Moleküle und Molekülanhäufungen

Eine der faszinierendsten Erkenntnisse im Bemtihen urn ein Verstandnis der Naturvor­ gange ist die Feststellung, da/3 stoffliche Prozesse als Veranderungen in Molektilanhau­ fungen beschrieben werden konnen und da/3 das Zustandekommen der Molekiile aus Elementarteilchen bei Zugrundelegung weniger Postulate verstanden werden kann. Diese Tatsache einsiehtig zu machen, erscheint uns daher als ein Hauptanliegen eines einftihrenden Lehrbuchs der physikalischen Chemie. Wir mochten zu einem Verstand­ nis fUr das stoffliche Geschehen auf molekularer Grundlage hinfUhren, also eine kon­ krete Vorstellung der intra-und intermolekularen Wechselwirkung und ein lebhaftes Bild der molekularen V organge vermitteln. Die Schwierigkeit dieses Unternehmens liegt darin, da/3 eine exakte Anwendung der Grundpostulate schon bei einfachsten Systemen nieht mehr moglich ist, und es wird da­ her tiblicherweise in einfUhrenden Lehrbtichern der physikalischen Chemie von einer phanomenologischen Beschreibung ausgegangen, in der die Hauptsatze der Thermody­ namik als Postulate im Mittelpunkt stehen und an die sieh dann eine Betrachtung der Struktur der Materie anschlieBt. Bei diesem V orgehen ist es schwierig, auf elementarer Stufe verstandlich zu machen, wie die Postulate der Thermodynamik deduktiv aus dem Verhalten von Molektilanhaufungen folgen. Inhaltsverzeichnis Atome und Moleküle.- Quantenmechanische Grundvorstellungen.- 1. Wellen-Partikel-Dualität.- 1.1 Licht.- 1.1.1 Partikelnatur von Licht: Photoeffekt.- 1.1.2 Wellennatur von Licht: Beugung.- 1.1.3 Deutung der Experimente.- 1.2 Elektronen.- 1.2.1 Partikelnatur von Elektronen.- 1.2.2 Wellennatur von Elektronen.- 1.2.3 Deutung der Experimente.- Aufgaben.- 2. Stehende Elektronenwellen.- 2.1 Eindimensionale stehende Wellen.- 2.2 Zwei- und dreidimensionale stehende Wellen.- 2.3 Normierung der Amplitudenfunktionen.- 2.4 Orthogonalität der Amplitudenfunktionen.- 2.5 Wellengleichung und Schrödinger-Gleichung.- Aufgaben.- 3. Einfachste Atome und Moleküle.- 3.1 Experimentelle Grundtatsachen.- 3.1.1 Atomspektren.- 3.1.2 Franck-Hertz Versuch.- 3.2 H-Atom.- 3.2.1 Grundzustand.- 3.2.2 Angeregte Zustände.- 3.3 Variationsprinzip.- 3.3.1 Begründung des Variationsprinzips.- 3.3.2 Beispiele für die Anwendung des Variationsprinzips.- 3.4 He+-Ion.- 3.5 H2+-Molekülion.- 3.5.1 Beschreibung durch Kastenwellenfunktionen.- 3.5.2 Beschreibung durch Atomfunktionen.- 3.6 He-Atom.- 3.7 H2-Molekül (2 Elektronen).- 3.8 Nichtexistenz von He2.- 3.9 Li+ H- (Ionenkristall).- 3.10 Bohrsches Atommodell und Korrespondenzprinzip.- Aufgaben.- Aufbau von Atomen und Molekülen.- 4. Periodensystem der Elemente.- Aufgabe.- 5. Bau einfacher Moleküle.- 5.1 Beschreibung durch einfache Bindungsmodelle.- 5.2 Polarität von Bindungen und Elektronegativität.