Physikalische Chemie I Vorlesung CriegeeHS Teil A Thermodynamik
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Physikalische Chemie I Vorlesung: Criegee-HS Teil A: Thermodynamik Teil B: Kinetik Übungen: HS I & II Übungsleiter Teil A: Tutorien: 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 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 vorname. nachname@student. kit. edu
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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 A 4, 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 PC 1 und PC 2) 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. Mc. Quarrie, 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 Molekülspektroskopie
1. EINFÜHRUNG: PHYSIKALISCHE CHEMIE Kurzer Exkurs: Mikroskopische vs. Makroskopische Welt
Röntgenbeugung Fotoplatte Rö s n ge t n g n lu h tra
λ 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 Sauerstoff. Atomen, 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 Wasserkreislauf einer Wohnungsheizung Heizkessel Wasser in Thermoskanne (mit Deckel) Heizkörper Offen: Geschlossen: Isoliert (abgeschlossen) Stoffaustausch mit Umgebung kein Stoffaustausch Wärmeaustausch mit Umgebung kein Wärmeaustausch
ein „leeres“ Glas (mit Luft gefüllt) Phase 1 (N 2, O 2, Ar, CO 2)
ein Glas Wasser Phase 1 (N 2, O 2, H 2 O, Ar, CO 2) Phasengrenzfläche Phase 2 (H 2 O)
ein Glas Wasser mit einem Eiswürfel Phase 1 (N 2, O 2, H 2 O, Ar, CO 2) Phase 3 (H 2 O) Phasengrenzflächen Phase 2 (H 2 O)
Whiskey on the rocks Phase 1 (N 2, O 2, H 2 O, Ar, CO 2) Phase 3 (H 2 O) Phasengrenzflächen Phase 2 (H 2 O, C 2 H 5 OH)
ein Glas Wasser mit Öl Phase 1 (N 2, O 2, H 2 O, Ar, CO 2) Phase 2 (Öl) Phase 3 (H 2 O) Phasengrenzflächen
ein Glas Milch Phase 1 (N 2, O 2, H 2 O, Ar, CO 2) Phase 2 (Öl) Phase 3 (H 2 O)
Extensive / Intensive Variablen - Beispiel: 2 Behälter mit Gas System 1 System 3 System 2 p, V, p, 2 x V, p, V, T, m T, 2 x m 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 Masse m Kolben, 2 m Fläche A 3 m ideales Gas h h/2 Temperatur konstant ! h/3
Gesetz von Gay-Lussac (1) p ~ T Masse 2 m 3 m m Kolben, Fläche A ideales Gas h h h 2 * T 1 3 * T 1 Volumen konstant Temperatur variabel T 1
Gesetz von Gay-Lussac (2) V ~ T T 1 3 * T 1 2 * T 1 m m m 3 h 2 h Druck konstant Temperatur variabel h
Isothermen Isobaren
Vm(p, T) V 2 T 2 V 1 T T 1 p 2 p 1 p
p 2, V 2, T 2 Vm(p, T) p 1, V 1, T 1 V 2 T 2 V 1 T T 1 p 2 p 1 p
p 2, V 2, T 2 p 2, V*, T 1 Vm(p, T) p 1, V 1, T 1 V 2 T 2 V 1 T T 1 p 2 p 1 p
Quelle: http: //webbook. nist. gov/chemistry/ Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300 K (27°C)
Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300 K (27°C) ideales Gas
Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300 K (27°C) ideales Gas
Quelle: http: //webbook. nist. gov/chemistry/ Molvolumen von Kohlendioxid als Funktion des Drucks Temperatur: 300 K (27°C) ideales Gas Meßwerte
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle CO 2
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle N 2 CO 2
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle He N 2 CO 2
Realgasfaktor von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300 K (27°C)
Realgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks Temperatur: 300 K (27°C) Quelle: NIST
1000 K 500 K 400 K Realgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks und der Temperatur 300 K Quelle: NIST
1000 K 715 K 500 K 400 K Realgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks und der Temperatur Boyle-Temperatur: 300 K Quelle: NIST
500 K – Isotherme von CO 2 ● exp. Werte
500 K – Isotherme von CO 2 van der Waals Gleichung ● exp. Werte
500 K – Isotherme von CO 2 ideales Gasgesetz van der Waals Gleichung ● exp. Werte
400 K – Isotherme von CO 2 ideales Gasgesetz van der Waals Gleichung ● exp. Werte
320 K – Isotherme von CO 2 ● exp. Werte
320 K – Isotherme von CO 2 ● exp. Werte van der Waals Gleichung
320 K – Isotherme von CO 2 ideales Gasgesetz ● exp. Werte van der Waals Gleichung
310 K – Isotherme von CO 2 Wendepunkte ● exp. Werte
310 K – Isotherme von CO 2 van der Waals Gleichung ● exp. Werte
310 K – Isotherme von CO 2 ideales Gasgesetz van der Waals Gleichung ● exp. Werte
304. 2 K – Isotherme von CO 2 kritischer Punkt Sattelpunkt ● exp. Werte
304. 2 K – Isotherme von CO 2 kritischer Punkt van der Waals Gleichung ● exp. Werte
304. 2 K – Isotherme von CO 2 kritischer Punkt ideales Gasgesetz van der Waals Gleichung ● exp. Werte
Flüssigkeit 273 K – Isotherme von CO 2 ● exp. Werte 2 Phasen: g+l Gas
van der Waals Gleichung ideales Gasgesetz 273 K – Isotherme von CO 2 "van der Waals- Schleifen" vd. W-Gleichung in diesem Bereich qualitativ falsch: Druck sinkt, wenn Volumen verkleinert wird! das ist unphysikalisch ● exp. Werte
van der Waals Gleichung ideales Gasgesetz 273 K – Isotherme von CO 2 "van der Waals- Schleifen" Korrektur durch sog. Maxwell-Konstruktion: Horizontale Linie, gleiche Flächen ● exp. Werte
Flüssig- 250 K – Isotherme von CO 2 keit 2 Phasen: g+l Gas ● exp. Werte
van der Waals Gleichung 250 K – Isotherme von CO 2 ideales Gasgesetz ● exp. Werte negativer Druck !
Zusammenfassung: verschiedene Isothermen von CO 2 Flüssigkeit Oberhalb des kritischen Punktes verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas! "Überkritischer Bereich" Gas 2 Phasen, flüssig + gas Quelle: Engel/Reid
