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Peter W. Atkins. Physikalische Chemie
Inhaltsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Illustrationsverzeichnis
Orientierungspunkte
Seitenliste
Beachten Sie bitte auch weitere Lehrbücher von Wiley-VCH
Physikalische Chemie. Übersetzt von Michael Bär
Vorwort
Die Arbeit mit diesem Buch
Die Gliederung der Information. Das Wichtigste in Kürze
Begründungen
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Wegweiser
Anwendungen
Hinweise
Interaktive Übung
Zusatzinformation
Tabellenanhang
Erste Hilfe in Mathematik. Kommentare
Mathematische Exkurse
Das Lösen von Aufgaben. Praktische Beispiele
Beispiele
Übungen
Diskussionsfragen
Aufgaben
Molecular Modelling und Computerchemie
Begleitmaterialien. Für Dozenten
Für Studierende
Online-Unterstützung und Zusatzmaterial für Studenten und Dozenten
Die Autoren
Danksagungen
Grundlagen G
G.1 Atome
G.2 Moleküle
Hinweis
G.3 Makroskopische Materie
Hinweis
Hinweis
G.4 Energie
G.5 Die Beziehung zwischen molekularen und makroskopischen Eigenschaften
Kommentar G-1
G.5.1 Die Boltzmannverteilung
G.5.2 Der Gleichverteilungssatz
G.6 Das elektromagnetische Feld
Hinweis
G.7 Einheiten
Leichte Aufgaben
Teil 1. Gleichgewicht
1. Die Eigenschaften der Gase
1.1 Das ideale Gas
1.1.1 Die Zustände der Gase
Druck
Übung 1-1
Druckmessung
Beispiel 1-1 Die Berechnung des Drucks einer Flüssigkeitssäule
Übung 1-2
Temperatur
Hinweis
Hinweis
Ein praktisches Beispiel
1.1.2 Die Gasgesetze
Kommentar 1-1
Das ideale Gasgesetz
Hinweis
Beispiel 1-2 Anwendung der Zustandsgleichung des idealen Gases
Übung 1-3
Die kinetische Gastheorie
Gasmischungen
Beispiel 1-3 Die Berechnung von Partialdrücken
Übung 1-4
Anwendung 1-1 Die Gasgesetze und das Wetter
1.2 Reale Gase
1.2.1 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen
Der Kompressionsfaktor
Virialkoeffizienten
Kondensation
Kritische Größen
1.2.2 Die Van-der-Waals-Gleichung
Die Gleichung
Begründung 1-1 Die Van-der-Waals-Gleichung
Beispiel 1-4 Die Anwendung der Van-der-Waals-Gleichung zur Bestimmung des molaren Volumens
Übung 1-5
Zur Gültigkeit der Gleichung
Das Prinzip der übereinstimmenden Zustände
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben3) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Mathematischer Exkurs 1: Differenziation und Integration
Notes
2. Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik
2.1 Grundbegriffe
2.1.1 Arbeit, Wärme und Energie
Grundlegende Definitionen
Die molekulare Interpretation von Arbeit und Wärme
2.1.2 Die Innere Energie
■ Kommentar 2-1
Die molekulare Interpretation der Inneren Energie
Die Formulierung des Ersten Hauptsatzes
Ein praktisches Beispiel
Hinweis
2.1.3 Volumenarbeit
Eine allgemeine Formulierung der Arbeit
Freie Expansion
Expansion gegen einen konstanten Druck
■ Kommentar 2-2
Reversible Expansion
Isotherme reversible Expansion
■ Kommentar 2-3
Beispiel 2-1 Die Volumenarbeit bei der Herstellung von Gasen
Übung 2-1
2.1.4 Wärmeübergänge
Kalorimetrie
■ Kommentar 2-4
Ein praktisches Beispiel
Die Wärmekapazität
Ein praktisches Beispiel
■ Kommentar 2-5
2.1.5 Die Enthalpie
Definition der Enthalpie
Begründung 2-1 Die Beziehung ΔH = qp
Die Messung von Enthalpieänderungen
Beispiel 2-2 Die Beziehung zwischen ΔU und ΔH
Übung 2-2
Ein praktisches Beispiel
Beispiel 2-3 Die Berechnung von Enthalpieänderungen
Übung 2-3
Die Temperaturabhängigkeit der Enthalpie
Beispiel 2-4 Die Temperaturabhängigkeit der Enthalpie
Übung 2-4
Anwendung 2-1 Dynamische Differenzialkalorimetrie
2.1.6 Adiabatische Änderungen
Ein praktisches Beispiel
Übung 2-5
Ein praktisches Beispiel
2.2 Thermochemie
2.2.1 Standardenthalpien
■ Kommentar 2-6
Hinweis
Enthalpieänderungen bei physikalischen Zustandsänderungen
Ein praktisches Beispiel
Die Enthalpien chemischer Reaktionen
Der Satz von Hess
Beispiel 2-5 Die Anwendung des Satzes von Hess
Übung 2-6
Anwendung 2-2 Energiespeicher im Körper
2.2.2 Standardbildungsenthalpien
Reaktionsenthalpie und Bildungsenthalpie
■ Kommentar 2-7
Ein praktisches Beispiel
Bildungsenthalpien und Molecular Modeling
2.2.3 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpien
Beispiel 2-6 Eine Anwendung des kirchhoffschen Gesetzes
Übung 2-7
2.3 Zustandsfunktionen und totale Differenziale
2.3.1 Totale und nicht totale Differenziale
Beispiel 2-7 Die Berechnung von Arbeit, Wärme und Innerer Energie
Übung 2-8
2.3.2 Änderungen der Inneren Energie
Allgemeine Betrachtungen
Das Experiment von Joule
Die Änderung der Inneren Energie bei konstantem Druck
Beispiel 2-8 Berechnung des Koeffizienten der thermischen Ausdehnung eines Cases
Übung 2-9
2.3.3 Der Joule-Thomson-Effekt
Begründung 2-2 Die Abhängigkeit der Enthalpie von Druck und Temperatur
Die Beobachtung des Joule-Thomson-Effekts
Begründung 2-3 Der Joule–Thomson-Effekt
Die Interpretation des Joule-Thomson-Effekts auf molekularer Ebene
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 2-1: Adiabatische Prozesse
Zusatzinformation 2-2: Die Beziehung zwischen den Wärmekapazitäten
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Mathematischer Exkurs 2: Differenzialrechnung von Funktionen mehrerer Variablen
ME2.1 Partielle Ableitungen
Ein praktisches Beispiel
Übung ME2-1
ME2.2 Exakte Differenziale
Ein praktisches Beispiel
Übung ME2-2
Ein praktisches Beispiel
Übung ME2-3
Ein praktisches Beispiel
Übung ME2-4
Ein praktisches Beispiel
Übung ME2-5
Note
3. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik
3.1 Die Richtung freiwilliger Prozesse
3.1.1 Die Dissipation der Energie
3.1.2 Die Entropie
Diethermodynamische Definition der Entropie
Hinweis
Beispiel 3-1 Die Entropieänderung bei isothermer Expansion eines idealen Gases
Ein praktisches Beispiel
Übung 3-1
Ein praktisches Beispiel
Übung 3-2
Die statistische Deutung der Entropie
Die Entropie als Zustandsfunktion
Begründung 3-1 Die Erwärmung bei einer reversiblen adiabatischen Expansion
DiethermodynamischeTemperatur
Die clausiussche Ungleichung
Ein praktisches Beispiel
Anwendung 3-1 Kälteerzeugung
Ein praktisches Beispiel
3.1.3 Entropieänderungen bei speziellen Prozessen
Expansion
Phasenübergänge
Ein praktisches Beispiel
Übung 3-3
Erhitzen
Beispiel 3-2 Die Änderung der Entropie
Hinweis
Übung 3-4
Die Messung der Entropie
Ein praktisches Beispiel
Beispiel 3-3 Die Entropie bei tiefen Temperaturen
Übung 3-5
3.1.4 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik
Das nernstsche Wärmetheorem
