Naturwissenschaftliche Grundlagen für Maschinenbauer und Wirtschaftsingenieure

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1 Naturwissenschaftliche Grundlagen für Maschinenbauer und Wirtschaftsingenieure Heinz W. Siesler (Vorlesung) Miriam Unger (Übungen)( Institut für f r Physikalische Chemie Universität t Duisburg-Essen Schützenbahn 70, Raum SA Essen Sprechstunde: Di Uhr hw.siesler@uni-due.de miriam.unger@stud.uni-duisburg duisburg-essen.de 1

2 Literaturangaben Die Unterlagen zu dieser Vorlesung wurden teilweise aus den nachfolgend aufgeführten Büchern B und Texten extrahiert: Chemistry,, C. E. Housecroft und E. C. Constable,, Pearson Education Ltd., Essex,, England Chemistry,, T. L. Brown, H. E. LeMay,, und B. E. Bursten,, Pearson Education Ltd., Essex,, England Chemie, P. W. Atkins,, J. A. Beran,, VCH, Weinheim, Deutschland Chemie-rund um die Uhr, K. Mädefessel-Herrmann,, F. Hammar, H.-J. Quadbeck-Seeger Seeger, Wiley-VCH VCH,, Weinheim, Deutschland Textheft 25 zu Neue Werkstoffe,, Fonds der Chemischen Industrie, Frankfurt, Deutschland Desweiteren bin ich Herrn Prof. Dr. M. Tausch (Universität t Wuppertal) für r die Informationen zur Vorlesung sehr dankbar. 2

3 Stoffe und ihre Eigenschaften Physikalische und Chemische Eigenschaften Chemie: : Zweig der Naturwissenschaften, der die Erscheinungs- formen der Materie und deren Umwandlungsmöglichkeiten glichkeiten untersucht Physik: : Wissenschaft von den Eigenschaften, Zustandsformen, der Struktur und der Bewegung von Materie, sowie den diese Bewegung hervorrufenden Kräften und Wechselwirkungen Die Naturwissenschaften unterteilen die Materie in einzelne Stoffe (auch Substanzen genannt). Deren Identifizierung erfolgt auf Grund ihrer physikalischen/chemischen chemischen Eigenschaften. Physikalische Eigenschaften: : können k bestimmt werden, ohne den Stoff zu verändern Chemische Eigenschaften: : zu deren Bestimmung muss der Stoff in einen anderen umgewandelt werden 3

4 Stoffe und ihre Eigenschaften Physikalische und Chemische Eigenschaften Zwei Beispiele: Gold ist gelb, leitet den elektrischen Strom und schmilzt bei 1063 C zur Bestimmung dieser drei physikalischen Eigenschaften muss keine neue Substanz gebildet werden. Erdgas (sein wesentlichster Bestandteil ist Methan) ist brennbar. Diese chemische Eigenschaft kann durch seine Entzündung ndung bewiesen werden. Dabei entstehen die neuen Stoffe Kohlendioxid und Wasser. 4

5 Stoffe und ihre Eigenschaften Physikalische und Chemische Eigenschaften Eine der uns vertrautesten physikalischen Eigenschaften eines Stoffes ist sein Aggregatzustand. fest flüssig gasförmig 5

6 Aggregatzustände Feststoff: hat eine feste Form und passt sich nicht an die Form eines Behälters an. Flüssigkeit: kann fliessen und passt sich an den Behälter an. Gas: kann ebenfalls fließen en und erfüllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig. *Dampf: ist zur Beschreibung von Gasen ebenfalls weit verbreitet,, man sollte den Ausdruck aber nur dann verwenden, wenn das Gas mit der zugehörigen Flüssigkeit ssigkeit im Kontakt ist. 6

