vorlesung: criegee-hs mi. & fr. 9.45 - 11.15 uhr teil a: thermodynamik pd dr. patrick weis teil...
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Vorlesung: Criegee-HS Mi. & Fr. 9.45 - 11.15 Uhr
Teil A: Thermodynamik PD Dr. Patrick Weis
Teil B: Kinetik Prof. Dr. Marcus Elstner
Physikalische Chemie I
Übungen: HS I & II Di. 17.30 - 19:00 Uhr
Übungsleiter Teil A: Dipl. Chem. Rebecca Kelting
Dr. Katerina Mattheis
Tutorien: Seminarraum 411, Geb. 30.44 (PC-Turm, 4.OG)
Di. 11:30 -12:30 Uhr Martin Grüßer Mi. 8:30 - 9:30 Uhr Michael LorenzMi. 11:30 -12:30 Uhr Rainhard MachatschekDo. 9:45 -10:45 Uhr Christian SchöttleDo. 14:00 -15:00 Uhr Constantin KohlFr. 8:30 - 9:30 Uhr Lorenz Schmidt
In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
Studierendenportal
https://studium.kit.edu
vorname.nachname@student.kit.edu
In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
Studierendenportal
https://studium.kit.edu
In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
Studierendenportal
https://studium.kit.edu
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 A4, 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-Praktikumbis 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 PC1 und PC2)
P. W. Atkins, Julio de Paula, "Physikalische Chemie", Wiley-VCH, Weinheim4., vollständig überarbeitete Auflage - September 2006 82,90 EuroISBN-10: 3-527-31546-2ISBN-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 2007ISBN-10: 3-527-31828-3ISBN-13: 978-3-527-31828-5
G. Wedler, "Lehrbuch der Physikalischen Chemie", (5. Auflage, 2004) Wiley-VCH, Weinheim5., vollst. überarb. u. aktualis. Auflage - August 2004 89,90 Euro 2004. XXX, 1072 Seiten, HardcoverISBN-10: 3-527-31066-5ISBN-13: 978-3-527-31066-1 - Wiley-VCH, Weinheim
Donald A. McQuarrie, John D. Simon, "Physical Chemistry – A Molecular Approach", University Science Books 1999ISBN 0-935702-99-7
1. EINFÜHRUNG: PHYSIKALISCHE CHEMIE
Sy
ste
mg
röß
e„makroskopische Welt“, mehr als 1020 Moleküle
wägbare Mengen – mg, g, kg, t
„mikroskopische Welt“, einzelnes Molekül
Thermodynamik
Quantenmechanik (Theorie der chem. Bindung
in Molekülen)
Festkörper-theorie
Molekül-spektroskopie
Festkörper-spektroskopieKinetik
„Nanowelt“, (abzählbar) viele Moleküle
„top down“
„bottom up“
statistischeThermodynamik Kinetik
1. EINFÜHRUNG: PHYSIKALISCHE CHEMIE
Kurzer Exkurs: Mikroskopische vs. Makroskopische Welt
Röntgenstrahlung
Fotoplatte
Röntgenbeugung
Röntgenbeugung
λje nach Winkel θ konstruktive (hell) oder destruktive (dunkel) Interferenzen
Wellenlänge (λ) vergleichbar mit Atomabständen
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
Oberfläche
Spitze
Wie sieht so ein Gerät aus?
Rastertunnelmikroskop
Scanning Tunnelling Microscope
(STM)
Rasterkraftmikroskop
Atomic Force Microscope
(AFM)
Erfinder:
Binnig und Rohrer, IBM
5 nm = 0.000005 mm
Rasterkraft-Bild einer
Glimmeroberfläche.
Man erkennt die
einzelnen Oberflächenatome.
Quelle: Digital Instruments
Quelle: Digital Instruments
Rastertunnel-Bild von Sauerstoff-
Atomen, die
auf einer Rhodiumoberfläche adsorbiert
(chemisorbiert) sind.