Ein praktisches Beispiel
Entropien nach dem Dritten Hauptsatz
Ein praktisches Beispiel
Hinweis
Übung 3-6
Anwendung 3-2 Kristallfehler
3.2 Die Beschränkung auf das System
3.2.1 Freie Energie und Freie Enthalpie
Kriterien der Freiwilligkeit
Einige Anmerkungen zur Freien Energie
Die maximale Arbeit
Begründung 3-2 Die maximale Arbeit
Beispiel 3-4 Die Berechnung der maximalen Arbeit
Übung 3-7
Einige Anmerkungen zur Freien Enthalpie
Die maximale Nichtvolumenarbeit
Begründung 3-3 Die maximale Nichtvolumenarbeit
Beispiel 3-5 Die maximale Nichtvolumenarbeit einer chemischen Reaktion
Übung 3-8
3.2.2 Freie Standardreaktionsenthalpien
Ein praktisches Beispiel
Übung 3-9
Ein praktisches Beispiel
Kommentar 3-1
Ein praktisches Beispiel
Übung 3-10
3.3 Die Verbindung von Erstem und Zweitem Hauptsatz
3.3.1 Die Fundamentalgleichung
3.3.2 Eigenschaften der Inneren Energie
■ Kommentar 3-2
Die Maxwell-Beziehungen
Die Abhängigkeit der Inneren Energie vom Volumen
Begründung 3-4 Die thermodynamische Zustandsgleichung
Beispiel 3-6 Die Herleitung einer thermodynamischen Gleichung
Übung 3-11
3.3.3 Eigenschaften der Freien Enthalpie
Allgemeine Betrachtungen
Die Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie
Begründung 3-5 Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung
Die Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie
Übung 3-12
Ein praktisches Beispiel
Übung 3-13
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 3-1: Die bornsche Gleichung
Zusatzinformationen 3-2: Die Fugazität
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben8) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
4. Physikalische Umwandlungen reiner Stoffe
4.1 Phasendiagramme
4.1.1 Die Stabilität von Phasen
Die Zahl der Phasen
Hinweis
Phasenübergänge
Thermodynamische Kriterien für die Stabilität von Phasen
4.1.2 Phasengrenzen
Charakteristische Eigenschaften von Phasenübergängen
Die Phasenregel
Begründung 4-1 Die Phasenregel
4.1.3 Drei typische Phasendiagramme
Kohlendioxid
Wasser
Helium
Anwendung 4-1 Überkritische Fluide
4.2 Thermodynamische Betrachtung von Phasenübergängen
4.2.1 Die Abhängigkeit der Stabilität von den Bedingungen
Die Temperaturabhängigkeit der Stabilität von Phasen
Die Druckabhängigkeit des Schmelzpunkts
Beispiel 4-1 Der Einfluss des Drucks auf das chemische Potenzial
Übung 4-1
Die Druckabhängigkeit des Dampfdrucks
Begründung 4-2 Der Dampfdruck einer Flüssigkeit unter äußerem Druck
Ein praktisches Beispiel
Übung 4-2
4.2.2 Die Lage der Phasengrenzlinien
Die Steigungen der Phasengrenzlinien
Die Phasengrenzlinie fest/flüssig
■ Kommentar 4-1
Die Phasengrenzlinie flüssig/gasförmig
Beispiel 4-2 Der Einfluss des Drucks auf den Siedepunkt
Übung 4-3
Ein praktisches Beispiel
Die Phasengrenzlinie fest/gasförmig
Hinweis
4.2.3 Die Klassifikation der Phasenübergänge nach Ehrenfest
Die thermodynamischen Grundlagen
Mikroskopische Interpretation
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben3) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
5. Die Ausnutzung des Lebensraums: Die Bewegungen
5.1 Die thermodynamische Beschreibung von Mischungen
5.1.1 Partielle molare Größen
Kommentar 5-1
Das partielle molare Volumen
Ein praktisches Beispiel
Übung 5-1
Partielle molare Freie Enthalpien
Die allgemeinere Bedeutung des chemischen Potenzials
Die Gibbs–Duhem-Gleichung
Beispiel 5-1 Die Anwendung der Gibbs–Duhem-Gleichung
Kommentar 5-2
Übung 5-2
5.1.2 Thermodynamik von Mischphasen
Die Freie Mischungsenthalpie idealer Gase
Beispiel 5-2 Die Berechnung der Freien Mischungsenthalpie
Übung 5-3
Andere thermodynamische Mischungsfunktionen
5.1.3 Das chemische Potenzial flüssiger Phasen
Ideale Mischungen
Ideal verdünnte Lösungen
Beispiel 5-3 Die Gültigkeit des Raoult- und des Henry-Gesetzes
Übung5-4
Ein praktisches Beispiel
Hinweis
Übung 5-5
5.2 Die Eigenschaften von Lösungen
5.2.1 Flüssige Mischungen
Ideale Mischungen
Exzessfunktionen und reguläre Lösungen
5.2.2 Kolligative Eigenschaften
Die Gemeinsamkeiten der kolligativen Eigenschaften
Die Siedepunktserhöhung
Begründung 5-1 Die Siedepunktserhöhung eines Lösungsmittels
Kommentar 5-3
Die Gefrierpunktserniedrigung
Löslichkeit
Begründung 5-2 Die Löslichkeit eines idealen gelösten Stoffs
Osmose
Begründung 5-3 Die Van’t-Hoff-Gleichung
Beispiel 5-4 Bestimmung der Molmasse eines Makromoleküls durch Osmometrie
Übung5-6
Anwendung 5-1 Die Bedeutung der Osmose in der Physiologie und Biochemie
5.3 Phasendiagramme von Zweikomponentensystemen
5.3.1 Dampfdruckdiagramme
Die Zusammensetzung der Gasphase
Die Interpretation der Diagramme
Das Hebelgesetz
Begründung 5-4 Das Hebelgesetz
Ein praktisches Beispiel
5.3.2 Siedediagramme
Die Destillation von Mischungen
Azeotrope
Nicht mischbare Flüssigkeiten
5.3.3 Flüssig/Flüssig-Phasendiagramme
Entmischung
Beispiel 5-5 Die Interpretation eines flüssig/flüssig-Phasendiagramms
Übung 5-7
Kritische Mischungstemperaturen
Kommentar 5-4
Die Destillation begrenzt mischbarer Flüssigkeiten
Beispiel 5-6 Die Interpretation eines Phasendiagramms
Übung 5-8
5.3.4 Flüssig/Fest-Phasendiagramme
Eutektische Mischungen
Systeme mit chemischen Reaktionen
Inkongruentes Schmelzen
Anwendung 5-2 Flüssigkristalle
5.4 Aktivitäten
5.4.1 Die Aktivität des Lösungsmittels
Ein praktisches Beispiel
5.4.2 Die Aktivität des gelösten Stoffs
Ideal verdünnte Lösungen
Reale Lösungen
Beispiel 5-7 Die Messung der Aktivität
Übung 5-9
Die Aktivität als Funktion der Molalität
Der biologische Standardzustand
5.4.3 Aktivitäten in regulären Lösungen
Begründung 5-5 Die Margules-Gleichungen
5.4.4 Aktivitäten von Ionen in Lösung
Mittlere Aktivitätskoeffizienten
Kommentar 5-5
Das Debye–Hückel-Grenzgesetz
Ein praktisches Beispiel
Übung 5-10
Die erweiterte Debye–Hückel-Theorie
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 5-1: Die Debye–Hückel-Theorie ionischer Lösungen
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben6) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
6. Das Chemische Gleichgewicht
6.1 Freiwillig ablaufende chemische Reaktionen
6.1.1 Das Minimum der Freien Enthalpie
Die Freie Reaktionsenthalpie
Ein praktisches Beispiel
Exergone und endergone Reaktionen
Anwendung 6-1 Energieumwandlung in lebenden Zellen
6.1.2 Die Beschreibung des chemischen Gleichgewichts
Gleichgewichte idealer Gase
Hinweis
Die Verallgemeinerung für beliebige Reaktionen
Ein praktisches Beispiel