- 5.3 Bindungslängen, Bindungswinkel.- 5.4 Kraftkonstanten, Deformationskonstanten.- Aufgaben.- 6. Hybrid- und Molekülorbitale.- 6.1 Entartung von Energieniveaus.- 6.2 Hybridfunktionen in Atomen und Molekülen mit mehreren Elektronen.- 6.2.1 LiH+, LiH.- 6.2.2 BeH2.- 6.2.3 H2S.- 6.2.4 CH4.- 6.3 Eigenschaften von Elektronenpaarbindungen.- 6.4 Kastenwellenfunktionen.- 6.5 LCAO-Wellenfunktionen.- Aufgaben.- 7. Beschreibung von Molekülen mit Mehrfachbindungen.- 7.1 Eigenschaften von ?-Bindungen.- 7.2 Elektronengasmodell für unverzweigte Moleküle.- 7.3 Elektronenverteilung und Mesomerie.- 7.4 Elektronengasmodell für verzweigte Moleküle.- 7.5 HMO-Modell.- 7.6 Bindungslängen, Dipolmomente.- 7.7 Lichtabsorption: Experimentelle Grundtatsachen.- 7.8 Theoretische Deutung der Lage der Absorptionsmaxima.- 7.8.1 Farbstoffe mit linearem Elektronengas.- 7.8.2 Heteroatome als Sonden für Elektronenverteilung.- 7.8.3 Niveauaufspaltung durch Bindungsalternanz.- 7.8.4 Farbstoffe mit ringförmigem Elektronengas.- Aufgaben.- 8. Stehende Atomkernwellen in Molekülen.- 8.1 Rotationsbewegung der Kerne.- 8.2 Schwingungsbewegung der Kerne.- Aufgaben.- Molekülanhäufungen.- Zwischenmolekulares Wechselspiel und Temperatur.- 9. Zwischenmolekulare Kräfte und Aggregation.- 9.1 Aggregation geladener Bausteine.- 9.1.1 Ionenkristalle.- 9.1.2 Metalle.- 9.2 Aggregation ungeladener Bausteine.- 9.2.1 Dipolkräfte.- 9.2.2 Wasserstoffbrücken.- 9.2.3 Induktionskräfte.- 9.2.4 Dispersionskräfte.- 9.2.5 Molekülkristalle.- Aufgaben.- 10. Temperatur und Wärmebewegung der Moleküle.- 10.1 Kinetische Gastheorie und Temperaturbegriff.- 10.2 Anwendungen der kinetischen Gastheorie.- 10.2.1 Geschwindigkeit der Moleküle.- 10.2.2 Mittlere freie Weglänge.- 10.2.3 Diffusion.- 10.2.4 Viskosität.- 10.3 Wärmebewegung in Flüssigkeiten.- Aufgaben.- 11. Energieverteilung in Molekülanhäufungen.- 11.1 Boltzmannsches Verteilungsgesetz.- 11.2 Anwendungen des Boltzmannschen e-Satzes.- 11.2.1 Schwingungsenergie.- 11.2.2 Rotationsenergie.- 11.2.3 Translationsenergie, Geschwindigkeitsverteilung.- 11.3 Begründung des Boltzmannschen e-Satzes.- Aufgaben.- Größen zur Beschreibung des makroskopischen Verhaltens von Molekülanhäufungen.- 12. Innere Energie U, Wärme Q und Arbeit A.- 12.1 Zustandsänderungen bei konstantem Volumen, Wärmekapazität Cv.- 12.2 Zustandsänderungen bei konstantem Druck, Wärmekapazität Cp.- 12.3 System und Umgebung; Zustandsgrößen.- Aufgaben.- 13. Entropievermehrungsprinzip.- 13.1 Irreversible und reversible Zustandsänderungen.- 13.2 Entropie als Maß für die Unordnung im System.- 13.2.1 Zunahme der Unordnung beim irreversiblen Prozeß.- 13.2.2 Zunahme der Realisierungsmöglichkeiten bei der Expansion eines Gases.- 13.2.3 Abzählen von Realisierungsmöglichkeiten.