterien und Brennstoffzellen Die Elektrochemie häufig verwendeter Batterien Brennstoffzellen Ergänzung Elektrochemie im atomaren Maßstab Ergänzung Maschinenbau im Nanobereich durch Elektrochemie Ergänzung Absolute Halbzellenpotenziale Kapitel 12 Von der Klassischen Mechanik zur Quantenmechanik Warum sich mit der Quantenmechanik befassen? Die Entwicklung der Quantenmechanik aus dem Zusammenspiel von Theorie und Experiment Strahlung eines schwarzen Körpers Der Photoelektrische Effekt Wellenartiges Verhalten von Teilchen Beugung am Doppelspalt Atomspektren Kapitel 13 Die Schrödingergleichung Was entscheidet, ob ein System mit Hilfe der Quantenmechanik betrachtet werden muss? Klassische Wellen und die nicht-dispersive Wellengleichung Wellen können durch komplexe Funktionen einfach ausgedrückt werden Quantenmechanische Wellen und die Schrödingergleichung Die Lösung der Schrödingergleichung: Operatoren, Observablen, Eigenfunktionen und Eigenwerte X

6 13.6 Die Eigenfunktionen eines quantenmechanischen Operators sind orthogonal Die Eigenfunktionen eines quantenmechanischen Operators bilden ein vollständiges System Zusammenfassung der neuen Konzepte Kapitel 14 Die Quantenmechanischen Postulate Die physikalische Bedeutung der Wellenfunktion Jede Observable besitzt einen entsprechenden Operator Das Ergebnis einer einzelnen Messung Der Erwartungswert Die zeitliche Entwicklung eines quantenmechanischen Systems Kapitel 15 Die Anwendung der Quantenmechanik auf einfache Systeme Das Freie Teilchen Das Teilchen im eindimensionalen Kasten Der zwei- und der dreidimensionale Kasten Die Postulate erleichtern das Verständnis des Teilchens im Kasten und umgekehrt Kapitel 16 Das Teilchen im Kasten und die wirkliche Welt Das Teilchen im Kasten endlicher Tiefe Unterschiedliche Überlappung bei Rumpf- und Valenzelektronen Pi-Elektronen konjugierter Moleküle und Teilchen im Kasten Wieso leitet Natrium Elektrizität und warum ist Diamant ein Isolator? Das Passieren von Barrieren mittels Tunneleffekt Das Rastertunnelmikroskop Der Tunneleffekt bei chemischen Reaktionen Ergänzung Quantentöpfe und Quantenpunkte Kapitel 17 Kommutierende und nicht-kommutierende Operatoren und die überraschenden Folgen der Quantenverschränkung Kommutationsrelationen Das Stern-Gerlach-Experiment Die Heisenberg sche Unschärferelation Ergänzung Die Heisenberg sche Unschärferelation als Funktion von Standardabweichungen Ergänzung Ein Gedankenexperiment mit einem Teilchen im dreidimensionalen Kasten Ergänzung Verschränkte Zustände, Teleportation und Quantencomputer XI

7 Kapitel 18 Ein quantenmechanisches Modell für die Schwingung und Rotation von Molekülen Die Lösung der Schrödingergleichung für den quantenmechanischen harmonischen Oszillator Die Lösung der Schrödingergleichung für die zweidimensionale Rotation Die Lösung der Schrödingergleichung für die dreidimensionale Rotation Die Quantelung des Drehimpulses Die Kugelflächenfunktionen Optionaler Rückblick Der klassische harmonische Oszillator Optionaler Rückblick Drehbewegungen und der klassische starre Rotator Ergänzung Räumliche Quantisierung Kapitel 19 Schwingungs- und Rotationsspektroskopie von zweiatomigen Molekülen Eine Einführung in die Spektroskopie Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission Eine Einführung in die Schwingungsspektroskopie Die Herkunft der Auswahlregeln Infrarot-Absorptionsspektroskopie Rotationsspektroskopie Ergänzung Fouriertransform-Infrarot-Spektroskopie Ergänzung Raman-Spektroskopie Ergänzung Wie hängen die Übergangsraten zwischen Zuständen von der Frequenz ab? Kapitel 20 Das Wasserstoffatom Formulierung der Schrödingergleichung Die Lösung der Schrödingergleichung für das Wasserstoffatom Eigenwerte und Eigenfunktionen der Gesamtenergie Die Orbitale des Wasserstoffatoms Die radiale Verteilungsfunktion Die Gültigkeit des Schalenmodells der Atome Kapitel 21 Mehrelektronenatome Helium: Das kleinste Mehrelektronenatom Einführung des Elektronenspins Die Wellenfunktionen müssen die Ununterscheidbarkeit der Elektronen wiedergeben Die Lösung der Schrödingergleichung mit der Variationsmethode Die Hartree-Fock-Methode des selbstkonsistenten Feldes Trends im Periodensystem über die Hartree-Fock-Berechnungen verstehen Gute Quantenzahlen, Terme, Niveaus und Zustände XII