4 nm = 0.000004 mm
1 Monolage
Rastertunnelbild von Iod-Atomen, die auf einer
Platinoberfläche adsorbiert sind.
2.5 nm = 0.0000025 mm
... ein Iod-Atom fehlt
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 !
Quelle: Don Eigler, IBM
Thermodynamik
2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik
Systeme:
Offen:
Stoffaustausch mit Umgebung
Wärmeaustausch mit Umgebung
Heiz-körper
Heiz-kessel
Geschlossen:
kein Stoffaustausch mit Umgebung
Wärmeaustausch mit Umgebung
offenes Becherglas
mit WasserWasserkreislauf einer Wohnungsheizung
Wasser inThermoskanne (mit Deckel)
Isoliert (abgeschlossen)
kein Stoffaustausch
kein Wärmeaustausch
Phase 1 (N2,O2,Ar,CO2)
ein „leeres“ Glas
(mit Luft gefüllt)
ein Glas Wasser
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 2 (H2O)
Phasengrenzfläche
ein Glas Wasser mit einem Eiswürfel
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 2 (H2O)
Phasengrenzflächen
Phase 3 (H2O)
Whiskey on the rocks
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 2 (H2O, C2H5OH)
Phasengrenzflächen
Phase 3 (H2O)
ein Glas Wasser mit Öl
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phasengrenzflächen
Phase 3 (H2O)
Phase 2 (Öl)
ein Glas Milch
Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2)
Phase 3 (H2O)
Phase 2 (Öl)
p, V,
T,m
p, V,
T,m
p, 2 x V,
T, 2 x m
Extensive / Intensive Variablen - Beispiel: 2 Behälter mit Gas
System 1 System 2System 3
Thermodynamik
2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik
2.2. Temperatur und Nullter Hauptsatz
T(°C)0 100
1 bar
P
0 bar
p
T
Gasthermometer
Wasserbad
Kolben mit Gas
-273.15
1. Fixpunkt
Gefrierpunkt von Wasser
2. Fixpunkt
Siedepunkt von Wasser
T(K)273.15 373.15
P
p
T
Kelvin-Skala
Wasserbad
Kolben mit Gas
0
Thermodynamik
2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik
2.2. Temperatur und Nullter Hauptsatz
2.3. Eigenschaften des idealen Gases
h
Masse
m
Gesetz von
Boyle-Mariotte
F m g
Fp
A
V A h ideales Gas
Kolben,
Fläche A 2 m3 m
h/2
h/3Temperatur konstant !
p ~ 1/V
Gesetz von
Gay-Lussac (1)
Volumen konstant
Temperatur variabel
h
Masse
m
ideales Gas
Kolben,
Fläche A
T1
2 m
h
2 * T1
3 m
h
3 * T1
p ~ T
Gesetz von
Gay-Lussac (2)
Druck konstant
Temperatur variabel
m
h
T1
m
2h
2 * T1
3h
m
3 * T1
V ~ T
Isothermen
Isobaren
p
Vm(p,T)
T
p1
T1
V1
p2
T2
V2
p
Vm(p,T)
p1
T1
V1
p2
T2
V2
T
p1,V1,T1
p2,V2,T2
p
Vm(p,T)
p1
T1
V1
p2
T2
V2
T
p1,V1,T1
p2,V2,T2
p2,V*,T1
Δp
T
ΔVΔp
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100
Druck (bar)
Mo
lvo
lum
en
(lit
er)
Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks
Temperatur: 300K (27°C)
Quelle:http://webbook.nist.gov/chemistry/
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100
Druck (bar)
Mo
lvo
lum
en
(lit
er)
Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks
Temperatur: 300K (27°C)
ideales Gas
0
0.1
0.2
0.3
0 200 400 600 800 1000
Druck (bar)
Mo
lvo
lum
en
(L
iter)Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks
Temperatur: 300K (27°C)
ideales Gas
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 20 40 60 80 100
Druck (bar)
Mo
lvo
lum
en
(lit
er)
Molvolumen von Kohlendioxid als Funktion des Drucks
Temperatur: 300K (27°C)
ideales Gas
Meßwerte
Quelle:http://webbook.nist.gov/chemistry/
-5
-2.5
0
2.5
5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molekülabstand (nm)
En
erg
ie (
kJ/m
ol)
CO2
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
-5
-2.5
0
2.5
5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molekülabstand (nm)
En
erg
ie (
kJ/m
ol)
CO2
N2
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
-5
-2.5
0
2.5
5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molekülabstand (nm)