Begründung 6-1 Die Abhängigkeit der Freien Reaktionsenthalpie vom Reaktionsquotienten
Kommentar 6-1
Ein praktisches Beispiel
Kommentar 6-2
Beispiel 6-1 Die Berechnung einer Gleichgewichtskonstante
Übung 6-1
Beispiel 6-2 Die Berechnung eines Dissoziationsgrads im Gleichgewicht
Hinweis
Übung 6-2
Die Beziehungen zwischen verschiedenen Gleichgewichtskonstanten
Ein praktisches Beispiel
Die Interpretation der Gleichgewichtskonstante auf molekularer Ebene
Gleichgewichte in biologischen Systemen
Ein praktisches Beispiel
Übung 6-3
6.2 Die Verschiebung des Gleichgewichts bei Änderung der Reaktionsbedingungen
6.2.1 Der Einfluss des Drucks auf das Gleichgewicht
Ein praktisches Beispiel
Übung 6-4
6.2.2 Der Einfluss der Temperatur auf das Gleichgewicht
Die Van’t-Hoff-Gleichung
Begründung 6-2 Die Van’t-Hoff-Gleichung
Beispiel 6-3 Die Messung einer Reaktionsenthalpie
Übung 6-5
Die Zahlenwerte von K bei verschiedenen Temperaturen
Ein praktisches Beispiel
Übung 6-6
Anwendung 6-2 Supramolekulare Chemie
6.3 Elektrochemie im Gleichgewicht
6.3.1 Elektrodenreaktionen und Elektroden
Ein praktisches Beispiel
Übung 6-7
Ein praktisches Beispiel
Übung 6-8
6.3.2 Zelltypen
Diffusionspotenziale
Die symbolische Schreibweise für Zellen
6.3.3 Die Zellspannung
Die nernstsche Gleichung
Hinweis
Begründung 6-3 Die Beziehung zwischen der Gleichgewichtszellspannung und der Freien Reaktionsenthalpie
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Zellen im Gleichgewicht
Ein praktisches Beispiel
6.3.4 Standard-Elektrodenpotenziale
Ein praktisches Beispiel
Übung 6-9
Beispiel 6-4 Berechnung eines Standardpotenzials aus zwei anderen
6.3.5 Anwendungen der Standardpotenziale
Die Elektrochemische Spannungsreihe
Ein praktisches Beispiel
Die Messung von Aktivitätskoeffizienten
Die Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten
Ein praktisches Beispiel
Die Bestimmung thermodynamischer Funktionen aus Zellpotenzialen
Ein praktisches Beispiel
Beispiel 6-5 Eine Anwendung der Temperaturabhängigkeit des Zellpotenzials
Übung 6-10
Anwendung 6-3 Teilchenselektive Elektroden
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Note
Teil 2. Struktur
7. Quantentheorie: Einführung und Grundlagen
7.1 Die Anfänge der Quantenmechanik
7.1.1 Die Quantisierung der Energie
Die Strahlung schwarzer Körper
Kommentar 7-1
Ein praktisches Beispiel
Wärmekapazitäten
Ein praktisches Beispiel
Atom-und Molekülspektren
7.1.2 Der Welle–Teilchen-Dualismus
Der Teilchencharakter elektromagnetischer Strahlung
Beispiel 7-1 Die Berechnung der Anzahl von Photonen
Hinweis
Übung 7-1
Der Wellencharakter von Teilchen
Beispiel 7-2 Berechnung der De-Broglie-Wellenlänge
Übung 7-2
Anwendung 7-1 Elektronenmikroskopie
7.2 Die Dynamik mikroskopischer Systeme
7.2.1 Die Schrödingergleichung
Begründung 7-1 Herleitung der De-Broglie-Relation aus der Schrödingergleichung
7.2.2 Die bornsche Interpretation der Wellenfunktion
Beispiel 7-3 Die Interpretation einer Wellenfunktion
Hinweis
Übung 7-3
Die Normierung
Beispiel 7-4 Die Normierung einer Wellenfunktion
Übung 7-4
Die Quantisierung
Kommentar 7-2
Kommentar 7-3
7.3 Prinzipien der Quantenmechanik
7.3.1 Die Informationen in der Wellenfunktion
Die Wahrscheinlichkeitsdichte
Kommentar 7-4
Operatoren, Eigenwerte und Eigenfunktionen
Beispiel 7-5 Die Bestimmung einer Eigenfunktion
Übung 7-5
Die Konstruktion von Operatoren
Kommentar 7-5
Beispiel 7-6 Die Berechnung des Werts einer Observablen
Übung 7-6
Kommentar 7-6
Hermitesche Operatoren
Begründung 7-2 Die Hermitizität des Impulsoperators
Übung 7-7
Begründung 7-3 Eigenwerte hermitescher Operatoren
Begründung 7-4 Die Orthogonalität von Wellenfunktionen
Ein praktisches Beispiel
Übung 7-8
Superpositionen und Erwartungswerte
Kommentar 7-7
Begründung 7-5 Der Erwartungswert eines Operators
Beispiel 7-7 Die Berechnung eines Erwartungswertes
Übung 7-9
7.3.2 Die Unbestimmtheitsrelation
Beispiel 7-8 Die Auswirkungen der Unbestimmtheitsrelation
Übung 7-10
Begründung 7-6 Die Berechnung des Kommutators von Ort und Impuls
7.3.3 Die Postulate der Quantenmechanik
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 7-1: Klassische Mechanik
Das zweite newtonsche Gesetz
Rotationen
Der harmonische Oszillator
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Mathematischer Exkurs 3: Komplexe Zahlen
ME3.1 Definitionen
Ein praktisches Beispiel
ME3.2 Polarform
Ein praktisches Beispiel
ME3.3 Operationen
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Note
8. Quantentheorie: Methoden und Anwendungen
8.1 Translation
8.1.1 Das Teilchen im Kasten
Die akzeptablen Lösungen
Begründung 8-1 Energieniveaus und Wellenfunktionen eines Teilchens im Kasten
Die Eigenschaften der Lösungen
Übung 8-1
Übung 8-2
Kommentar 8-1
Übung 8-3
Beispiel 8-1 Eine Anwendung des Teilchens im Kasten
Übung 8-4
8.1.2 Bewegung in zwei und mehr Dimensionen
Separation der Variablen
Begründung 8-2 Separation der Variablen am Beispiel des Teilchens im zweidimensionalen Kasten
Entartung
Anwendung 8-1 Quantenpunkte
8.1.3 Der Tunneleffekt
Anwendung 8-2 Rastersondenmikroskopie
Beispiel 8-2 Der Ursprung des Tunnelstroms in der Rastertunnelmikroskopie
Übung 8-5
8.2 Schwingung
8.2.1 Die Energieniveaus
Ein praktisches Beispiel
8.2.2 Die Wellenfunktionen
Die Form der Wellenfunktionen
Ein praktisches Beispiel
Beispiel 8-3 Die Normierung der Wellenfunktionen eines harmonischen Oszillators
Übung 8-6
Die Eigenschaften von Oszillatoren
Beispiel 8-4 Die Eigenschaften eines harmonischen Oszillators
Kommentar 8-2
Übung 8-7
8.3 Rotation
8.3.1 Rotation in zwei Dimensionen: Teilchen auf einem Ring
Eine anschauliche Erklärung der Rotationsquantelung
Begründung 8-3 Die Energien und Wellenfunktionen eines Teilchens auf einem Ring
Die Rotationsquantelung
Begründung 8-4 Drehimpulsquantelung
Kommentar 8-3
Kommentar 8-4
8.3.2 Rotation in drei Dimensionen: Teilchen auf einer Kugel
Die Schrödingergleichung
Begründung 8-5 Die Separation der Variablen für ein Teilchen auf einer Kugel
Kommentar 8-5
Drehimpuls
Ein praktisches Beispiel
Übung 8-8
Die Richtungsquantelung
Das Vektormodell
8.3.3 Der Spin
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben2) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Mathematischer Exkurs 4: Differenzialgleichungen
ME4.1 Die Struktur vonDifferenzialgleichungen
Ein praktisches Beispiel
ME4.2 Die Lösung von gewöhnlichen Differenzialgleichungen
Ein praktisches Beispiel
Die Lösung von partiellen Differenzialgleichungen