- 13.2.4 Zunahme der Realisierungsmöglichkeiten beim Temperaturausgleich.- 13.2.5 Zahl der Realisierungsmöglichkeiten eines Atomgases.- 13.2.6 Entropie eines Systems und Entropievermehrung im irreversiblen Prozeß.- Aufgaben.- 14. Zusammenhang zwischen Entropie, reversibler Wärme und Temperatur.- 14.1 Entropieänderung bei Prozessen mit idealen Gasen.- 14.2 Veranschaulichung des Entropiebegriffes an typischen Fällen.- 14.2.1 Verdampfung einer Flüssigkeit.- 14.2.2 Ausströmen eines Gases ins Vakuum.- 14.2.3 Temperaturausgleich.- 14.2.4 Entropie von Stoffen.- 14.3 Entropieänderung bei beliebigen Prozessen. Begründung der Beziehungen (14.10) und (14.11).- 14.3.1 Carnotscher Kreisprozeß.- 14.3.2 Wirkungsgrad einer beliebigen reversibel arbeitenden Wärmekraftmaschine.- 14.3.3 Wirkungsgrad einer nicht reversibel arbeitenden Wärmekraftmaschine.- 14.4 Thermodynamische Temperaturskala.- 14.5 Hauptsätze der Thermodynamik.- Aufgaben.- Energetik und Kinetik chemischer Reaktionen.- 15. Wärmeaustausch bei chemischen Reaktionen.- 15.1 Wärmeaustausch bei konstantem Volumen.- 15.2 Wärmeaustausch bei konstantem Druck, Enthalpie H, Enthalpieänderung ?H.- 15.3 Temperaturabhängigkeit von ?U und ?H.- 15.4 Bildungsenthalpie ?H0B,298 unter Standardbedingungen.- 15.5 Anwendungen.- 15.5.1 Temperatur von Flammen.- 15.5.2 Neutralisationsreaktion.- Aufgaben.- 16. Kriterien für den Ablauf chemischer Reaktionen.- Aufgaben.- 17. Chemisches Gleichgewicht.- 17.1 Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante.- 17.1.1 Reversible Arbeit bei chemischen Reaktionen mit einer gasförmigen Komponente.- 17.1.2 Reversible Arbeit bei chemischer Gasreaktion und Gleichgewichtskonstante.- 17.2 Berechnung der Gleichgewichtskonstanten aus ?H0 und ?S0.- 17.3 Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstante.- 17.4 Freie Energie F und freie Enthalpie G.- Aufgaben.- 18. Chemische Reaktionen in verdünnten Lösungen.- 18.1 ?G bei Reaktionen in Lösung und osmotischer Druck.- 18.2 ?G bei Reaktionen in Lösung aus freien Bildungsenthalpien.- 18.2.1 Lösung neutraler Teilchen.- 18.2.2 Lösung von Ionen.- 18.3 Protonenübertragungsreaktionen.- 18.3.1 Dissoziation einer schwachen Säure (Essigsäure).- 18.3.2 Mehrstufige Dissoziation (Aminosäure).- 18.3.3 Kopplung der Dissoziation mehrerer schwacher Säuren (Essigsäure und Phenol).- 18.4 Elektronenübertragungsreaktionen (Redoxreaktionen).- 18.4.1 Auflösen von Metallen in Säure.- 18.4.2 Gekoppelte Redoxreaktionen.- 18.4.3 Berechnung von Redox-Gleichgewichtskonstanten aus Tabellenwerten.- 18.5 Gruppenübertragungsreaktionen in der Biochemie.- 18.6 Bioenergetik.- Aufgaben.- 19. Ablauf chemischer Reaktionen in elektrochemischen Zellen.- 19.1 ?G und Spannung einer elektrochemischen Zelle.- 19.2 Zellen mit zwei gleichartigen Elektroden.- 19.2.1 Konzentrationsketten mit Metallelektroden.