8 21.8 Die Energie einer Konfiguration hängt sowohl vom Bahn- als auch vom Spindrehimpuls ab Die Spin-Bahn-Kopplung spaltet einen Term in Niveaus auf Ergänzung Die Energien von Konfigurationen mit gepaarten und ungepaarten Elektronenspins sind verschieden Kapitel 22 Beispiele der Atomspektroskopie Die Grundlagen der Atomspektroskopie Analysetechniken auf Basis der Atomspektroskopie Der Dopplereffekt Der Helium-Neon-Laser Laserisotopentrennung Auger-Elektronen- und Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie Die selektive Chemie der angeregten Zustände: O( 3 P) und O( 1 D) Kapitel 23 Die Chemische Bindung bei H + 2 und H Quantenmechanik und Chemische Bindung Das einfachste Ein-Elektronen-Molekül: H Die Molekülwellenfunktion für H + 2 im Grundzustand Die Energie der Molekülwellenfunktionen g und u Eine genauere Betrachtung der Molekülwellenfunktionen g und u Das H 2 -Molekül: Molekülorbital- und Valenzbindungsmodell Vergleich des Valenzbindungs- und Molekülorbital-Modells der Chemischen Bindung Kapitel 24 Chemische Bindung in zweiatomigen Molekülen Lösung der Schrödingergleichung für Mehr-Elektronen-Moleküle Darstellung von Molekülorbitalen als Linearkombinationen von Atomorbitalen Das Molekülorbital-Energiediagramm Molekülorbitale von homonuklearen zweiatomigen Molekülen Die elektronische Struktur von Mehr-Elektronen-Molekülen Bindungsordnung, Bindungsenergie und Bindungslänge Heteronukleare zweiatomige Moleküle Ergänzung Das Molekulare Elektrostatische Potenzial (MEP) Kapitel 25 Molekülstruktur und Energieniveaus von vielatomigen Molekülen Lewis-Strukturen und das VSEPR-Modell Beschreibung lokalisierter Bindungen über Hybridisierung für Methan, Ethen und Acetylen Konstruktion von Hybridorbitalen für nicht-äquivalente Liganden Hybridisierung zur Beschreibung chemischer Bindung XIII

9 25.5 Vorhersage der Molekülstruktur mittels Molekülorbitaltheorie Wie unterschiedlich sind lokalisierte und delokalisierte Bindungsmodelle? Qualitative Molekülorbitaltheorie für konjugierte und aromatische Moleküle: Das Hückel-Modell Von Molekülen zu Festkörpern So macht man Halbleiter bei Raumtemperatur leitfähig Kapitel 26 Elektronische Spektroskopie Die Energie von elektronischen Übergängen Termsymbole von Molekülen Übergänge zwischen elektronischen Zuständen von zweiatomigen Molekülen Die Schwingungsfeinstruktur von elektronischen Übergängen in zweiatomigen Molekülen Absorption von UV/Vis Licht in mehratomigen Molekülen Übergänge zwischen Grundzuständen und angeregten Zuständen Singulett-Singulett-Übergänge: Absorption und Fluoreszenz Intersystem-Crossing und Phosphoreszenz Fluoreszenzspektroskopie und analytische Chemie UV-Photoelektronenspektroskopie Ergänzung Die Zuweisung von + und in -Termen zweiatomiger Moleküle Kapitel 27 Computerchemie Das Versprechen der Computerchemie Potenzialhyperflächen Die Molekülorbitaltheorie und das Hartree-Fock-Verfahren: Ein direkter Abkömmling der Schrödingergleichung Eigenschaften von Hartree-Fock-Modellen Das Hartree-Fock-Limit Theoretische Modelle und Modellchemie Weiterentwicklungen der Hartree-Fock-Theorie Gauß sche Basissätze Die Wahl eines theoretischen Modells Grafische Modelle Zusammenfassung Kapitel 28 Molekülsymmetrie Symmetrieelemente, Symmetrieoperationen und Punktgruppen Zuordnung von Molekülen zu Punktgruppen Das H 2 O-Molekül und die C 2v -Punktgruppe Darstellungen von Symmetrieoperatoren, Basen für Darstellungen und der Charaktertafel Die Dimension einer Darstellung Verwendung der C 2v -Darstellungen zur Konstruktion von Molekülorbitalen für H 2 O XIV