Notes
9. Atomstruktur und Atomspektren
9.1 Struktur und Spektren wasserstoffähnlicher Atome
Übung 9-1
9.1.1 Die Struktur wasserstoffähnlicher Atome
Separation der Variablen
Die radialen Lösungen
Begründung 9-1 Die Form der radialen Wellenfunktion
Kommentar 9-1
Ein praktisches Beispiel
Übung 9-2
9.1.2 Atomorbitale und ihre Energien
Die Charakterisierung von Orbitalen
Die Energieniveaus
Hinweis
Ionisierungsenergien
Beispiel 9-1 Die spektroskopische Bestimmung einer Ionisierungsenergie
Übung 9-3
Schalen und Unterschalen
s-Orbitale
Beispiel 9-2 Der mittlere Radius eines Orbitals
Übung 9-4
Übung 9-5
Die radiale Verteilungsfunktion
Begründung 9-2 Die allgemeine Form der radialen Verteilungsfunktion
Beispiel 9-3 Die Berechnung des wahrscheinlichsten Abstands
Übung 9-6
p-Orbitale
Begründung 9-3 Linearkombinationen von entarteten Wellenfunktionen
d-Orbitale
9.1.3 Spektroskopische Übergänge und Auswahlregeln
Begründung 9-4 Auswahlregeln
Ein praktisches Beispiel
Übung 9-7
9.2 Die Struktur von Mehrelektronenatomen
9.2.1 Die Orbitalnäherung
Begründung 9-5 Die Orbitalnäherung
Das Heliumatom
Das Pauliprinzip
Kommentar 9-2
Durchdringung und Abschirmung
Das Aufbauprinzip
Begründung 9-6 Die Spinkorrelation
Ionisierungsenergien und Elektronenaffinitäten
Begründung 9-7 Ionisierungsenthalpie und Ionisierungsenergie
9.2.2 Selbstkonsistente Orbitale
9.3 Die Spektren Kompleer Atome
9.3.1 Die Breite von Spektrallinien
Die Dopplerverbreiterung
Begründung 9-8 Die Dopplerverbreiterung
Kommentar 9-3
Die Lebensdauerverbreiterung
Hinweis
Ein praktisches Beispiel
9.3.2 Quantendefekte und Ionisierung
9.3.3 Singulett- und Triplettzustände
9.3.4 Spin–Bahn-Kopplung
Kommentar 9-4
Der Gesamtdrehimpuls
Beispiel 9-4 Die Niveaus einer Konfiguration
Übung 9-8
Ein praktisches Beispiel
Die Feinstruktur
Beispiel 9-5 Die Bestimmung der Spin–Bahn-Kopplungskonstante aus einem Atomspektrum
Übung 9-9
9.3.5 Termsymbole und Auswahlregeln
Der Gesamtbahndrehimpuls
Beispiel 9-6 Die Bestimmung des Gesamtbahndrehimpulseseiner Konfiguration
Übung 9-10
Die Multiplizität
Hinweis
Der Gesamtdrehimpuls
Beispiel 9-7 Das Aufstellen von Termsymbolen
Übung 9-11
Auswahlregeln
Anwendung 9-1 Spektroskopie von Sternen
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 9-1: Die Separation von Bewegungen. Die Separation von innerer und äußerer Bewegung
Die Separation von radialer und Winkelbewegung
Zusatzinformationen 9-2: Die Energie der Spin–Bahn-Wechselwirkung
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben2) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Mathematischer Exkurs 5: Vektoren
ME5.1 Addition und Subtraktion
ME5.2 Multiplikation
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
ME5.3 Differenziation
Notes
10. Molekülstruktur
10.1 Die Born–Oppenheimer-Näherung
Kommentar 10-1
10.2 Die Valenzbindungstheorie
10.2.1 Homoatomare zweiatomige Moleküle
Begründung 10-1 Spinpaarung in der VB-Theorie
10.2.2 Vielatomige Moleküle
Übung 10-1
Begründung 10-2 Die Gestalt von sp3 -Hybridorbitalen
Übung 10-2
10.3 Die Molekülorbitaltheorie
10.3.1 Das Wasserstoff-Molekülion
Linearkombinationen von Atomorbitalen
Beispiel 10-1 Die Normierung eines Molekülorbitals
Übung 10-3
Bindende Orbitale
Antibindende Orbitale
10.3.2 Homoatomare zweiatomige Moleküle
σ-Orbitale
Kommentar 10-2
π-Orbitale
Das Überlappungsintegral
Die Elektronenstruktur homoatomarer zweiatomiger Moleküle
Kommentar 10-3
Beispiel 10-2 Die relative Bindungsstärke von Molekülen und Ionen
Übung 10-4
Photoelektronenspektroskopie
Ein praktisches Beispiel
Übung 10-5
10.3.3 Heteroatomare zweiatomige Moleküle
Polare Bindungen
Elektronegativität
Das Variationsprinzip
Kommentar 10-4
Begründung 10-3 Das Variationsprinzip für ein heteroatomares zweiatomiges Molekül
Ein praktisches Beispiel
Übung 10-6
Ein praktisches Beispiel
Übung 10-7
Anwendung 10-1 Die biochemische Reaktivität von O2, N2 und NO
10.4 Mehratomige Moleküle
10.4.1 Die Hückelnäherung
Die Grenzorbitale von Ethen
Die Matrixformulierung der Hückelmethode
Übung 10-8
Beispiel 10-3 Die Bestimmung von Molekülorbitalen durch Matrixdiagonalisierung
Übung 10-9
Die π-Bindungsenergie von Butadien
Beispiel 10-4 Die Berechnung der Delokalisierungsenergie
Übung 10-10
Benzol und die aromatische Stabilität
Kommentar 10-5
10.4.2 Quantenchemie mit Computern
Die Hartree–Fock-Gleichungen
Semiempirische und ab-initio-Verfahren
Ein praktisches Beispiel
Dichtefunktionaltheorie
10.4.3 Die Vorhersage molekularer Eigenschaften
Elektronendichte und elektrostatische Potenzialflächen
Thermodynamische und spektroskopische Eigenschaften
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 10-1: Die Hartree–Fock-Methode
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben2) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Mathematischer Exkurs 6: Matrizen
ME6.1 Definitionen
Ein praktisches Beispiel
ME6.2 Addition und Multiplikation von Matrizen
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
ME6.3 Eigenwertgleichungen
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Notes
11. Molekülsymmetrie
11.1 Die Symmetrieelemente von Körpern
11.1.1 Symmetrieoperationen und Symmetrieelemente
Grundlegende Konventionen
Kriterien für Gruppen
11.1.2 Die Klassifikation von Molekülen nach ihrer Symmetrie
Die Gruppen C1, Ci und Cs
Die Gruppen Cn, Cnv und Cnh
Die Gruppen Dn, Dnh und Dnd
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Die GruppenSn
Die kubischen Gruppen
Ein praktisches Beispiel
Die dreidimensionale Rotationsgruppe
Beispiel 11-1 Die Punktgruppe von Molekülen
Übung 11-1
11.1.3 Konsequenzen der Molekülsymmetrie
Polarität
Chiralität
11.2 Symmetrie in der MO-Theorie und der Spektroskopie
11.2.1 Charaktertafeln und Symmetriebezeichnungen
Darstellungen und Charaktere
Begründung 11-1 Die Darstellung von Symmetrieoperationen
Der Aufbau von Charaktertafeln
Charaktertafeln und Orbitalentartung
Beispiel 11-2 Charaktertafeln und Orbitalentartung
Kommentar 11-1
Übung 11-2
Charaktere und Symmetrieoperationen
Die Klassifikation von Linearkombinationen von Orbitalen
Beispiel 11-3 Die Symmetrierasse von Orbitalen
Übung 11-3
11.2.2 Verschwindende Integrale und Orbitalüberlappung
Wann sind Integrale null?
Beispiel 11-4 Eine Symmetriebetrachtung für Integrale (1)
Übung 11-4
Ein praktisches Beispiel
Übung 11-5
Die Überlappung von Orbitalen
Beispiel 11-5 Welche Orbitale können zur Bindung beitragen?