- 19.2.2 Ionentransport in der Kette, Salzbrücke.- 19.2.3 Konzentrationskette mit Gaselektroden.- 19.3 Zellen mit zwei verschiedenartigen Elektroden.- 19.3.1 Wasserstoffelektrode, Standardpotential.- 19.3.2 Redoxreaktionen.- 19.3.3 Redoxreaktionen in einer Pufferlösung.- 19.4 ?G0 und ?G0? aus Standardpotentialen.- 19.4.1 Zusammenhang von ?G0 und E0, ?G0? und E0?.- 19.4.2 Indirekte Bestimmung von ?G0 bzw. ?G0?.- 19.5 Anwendungen von elektrochemischen Zellen.- 19.5.1 Bezugselektroden.- 19.5.2 Glaselektrode.- 19.5.3 Galvanische Elemente.- 19.5.4 Elektrolyse.- 19.5.5 Überspannung.- 19.5.6 Brennstoffzellen.- Aufgaben.- 20. Kinetik chemischer Reaktionen.- 20.1 Reaktionen, die in einer Richtung ablaufen.- 20.1.1 Stoßzahl zwischen Reaktionspartnern im Gas.- 20.1.2 Aktivierung.- 20.1.3 Geschwindigkeitskonstante.- 20.1.4 Reaktionen in Lösung.- 20.1.5 Reaktionsordnungen.- 20.2 Reaktionen, die zum Gleichgewicht führen.- 20.3 Zusammengesetzte Reaktionen.- 20.3.1 Nebenreaktionen.- 20.3.2 Folgereaktionen.- 20.3.3 Kettenreaktionen.- 20.3.4 Autokatalytische Reaktionen.- 20.3.5 Oszillierende chemische Reaktionen.- 20.4 Experimentelle Methoden.- 20.4.1 Mischungsmethoden.- 20.4.2 Störung von Gleichgewichten.- Aufgaben.- 21. Rückblick und Ausblick.- 21.1 Untersuchung komplexer Systeme.- 21.2 Kann Leben durch physikalisch-chemische Prozesse entstehen?.- 21.2.1 Evolution als Lernprozeß.- 21.2.2 Modellfall für den Lernmechanismus.- 21.2.3 Entropievermehrung und Evolution.- 21.2.4 Vorgegebene Struktur als Anstoß zur Bildung eines Lernapparates.- 21.2.5 Molekulare Kooperation, Stagnations- und Durchbruchphasen..- 21.2.6 Ist die spontane Bildung eines Lernmechanismus nicht zu unwahrscheinlich?.- 21.3 Grenzen physikalisch-chemischer Denkansätze.- A. Differentialgleichung der schwingenden Saite.- B. Orthogonalität und Hermitizität.- B.1 Orthogonalitätsbeziehung.- B.2 Hermitizitätsbeziehung.- C. Schrödinger-Gleichung für das H-Atom.- D. Variationsprinzip.- E. Wellenfunktion und Energie des H+2-Ions.- E.1 Exakte Berechnung.- E.2 Schwierigkeiten beim Verständnis der chemischen Bindung.- F. Berechnung der Energie von He.- G. HMO-Verfahren.- H. Elektronengasverfahren (verzweigte Moleküle).- I. Schrödinger-Gleichung für den Rotator.- J. Schrödinger-Gleichung für den harmonischen Oszillator.- K. Berechnung der Energie von Schwingung, Rotation und Translation.- K.1 Schwingungsenergie nach (11.17).- K.2 Rotationsenergie nach (11.26).- K. 3 Translationsenergie nach (11.32).- L. Boltzmannscher e-Satz.- L.1 Maximum von In ?.- L.2 Besetzungszahlen Ni.- M. Berechnung von Cp-Cv.- N. Anzahl ? der Realisierungsmöglichkeiten für ein Gas.- O. Berechnung von S aus der Zustandssumme.- P. Aktivierungsfaktor bei chemischen Reaktionen.- Q. Standardwerte von Zustandsgrößen.