7 Die drei physikalischen Zust Die drei physikalischen Zustände von Wasser Was stimmt hier nicht ganz? 7

8 Die Anomalie des Wassers Zum Unterschied von den meisten anderen Flüssigkeiten dehnt sich Wasser beim Gefrieren (0 C) um etwa 10% aus, d.h. die Dichte von Eis ist bei 0 C g/cm 3 und die Dichte von Wasser ist bei 0 C 0 C g/cm 3. Geologische Bedeutung: Wasser, das im Winter in die Risse und Spalten von Gesteinen gelangt, sprengt beim Erstarren zu Eis den Fels Verwitterung wird dadurch gefördert Mit steigender Temperatur nimmt die Dichte von flüssigem Wasser - zum Unterschied von fast allen anderen Flüssigkeiten zunächst bis 4 C 4 C zu, um erst dann wie üblich abzunehmen (0 C: , 4 C: , 10 C: g/cm 3 ). Alles Wasser von höherer h herer oder tieferer Temperatur als 4 C 4 C ist somit leichter als Wasser von 4 C. 4 Bedeutung in der Natur: Wasser von Seen kühlt k sich bis 4 C 4 C ab und sinkt dann zu Boden. Bei weiterer Abkühlung bleibt das kältere k Wasser an der Oberfläche und erstarrt dort zu spezifisch leichterem Eis. Kälte K kann nur sehr langsam in grössere Tiefen vordringen und Seen frieren nie bis zum Grunde Lebewesen bleiben erhalten 8

9 Die Anomalie des Wassers Die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren ist darauf zurückzuf ckzuführen, dass das Eis ein weitmaschiges, von zahlreichen Hohlräumen durchsetztes Kristallgitter bildet, während w im flüssigen Wasser, bei dem diese Kristallstruktur weitgehend zerstört rt ist, die Moleküle wie bei jeder Flüssigkeit zu einer dichten Kugelpackung zusammengelagert sind. Bei 0 C 0 C kommen auch im flüssigen Wasser noch kleinere kristalline Aggregate vor, deren Zusammenbrechen beim Erwärmen rmen das Anwachsen der Dichte des Wassers bis 4 C 4 C bedingt. 9

10 Physikalische Umwandlungen Aggregatzustandsänderungen nderungen Schmelzpunkt Gefrierpunkt Siedepunkt Sublimationspunkt 10

11 Phasendiagramm von Wasser Phasendiagramm von Wasser Druck (atm) Normalschmelzpunkt Feststoff Tripelpunkt Phasengrenzen Flüssigkeit Gas Temperatur ( C)( kritische Temperatur Normalsiedepunkt 11

12 Einige Begriffe und Definitionen für f r Wasser Normalschmelzpunkt: : Schmelztemperatur 0 C 0 C bei 1 atm ( Pa = 1,01325 bar) Normalsiedepunkt: : Siedetemperatur 100 C C bei 1 atm ( Pa = 1,01325 bar) Der Tripelpunkt ist der Treffpunkt der drei Phasengrenzen. Tripelpunkt von Wasser: +0,01 C C bei 6,1 mbar.. Weil der Tripelpunkt eine Konstante für r eine Substanz ist, kann man mit ihm eine Temperaturskala genau definieren. Die kritische Temperatur einer Substanz ist die Temperatur, oberhalb der eine flüssige Phase nicht existieren kann. Kritische Temperatur von Wasser: +374 C, 221 bar Negative Steigung der Phasengrenze fest/flüssig: ssig: Eis schmilzt bei Druckerhöhung hung Wandern der Gletscher (er gleitet auf einem Wasserfilm talwärts) 12

13 Phasen, Komponenten und Gibbs sche sche Phasenregel F = K P + 2 (F = Zahl der Freiheitsgrade, K = Zahl der Komponenten, P = Zahl der Phasen) 13

14 Chemische Umwandlungen Bildet sich aus einem Stoff ein anderer, so spricht man von einer chemischen Umwandlung. Chemische Umwandlungen sind immer eine Folge einer chemischen Reaktion. Dabei handelt es sich um komplexe Vorgänge, die z.b. beim Kochen von Nahrungsmitteln oder bei der Synthese von Kunststoffen stattfinden. Auch die Elektrolyse ist ein chemischer Vorgang. 14

15 Stoffe und Mischungen Eine der wichtigsten Aufgaben des Chemikers ist die Durchführung hrung chemischer Analysen die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Substanzprobe. be. Dabei werden die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines es Stoffes genutzt. Die gängigsten g Techniken sind im Folgenden zusammengefasst. Trennverfahren phys. Eigenschaft Vorgehensweise 15

16 Filtration/Extraktion Wird der Feststoff auf dem Filter vorgelegt und Flüssigkeit zugegeben: Extraktion (Kaffee!) 16

17 Destillation Rektifikation (fraktionierende Destillation) Destillation Rektifikation (fraktionierende Destillation) 17

18 Fraktionierte Destillation von Rohöl 18

19 Prinzip der Gaschromatographie 19

20 Gaschromatogramm von Zigarettenrauch 20