Übung 11-6
Symmetrieadaptierte Linearkombinationen
Ein praktisches Beispiel
11.2.3 Verschwindende Integrale und Auswahlregeln
Beispiel 11-6 Eine Symmetriebetrachtung für Integrale (2)
Übung 11-7
Beispiel 11-7 Die Herleitung einer Auswahlregel
Übung11-8
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Anwendungsaufgaben
Note
12. Molekülspektroskopie 1:Rotations- und Schwingungsspektren
12.1 Allgemeine Merkmale spektroskopischer Methoden
12.1.1 Experimentelle Grundlagen
12.1.2 Auswahlregeln und Übergangsmomente
Anwendung 12-1 Rotations- und Schwingungsspektroskopie des interstellaren Raums
12.2 Reine Rotationsspektren
12.2.1 DasTrägheitsmoment
Beispiel 12-1 Das Trägheitsmoment eines Moleküls
Übung 12-1
Hinweis
12.2.2 Die Energieniveaus der Rotation
Sphärische Kreisel
Symmetrische Kreisel
Hinweis
Beispiel 12-2 Die Rotationsniveaus eines Moleküls
Übung 12-2
Lineare Kreisel
Die Entartung der Rotationsniveaus und der Starkeffekt
DieZentrifugaldehnung
12.2.3 Rotationsübergänge
Auswahlregeln für Rotationsübergänge
Ein praktisches Beispiel
Übung 12-3
Das Aussehen von Rotationsspektren
Beispiel 12-3 Das Aussehen eines Rotationsspektrums
Übung 12-4
12.2.4 Rotations-Ramanspektren
Beispiel 12-4 Die Vorhersage eines Ramanspektrums
Übung 12-5
12.2.5 Kernstatistik und Rotationszustände
Begründung 12-1 Der Einfluss der Kernstatistik auf Rotationsspektren
12.3 Die Schwingung zweiatomiger Moleküle
12.3.1 Molekülschwingungen
Hinweis
Ein praktisches Beispiel
12.3.2 Auswahlregeln für Schwingungsübergänge
Ein praktisches Beispiel
Übung 12-6
12.3.3 Anharmonizität
Die Konvergenz der Energieniveaus
Die Birge–Sponer-Extrapolation
Beispiel 12-5 Die Birge–Sponer-Extrapolation
Übung 12-7
12.3.4 Rotationsschwingungsspektren
Die Zweigstruktur des Spektrums
Kombinationsdifferenzen
12.3.5 Schwingungs-Ramanspektren zweiatomiger Moleküle
12.4 Die Schwingungen mehratomiger Moleküle
12.4.1 Normalschwingungen
Ein praktisches Beispiel
Begründung 12-2 Die Zahl der Schwingungsfreiheitsgrade
12.4.2 Infrarot-Absorptionsspektren mehratomiger Moleküle
Anwendung 12-2 Die Klimaveränderung1)
12.4.3 Schwingungs-Ramanspektren mehratomiger Moleküle
Depolarisation
Resonanz-Ramanspektroskopie
Kohärente Anti-Stokes-Ramanspektroskopie
12.4.4 Die Symmetrie von Normalschwingungen
Beispiel 12-6 Die Symmetrierasse einer Normalschwingung
Übung 12-8
Die Infrarotaktivität von Normalschwingungen
Ein praktisches Beispiel
Übung 12-9
Begründung 12-3 Feststellung der Infrarotaktivität mithilfe der Gruppentheorie
Die Ramanaktivität von Normalschwingungen
Ein praktisches Beispiel
Übung 12-10
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 12-1: Spektrometer
Strahlungsquellen
Das Dispersionselement
Fouriertransformationstechniken
Detektoren
Zusatzinformation 12-2: Auswahlregeln in der Rotations- und Schwingungsspektroskopie
Mikrowellenspektren
Rotations-Ramanspektren
Infrarotspektren
Schwingungs-Ramanspektren
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben2) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
13. Molekülspektroskopie 2: Elektronenübergänge
13.1 Die Eigenschaften elektronischer Übergänge
13.1.1 Transmission und Absorption
Begründung 13-1 Das Lambert–Beer-Gesetz
Ein praktisches Beispiel
13.1.2 Elektronenspektren zweiatomiger Moleküle
Termsymbole
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Kommentar 13-1
Auswahlregeln
Begründung 13-2 Auswahlregeln und Symmetrie
Übung 13-1
Die Schwingungsstruktur
Begründung 13-3 Die Franck–Condon-Näherung
Beispiel 13-1 Die Berechnung eines Franck–Condon-Faktors
Übung 13-2
Die Rotationsstruktur
13.1.3 Elektronenspektren mehratomiger Moleküle
d–d-Übergänge
Charge-Transfer-Übergänge
π* ← πund π* ← n-Übergänge
Zirkulardichroismus
Anwendung 13-1 Der Sehvorgang
13.2 Das Schicksal angeregter Zustände
13.2.1 Fluoreszenz und Phosphoreszenz
Induzierte und spontane strahlende Prozesse
Begründung 13-4 Die Beziehung zwischen den Einsteinkoeffizienten
Fluoreszenz
Phosphoreszenz
Anwendung 13-2 Fluoreszenzmikroskopie
13.2.2 Dissoziation und Prädissoziation
13.2.3 Laser
Besetzungsinversion
Resonator und Lasermoden
Gepulste Laser
Beispiel 13-2 Energie und Leistung eines Lasers
Übung 13-3
Begründung 13-5 Die Entstehung der Phasenkopplung
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 13-1: Beispiele für Laserbauarten
Gaslaser
Exciplexlaser
Farbstofflaser
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Note
14. Molekülspektroskopie 3: Magnetische Resonanz
14.1 Elektronen und Kerne in Magnetfeldern
14.1.1 Die Energien von Elektronen in Magnetfeldern
Kommentar 14-1
14.1.2 Die Energien von Kernen in Magnetfeldern
14.1.3 Magnetresonanzspektroskopie
14.2 Kernspinresonanz
14.2.1 Das NMR-Spektrometer
Begründung 14-1 Intensitäten in NMR-Spektren
14.2.2 Die chemische Verschiebung
Die δ-Skala der chemischen Verschiebung
Hinweis
Ein praktisches Beispiel
Die Entstehung der Abschirmung
Der lokale Beitrag
Ein praktisches Beispiel
Der molekulare Beitrag
Begründung 14-2 Dipolfelder
Der Solvensbeitrag
14.2.3 Die Feinstruktur des Spektrums
Die Energieniveaus gekoppelter Spinsysteme
Kopplungsmuster
Beispiel 14-1 Die Feinstruktur eines Spektrums
Übung 14-1
Der Betrag der Kopplungskonstante
Der Mechanismus der Spin–Spin-Kopplung
Äquivalente Kerne
Begründung 14-3 Die Energieniveaus eines A2-Systems
Stark gekoppelte Kerne
14.2.4 Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse
Ein praktisches Beispiel
Übung 14-2
14.3 Pulstechniken in der NMR
14.3.1 Der Vektor der Magnetisierung
Der Einfluss eines statischen Felds
Die Wirkung eines Radiofrequenzfelds
Zeit- und Frequenzbereich
14.3.2 Spinrelaxation
Longitudinale und transversale Relaxation
Ein praktisches Beispiel
Die Messung der longitudinalen Relaxationszeit T1
Spinechos
Anwendung 14-1 Magnetresonanztomografie
14.3.3 Die Entkopplung von Spins
14.3.4 Der Kern-Overhausereffekt
14.3.5 Zweidimensionale NMR
Ein praktisches Beispiel
14.3.6 NMR in Festkörpern
Die Ursache der Linienbreiten in Festkörpern
Die Reduzierung der Linienbreiten
14.4 Elektronenspinresonanz
14.4.1 Das ESR-Spektrometer
14.4.2 Der g-Faktor
Ein praktisches Beispiel
Übung 14-3
14.4.3 Die Hyperfeinstruktur
Der Einfluss des Kernspins
Beispiel 14-2 Die Hyperfeinstruktur eines ESR-Spektrums
Übung 14-4
Ein praktisches Beispiel
Übung 14-5
Der Ursprung der Hyperfeinwechselwirkung
Anwendung 14-2 Spinsonden
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 14-1: Fouriertransformation des FID-Signals
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben3) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