En
erg
ie (
kJ/m
ol)
CO2
N2He
Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
0.98
1
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
0 50 100 150 200 250 300
Druck (bar)
Re
alg
as
fak
tor
z
Realgasfaktor von Stickstoff als Funktion des Drucks
Temperatur: 300K (27°C)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
0 200 400 600 800 1000
Druck (bar)
Re
alg
as
fak
tor
z
Realgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks
Temperatur: 300K (27°C)
Quelle:NIST
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
0 200 400 600 800 1000
Druck (bar)
Re
alg
as
fak
tor
z
300K
400K
500KRealgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks und der Temperatur
1000K
Quelle:NIST
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
0 200 400 600 800 1000
Druck (bar)
Re
alg
as
fak
tor
z
300K
400K
500KRealgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks und der Temperatur
1000K
Quelle:NIST
715K
Boyle-Temperatur:
p 0
dzlim 0
dp
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
500 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
van der Waals -Gleichung
500 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
ideales
Gasgesetz
van der Waals -Gleichung
500 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
ideales
Gasgesetz
van der Waals -Gleichung
400 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
320 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Wertevan der Waals -Gleichung
320 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
ideales
Gasgesetz
320 K – Isotherme von CO2
van der Waals -Gleichung
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar) Wendepunkte
● exp. Werte
310 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Wertevan der Waals -Gleichung
310 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
ideales
Gasgesetz
van der Waals -Gleichung
310 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar) Sattelpunkt m T
2
2m T
p0 und
V
p0
V
● exp. Werte
304.2 K – Isotherme von CO2
kritischer Punkt
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
van der Waals -Gleichung
304.2 K – Isotherme von CO2
kritischer Punkt
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
ideales
Gasgesetz
304.2 K – Isotherme von CO2
kritischer Punkt
van der Waals -Gleichung
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
Gas2 Phasen: g+l
Flüssig-keit
● exp. Werte
273 K – Isotherme von CO2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
ideales
Gasgesetz
van der Waals -Gleichung
"van der Waals- Schleifen"
vdW-Gleichung in diesem Bereich qualitativ falsch:
Druck sinkt, wenn Volumen verkleinert wird!
das ist unphysikalisch
273 K – Isotherme von CO2
● exp. Werte
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
ideales
Gasgesetz
van der Waals -Gleichung
"van der Waals- Schleifen"
Korrektur durch sog. Maxwell-Konstruktion:
Horizontale Linie, gleiche Flächen
273 K – Isotherme von CO2
● exp. Werte
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.5 1 1.5 2
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
● exp. Werte
250 K – Isotherme von CO2Flüssig-
keit
Gas2 Phasen: g+l
0
25
50
75
100
125
150
175
200
0 0.5 1 1.5 2
Molvolumen (l/mol)
Dru
ck
(b
ar)
250 K – Isotherme von CO2
negativer Druck !
● exp. Werte
ideales
Gasgesetz
van der Waals -Gleichung
Zusammenfassung:
verschiedene Isothermen von CO2
Quelle: Engel/Reid
2 Phasen, flüssig + gas
Gas
Flü
ssig
keit
Oberhalb des kritischen Punktes verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas!
"Überkritischer Bereich"
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