10 28.7 Die Symmetrien der Normalmoden von Molekülen Auswahlregeln und Infrarot- oder Raman-Aktivität Ergänzung Verwendung der Projektionsoperatormethode zur Erzeugung von Molekülorbitalen, die Basen für irreduzible Darstellungen sind Kapitel 29 Kernresonanzspektroskopie Kerndrehimpuls und magnetisches Moment Die Energie von Atomkernen mit nicht-verschwindendem Kernspin in einem Magnetfeld Die chemische Verschiebung für ein isoliertes Atom Die chemische Verschiebung für ein Atom in einem Molekül Die Elektronegativität benachbarter Gruppen und chemische Verschiebungen Die Magnetfelder benachbarter Gruppen und chemische Verschiebungen Multiplettaufspaltung von NMR-Peaks als Konsequenz der Spin-Spin-Kopplung Multiplettaufspaltung bei mehr als zwei wechselwirkenden Spins Die Peakbreite in der NMR-Spektroskopie Festkörper-NMR NMR-Bildgebung Ergänzung Das NMR-Experiment im Labor und im rotierenden Bezugssystem Ergänzung Die Fourier-Transform-NMR-Spektroskopie Ergänzung Die zweidimensionale NMR-Spektroskopie Kapitel 30 Wahrscheinlichkeit Wozu dient die Wahrscheinlichkeit? Grundlagen der Wahrscheinlichkeitstheorie Stirling-Formel Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen Wahrscheinlichkeitsverteilungen mit diskreten und stetigen Variablen Charakterisierung von Verteilungsfunktionen Kapitel 31 Die Boltzmann-Verteilung Mikrozustände und Konfigurationen Ableitung der Boltzmann-Verteilung Dominanz der Boltzmann-Verteilung Physikalische Bedeutung des Boltzmann-Verteilungsgesetzes Die Definition von ˇ Kapitel 32 Ensemble und molekulare Zustandssummen Das Kanonische Ensemble Die Beziehung von Q zu q in einem idealen Gas Molekulare Energieniveaus XV

11 32.4 Translationszustandssumme Rotationszustandssumme: Zweiatomige Moleküle Rotationszustandssumme: Mehratomige Moleküle Schwingungszustandssumme Das Gleichverteilungstheorem Elektronische Zustandssumme Zusammenfassung Kapitel 33 Statistische Thermodynamik Energie Energie und die energetischen Freiheitsgrade von Molekülen Wärmekapazität Entropie Nullpunktentropie Andere thermodynamische Funktionen Chemisches Gleichgewicht Kapitel 34 Die kinetische Gastheorie Eine kinetische Betrachtung der Teilchenbewegungen und des Drucks in der Gasphase Die eindimensionale Geschwindigkeitsverteilung Die Maxwell-Verteilung von Molekülgeschwindigkeiten Vergleich der die Geschwindigkeitsverteilung charakterisierenden Werte: ave, mp und RMS Die Effusion von Gasen Stöße zwischen Molekülen Die mittlere freie Weglänge Kapitel 35 Transportphänomene Was bedeutet Transport? Massetransport: Diffusion Die zeitliche Entwicklung des Konzentrationsgradienten Ergänzung Die Diffusion aus statistischer Perspektive Wärmeleitung Die Viskosität von Gasen Viskositätsmessung Diffusion in Flüssigkeiten und Viskosität von Flüssigkeiten Ergänzung Sedimentation und Zentrifugation Ionenleitung XVI

12 Kapitel 36 Grundlagen der Reaktionskinetik Einführung in die Kinetik Reaktionsgeschwindigkeiten Gesetze der Reaktionskinetik Reaktionsmechanismen Integrierte Geschwindigkeitsgesetze Ergänzung Numerische Verfahren Folgereaktionen erster Ordnung Parallelreaktionen Temperaturabhängigkeit von Geschwindigkeitskonstanten Reversible Reaktionen und Gleichgewicht Ergänzung Relaxations-Verfahren Ergänzung Die Autoionisation von Wasser: Ein Beispiel zur Temperatursprung-Methode Potenzialenergieflächen Theorie des aktivierten Komplexes Kapitel 37 Komplexe Reaktionsmechanismen Reaktionsmechanismen und Reaktionsgeschwindigkeitsgesetze Die Näherung des vorgelagerten Gleichgewichtes Der Lindemann-Mechanismus Katalyse Radikalkettenreaktionen Radikalkettenpolymerisation Explosionen Fotochemie Anhang 1151 A Mathematischer Anhang B Datentabellen C Punktgruppen-Charaktertabellen D Lösungen zu ausgewählten Aufgaben Index 1221 XVII