15. Statistische Thermodynamik 1: Grundlagen
15.1 Die Verteilung von Molekülzuständen
15.1.1 Konfigurationen und Gewichte
Momentane Konfigurationen
Ein praktisches Beispiel
Kommentar 15-1
Übung 15-1
Begründung 15-1 Das statistische Gewicht einer Konfiguration
Kommentar 15-2
Die Boltzmannverteilung
15.1.2 Die molekulare Zustandssumme
Beispiel 15-1 Die Formulierung einer Zustandssumme
Übung 15-2
Die Interpretation der Zustandssumme
Beispiel 15-2 Die Zustandssumme einer äquidistanten Leiter von Energieniveaus
Übung 15-3
Kommentar 15-3
Beispiel 15-3 Die Berechnung von Besetzungszahlen aus der Zutandssumme
Übung 15-4
Näherungen und Faktorisierungen
Begründung 15-2 Die Zustandssumme eines Teilchens in einem eindimensionalen Kasten
Ein praktisches Beispiel
Übung 15-5
15.2 Innere Energie und Entropie
15.2.1 Die Innere Energie
Die Beziehung zwischen U und q
Ein praktisches Beispiel
Der Wert von β
Begründung 15-3 Die Innere Energie eines idealen Gases
15.2.2 Die statistische Definition der Entropie
Begründung 15-4 Die statistische Entropie
Beispiel 15-4 Die Entropie eines Systems von Oszillatoren
Übung 15-6
Anwendung 15-1 Die Erreichung sehr tiefer Temperaturen
15.3 Die kanonische Zustandssumme
15.3.1 Das kanonische Ensemble
Das Konzept des Ensembles
Die dominierende Konfiguration
Die wahrscheinlichste Energie des Systems
15.3.2 Die thermodynamische Information in der Zustandssumme
Die Innere Energie
Die Entropie
15.3.3 Unabhängige Moleküle
Begründung 15-5 Der Zusammenhang zwischen Q und q
Unterscheidbare und nicht unterscheidbare Moleküle
Die Entropie eines einatomigen Gases
Begründung 15.6 Die Sackur-Tetrode-Gleichung
Beispiel 15-5 Eine Anwendung der Sackur-Tetrode-Gleichung
Übung 15-7
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 15-1: Die Boltzmannverteilung
Die Herleitung
Unbestimmte Multiplikatoren
Zusatzinformationen 15-2: Die Boltzmanngleichung
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Note
16. Statistische Thermodynamik 2: Anwendungen
16.1 Grundlegende Beziehungen
16.1.1 Die Berechnung thermodynamischer Funktionen
Die Freie Energie
Der Druck
Beispiel 16-1 Die Herleitung einer Zustandsgleichung
Übung 16-1
Die Enthalpie
Die Freie Enthalpie
16.1.2 Die molekulare Zustandssumme
Der Beitrag der Translation
Der Beitrag der Rotation
Beispiel 16-2 Die explizite Berechnung der Rotationszustandssumme
Übung 16-2
Begründung 16-1 Der Rotationsbeitrag zur molekularen Zustandssumme
Begründung 16-2 Die Ursprung der Symmetriezahl
Der Beitrag der Schwingung
Beispiel 16-3 Die Berechnung einer Schwingungszustandssumme
Übung 16-3
Der elektronische Beitrag
Die Gesamtzustandssumme
Beispiel 16-4 Die Berechnung einer thermodynamischen Funktion aus spektroskopischen Daten
Übung 16-4
16.2 Anwendungen der statistischen Thermodynamik
16.2.1 Mittlere Energien
Die mittlere Translationsenergie
Die mittlere Rotationsenergie
Die mittlere Schwingungsenergie
16.2.2 Wärmekapazitäten
Die einzelnen Beiträge zur Wärmekapazität
Kommentar 16-1
Die gesamte Wärmekapazität
Ein praktisches Beispiel
Übung 16-5
16.2.3 Zustandsgleichungen
Ein praktisches Beispiel
16.2.4 Wechselwirkungen in Flüssigkeiten
Die radiale Verteilungsfunktion
Die Berechnung von g(r)
Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten
16.2.5 Nullpunktsentropien
Ein praktisches Beispiel
16.2.6 Gleichgewichtskonstanten
Die Beziehung zwischen K und der Zustandssumme
Begründung 16-3 Die Verbindung zwischen Zustandssumme und Gleichgewichtskonstante (1)
Ein Dissoziationsgleichgewicht
Ein praktisches Beispiel
Beiträge zur Gleichgewichtskonstante
Begründung 16-4 Die Verbindung zwischen Zustandssumme und Gleichgewichtskonstante (2)
Kommentar 16-2
Anwendung 16-1 Der Helix-Knäuel-Übergang in Polypeptiden
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 16-1: Die Rotationszustandssumme eines symmetrischen Rotators
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Note
17. Wechselwirkungen zwischen Molekülen
17.1 Elektrische Eigenschaften
17.1.1 Elektrische Dipolmomente
Kommentar 17-1
Übung 17-1
Beispiel 17-1 Die Berechnung eines Dipolmoments
Übung 17-2
Die Polarisierbarkeit
Kommentar 17-2
Begründung 17-1 Polarisierbarkeit und Molekülstruktur
Polarisation
Begründung 17-2 Das thermisch gemittelte Dipolmoment einer Probe
Begründung 17-3 Die Frequenzabhängigkeit von Polarisierbarkeiten
17.1.2 Relative Permittivitäten
Beispiel 17-2 Bestimmung von Dipolmoment und Polarisierbarkeit
Übung 17-3
17.2 Wechselwirkungen zwischen Molekülen
17.2.1 Wechselwirkungen zwischen Dipolen
Die potenzielle Energie der Wechselwirkung
Begründung 17-4 Die Wechselwirkung zwischen einem Punktdipol und einer Punktladung
Beispiel 17-3 Die Wechselwirkung zweier Dipole
Übung 17-4
Kommentar 17-3
Wechselwirkungen zwischen Dipolen
Begründung 17-5 Die Keesomwechselwirkung
Wechselwirkungen zwischen Dipolen und induzierten Dipolen
Wechselwirkungen zwischen induzierten Dipolen
Ein praktisches Beispiel
Wasserstoffbrückenbindungen
Die hydrophobe Wechselwirkung
Die gesamte anziehende Wechselwirkung
Anwendung 17-1 Molekulare Erkennung und Wirkstoffdesign
17.2.2 Abstoßende Beiträge: Die Gesamtwechselwirkung
Anwendung 17-2 Wasserstoffspeicherung in molekularen Clathraten
17.3 Gase und Flüssigkeiten
17.3.1 Wechselwirkungen in Gasen
17.3.2 Die Grenzfläche Flüssigkeit-Gas
Die Oberflächenspannung
Beispiel 17-4 Eine Anwendung der Oberflächenspannung
Übung 17-5
Gekrümmte Oberflächen
Begründung 17-6 Die Laplacegleichung
Die Kapillarwirkung
Ein praktisches Beispiel
17.3.3 Oberflächenschichten
Der Oberflächendruck
Die Thermodynamik von Oberflächenschichten
Begründung 17-7 Die gibbssche Isotherme
17.3.4 Kondensation
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 17-1: Die Dipol-Dipol-Wechselwirkung
Zusatzinformationen 17-2: Grundlagen der Molekularstrahltechnik
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben3) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
18. Materialien 1: Makromoleküle und Selbstorganisation
18.1 Struktur und Dynamik
18.1.1 Die Hierarchie der Strukturen
18.1.2 Statistische Knäuel
Die Ausdehnung von statistischen Knäueln
Ein praktisches Beispiel
Ein praktisches Beispiel
Begründung 18-1 Der Trägheitsradius
Die Konformationsentropie
Ein praktisches Beispiel
Begründung 18-2 Die Konformationsentropie einer frei beweglichen Kette
Ketten mit starren Bindungswinkeln
Partiell starre Knäuel
18.1.3 Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren
Begründung 18-3 Das hookesche Gesetz
18.1.4 Die elektrischen Eigenschaften von Polymeren
Kommentar 18-1
18.1.5 Die Strukturen von biologischen Makromolekülen
Proteine
Nukleinsäuren
18.2 Aggregation und Selbstorganisation
18.2.1 Kolloide
Klassifikation und Herstellung von Kolloiden
Struktur und Stabilität von Kolloiden
Die elektrische Doppelschicht
18.2.2 Mizellen und biologische Membranen
Die Bildung von Mizellen
Doppelschichten, Vesikel und Membranen
Selbstorganisierte Monolagen
18.3 Größe und Form von Makromolekülen
18.3.1 Mittlere Molmassen
Beispiel 18-1 Die Berechnung von zahlen- und massengewichteten mittleren Molmassen
Übung 18-1
18.3.2 Experimentelle Methoden
Hinweis
Massenspektrometrie
Beispiel 18-2 Das Massenspektrum eines Polymers
Übung 18-2
Laser-Lichtstreuung
Begründung 18-4 Die Analyse der Streuintensität
Beispiel 18-3 Die Bestimmung der Größe von Makromolekülen mittels Lichtstreuung
Übung 18-3
Sedimentation
Beispiel 18-4 Die Bestimmung einer Sedimentationskonstante
Übung 18-4
Begründung 18-5 Die Bestimmung der massengewichteten mittleren Molmasse aus Sedimentationsgleichgewichten
Viskositätsmessungen
Beispiel 18-5 Die Bestimmung der Molmasse aus der Grenzviskosität
Übung 18-5
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 18-1: Statistische und nahezu statistische Knäuel
Das eindimensionale frei bewegliche statistische Knäuel
Das dreidimensionalefrei bewegliche statistische Knäuel
Das partiell starre Knäuel
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben3) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
19. Materialien 2: Festkörper
19.1 Kristallografie
19.1.1 Gitter und Elementarzellen
■ Kommentar 19-1
19.1.2 Die Identifikation von Gitterebenen
Beispiel 19-1 Die Anwendung der millerschen Indizes
Übung 19-1
Hinweis
19.1.3 Strukturuntersuchungen
Röntgenbeugung
Das braggsche Gesetz
Ein praktisches Beispiel
Übung 19-2
Übung 19-3
Streufaktoren
Begründung 19-1 Der Streufaktor in Vorwärtsrichtung
Die Elektronendichte
Begriindung 19-2 Der Strukturfaktor
Beispiel 19-2 Die Berechnung des Strukturfaktors
Übung 19-4
Beispiel 19-3 Die Berechnung der Elektronendichte durch Fouriersynthese
Übung 19-5
Das Phasenproblem
Strukturverfei nerung
19.1.4 Neutronen-und Elektronenbeugung
Beispiel 19-4 Die Wellenlänge thermischer Neutronen
Übung 19-6
19.1.5 Metallische Festkörper
Dichte Kugelpackungen
Begründung 19-3 Die Berechnung der Raumerfüllung
Weniger dicht gepackte Strukturen
19.1.6 lonische Festkörper
Struktur
Energie
19.1.7 Molekulare und kovalente Festkörper
Anwendung 19-1 Röntgenkristallografie biologischer Makromoleküle
19.2 Die Eigenschaften von Festkörpern
19.2.1 Mechanische Eigenschaften
Begründung 19-4 Die Beziehung zwischen der Kompressibilität und den zwischenmolekularen Kräften
19.2.2 Elektrische Eigenschaften
Die Entstehung der Bänder
Begründung 19-5 Die Breite eines Bands
Die Besetzung der Orbitale
Isolatoren und Halbleiter
Anwendung 19-2 Nanodrähte
19.2.3 Optische Eigenschaften
Lichtabsorption durch Excitonen in molekularen Festkörpern
Ein praktisches Beispiel
Lichtabsorption durch Metalle und Halbleiter
Ein praktisches Beispiel
Übung 19-7
Nichtlineare optische Effekte
■ Kommentar 19-2
19.2.4 Magnetische Eigenschaften
Die magnetische Suszeptibilität
Permanente magnetische Momente
Ein praktisches Beispiel
Induzierte magnetische Momente
19.2.5 Supraleiter
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 19-1: Lichtemission aus Festkörperlasern und Licht emittierenden Dioden
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Mathematischer Exkurs 7: Fourierreihen und Fouriertransformationen
ME7.1 Fourierreihen
Ein praktisches Beispiel
Übung ME7-1
ME7.2 Fouriertransformationen
Ein praktisches Beispiel
Übung ME7-2
ME7.3 Das Faltungstheorem
Ein praktisches Beispiel
Note
Teil 3. Veränderung
20. Die Bewegung von Molekülen
20.1 Die Bewegung von Molekülen in Gasen
20.1.1 Die kinetische Gastheorie
Druck und Molekülgeschwindigkeiten
Begründung 20-1 Der Druck eines Gases nach der kinetischen Gastheorie
Ein praktisches Beispiel
Begründung 20-2 Die maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung
Beispiel 20-1 Die Berechnung der mittleren Molekülgeschwindigkeit in einem Gas
Übung 20-1
Kommentar 20-1
Die Stoßhäufigkeit
Begründung 20-3 Berechnung der Stoßhäufigkeit mit der kinetischen Gastheorie
Die mittlere freie Weglänge
Anwendung 20-1 Die Sonne als Ball aus idealem Gas
20.1.2 Stöße mit Wänden und Oberflächen
Begründung 20-4 Stöße pro Zeit- und Flächeneinheit
20.1.3 Die Geschwindigkeit der Effusion
Beispiel 20-2 Die Berechnung des Dampfdrucks aus dem Massenverlust
Übung 20-2
20.1.4 Transporteigenschaften idealer Gase
Die phänomenologischen Gleichungen
Die Transportkoeffizienten
20.2 Die Bewegung von Molekülen in Flüssigkeiten
20.2.1 Experimentelle Ergebnisse
20.2.2 Die Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen
20.2.3 Ionenbeweglichkeiten
Die Driftgeschwindigkeit
Ein praktisches Beispiel
Beweglichkeit und Leitfähigkeit
Begründung 20-5 Die Beziehung zwischen Ionenbeweglichkeit und molarer Leitfähigkeit
Ein praktisches Beispiel
Wechselwirkungen zwischen Ionen
Anwendung 20-2 lonenkanäle
20.3 Diffusion
20.3.1 Die thermodynamische Sicht
Das erste ficksche Gesetz der Diffusion
Beispiel 20-3 Die Berechnung einer thermodynamischen Kraft
Übung 20-3
Die Einsteingleichung
Die Stokes-Einstein-Gleichung
Beispiel 20-4 Die Interpretation der Beweglichkeit eines Ions
Übung 20-4
20.3.2 Die Diffusionsgleichung
Begründung 20-6 Die Diffusionsgleichung
Diffusion und Konvektion
Die Lösungen der Diffusionsgleichung
20.3.3 Diffusionswahrscheinlichkeiten
Beispiel 20-5 Die Berechnung der durch Diffusion zurückgelegten Strecke
Übung 20-5
20.3.4 Eine statistische Betrachtung
Ein praktisches Beispiel
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 20-1: Transporteigenschaften idealer Case
Der DifFusionskoeffizient D
Die Wärmeleitfähigkeit
Die Viskosität
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Note
21. Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
21.1 Empirische Reaktionskinetik
21.1.1 Experimentelle Methoden
Die Beobachtung des Reaktionsverlaufs
Beispiel 21-1 Der Druckverlauf während einer Reaktion
Übung 21-1
Experimentelle Methoden in der Praxis
21.1.2 Die Reaktionsgeschwindigkeit
Die Definition der Geschwindigkeit
Ein praktisches Beispiel
Übung 21-2
Geschwindigkeitsgesetze und Geschwindigkeitskonstanten
Ein praktisches Beispiel
Übung 21-3
Die Reaktionsordnung
Die Bestimmung des Geschwindigkeitsgesetzes
Beispiel 21-2 Die Methode der Anfangsgeschwindigkeiten
Übung 21-4
Hinweis
21.1.3 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze
Reaktionen erster Ordnung
Begründung 21-1 Integration des Geschwindigkeitsgesetzes erster Ordnung
Beispiel 21-3 Die kinetische Analyse einer Reaktion erster Ordnung
Übung 21-5
Hinweis
Halbwertszeiten
Reaktionen zweiter Ordnung
Begründung 21-2 Ein integriertes Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung
Begründung 21-3 Ein Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung
21.1.4 Reaktionen in der Nähe des Gleichgewichts
Reaktionen erster Ordnung in der Nähe des Gleichgewichts
Relaxationsmethoden
Begründung 21-4 Die Relaxation ins Gleichgewicht
Beispiel 21-4 Die Analyse eines Temperatursprungexperiments
Übung 21-6
Hinweis
21.1.5 Die Temperaturabhängigkeit von Reaktionsgeschwindigkeiten
Die Arrheniusparameter
Beispiel 21-5 Die Bestimmung der Arrheniusparameter einer Reaktion
Hinweis
Übung 21-7
Die Interpretation der Arrheniusparameter
Kommentar 21-1
Begründung 21-5 Die Interpretation der Aktivierungsenergie
21.2 Geschwindigkeitsgesetze
21.2.1 Elementarreaktionen
21.2.2 Aufeinander folgende Elementarreaktionen
Der Konzentrationsverlauf bei Folgereaktionen
Beispiel 21-6 Die Analyse von Folgereaktionen
Übung 21-8
Quasistationarität
Beispiel 21-7 Anwendung des Quasistationaritätsprinzips
Hinweis
Übung 21-9
Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt
Vorgelagerte Gleichgewichte
Beispiel 21-8 Die Analyse eines vorgelagerten Gleichgewichts
Übung 21-10
Kinetisch und thermodynamisch kontrollierte Reaktionen
Übung 21-11
21.3 Reaktionsmechanismen
21.3.1 Unimolekulare Reaktionen
Der Lindemann–Hinshelwood-Mechanismus
Die Aktivierungsenergie einer zusammengesetzten Reaktion
21.3.2 Die Kinetik von Polymerisationen
Schrittweise Polymerisation
Kettenpolymerisation
Begründung 21-6 Die Geschwindigkeit einer Kettenpolymerisation
21.3.3 Photochemie
Die Quantenausbeute des Primärprozesses
Die Desaktivierung angeregter Singulettzustände
Begründung 21-7 Die Quantenausbeute der Fluoreszenz
Ein praktisches Beispiel
Die Löschung angeregter Zustände
Begründung 21-8 Die Stern–Volmer-Gleichung
Beispiel 21-9 Die Bestimmung einer Löschkonstante
Übung 21-12
Resonanzenergieübertragung
Ein praktisches Beispiel
Anwendung 21-1 Lichtsammelkomplexe in der Photosynthese grüner Pflanzen
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben2) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
22. Reaktionsdynamik
22.1 Reaktive Stöe
22.1.1 Die Stoßtheorie
Stoßzahlen in Gasen
Begründung 22-1 Die Stoßdichte
Die Mindestenergie
Begründung 22-2 Der Stoßquerschnitt
Begründung 22-3 Die Geschwindigkeitskonstante
Diesterische Bedingung
Beispiel 22-1 Die Abschätzung eines sterischen Faktors (1)
Übung 22-1
Beispiel 22-2 Die Abschätzung eines sterischen Faktors (2)
Übung 22-2
Das RRK-Modell
Ein praktisches Beispiel
22.1.2 Diffusionskontrollierte Reaktionen
Zwei Klassen von Reaktionen
Diffusion und Reaktion
Begründung 22-4 Die Lösung der radialen Diffusionsgleichung
Ein praktisches Beispiel
22.1.3 Die Stoffbilanzgleichung
22.2 Die Theorie des Übergangszustands
22.2.1 Die Eyringgleichung
Die Zerfallsgeschwindigkeit des aktivierten Komplexes
Die Konzentration des aktivierten Komplexes
■ Kommentar 22-1
Die Geschwindigkeitskonstante
Stoße strukturloser Teilchen
Beobachtung und Manipulation des aktivierten Komplexes
22.2.2 Thermodynamische Aspekte
Aktivierungsparameter
Reaktionen zwischen lonen
■ Kommentar 22-2
Beispiel 22-3 Der kinetische Salzeffekt
Übung 22-3
22.3 Die Dynamik molekularer Stöße
22.3.1 Reaktive Stöße
Die experimentelle Untersuchung reaktiver Stöße
Zustandsaufgelöste Dynamik
22.3.2 Potenzialhyperflächen
22.3.3 Theoretische und experimentelle Ergebnisse
Der Einfluss der Stoßrichtung
Attraktive und repulsive Hyperflächen
Klassische Trajektorien
Die quantenmechanische Streutheorie
22.4 Die Dynamik des Elektronentransfers
22.4.1 Elektronentransfer in homogenen Systemen
Begründung 22-5.Die Geschwindigkeitskonstante der Elektronenübertragung in Lösung
Der Tunnelprozess
Die Geschwindigkeit der Elektronenübertragung
Experimentelle Ergebnisse
22.4.2 Elektronentransferprozesse an Elektroden
Die Grenzfläche zwischen Elektrode und Lösung
Die Butler-Volmer-Gleichung
Ein praktisches Beispiel
Übung 22-4
Elektrolyse
Galvanische Zellen unter Belastung
Ein praktisches Beispiel
Anwendung 22-1 Brennstoffzellen
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformationen 22-1: Die Freie Aktivierungsenthalpie des Elektronentransfers
Zusatzinformationen 22-2: Die Butler-Volmer-Gleichung
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben3) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Notes
23. Katalyse
23.1 Homogene Katalyse
23.1.1 Merkmale der homogenen Katalyse
23.1.2 Enzyme
Der Michaelis–Menten-Mechanismus der Enzymkatalyse
Begründung 23-1 Die Michaelis–Menten-Gleichung
Die katalytische Effizienz von Enzymen
Beispiel 23-1 Die Bestimmung der katalytischen Effizienz eines Enzyms
Hinweis
Übung 23-1
Mechanismen der Enzymhemmung
Begründung 23-2 Enzymhemmung
Beispiel 23-2 Die Unterscheidung der verschiedenen Arten der Hemmung
Übung 23-2
23.2 Heterogene Katalyse
23.2.1 Wachstum und Struktur von festen Oberflächen
Oberflächenwachstum
Zusammensetzung und Struktur von Oberflächen
Beispiel 23-3 Die Interpretation eines LEED-Musters
Übung 23-3
23.2.2 Adsorption
Physisorption und Chemisorption
Adsorptionsisothermen
Beispiel 23-4 Die Anwendung der Langmuirisotherme
Übung 23-4
Beispiel 23-5 Die Bestimmung der isosteren Adsorptionsenthalpie
Übung 23-5
Beispiel 23-6 Die Verwendung der BET-Isotherme
Übung 23-6
23.2.3 Die Geschwindigkeitvon Oberflächenprozessen
Die Geschwindigkeit der Adsorption
Die Geschwindigkeit der Desorption
Die Beweglichkeit von Teilchen auf Oberflächen
23.2.4 Mechanismen der heterogenen Katalyse
Übung23-7
23.2.5 Die katalytische Aktivität an Oberflächen
Anwendung 23-1 Katalysatoren in der chemischen Industrie
Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick
Zusatzinformationen. Zusatzinformation 23-1: Die BET-Isotherme
Diskussionsfragen
Leichte Aufgaben
Schwerere Aufgaben1) Rechenaufgaben
Theoretische Aufgaben
Anwendungsaufgaben
Note
A. Wegweiser. Gasgesetze (Kapitel 1)
Der Erste Hauptsatz (Kapitel 2)
Der Zweite Hauptsatz (Kapitel 3)
Physikalische Gleichgewichte (Kapitel 4 und 5)
Chemische Gleichgewichte (Kapitel 6)
Statistische Thermodynamik (Kapitel 15 und 16)
B. Tabellen
C. Charaktertafeln. Die Gruppen C1, Cs, Ci
Die Gruppen Cnv
Die Gruppen Dnh
Die kubischen Gruppen
Die Ikosaedergruppe
Sachregister. a
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