Prinzipien und Anwendungen der Physikalischen Chemie

335 Pages·2016·4.6 MB·German

by  Michael Schrader (auth.)

Michael Schrader
Prinzipien und
Anwendungen der
Physikalischen Chemie
Prinzipien und Anwendungen der
Physikalischen Chemie
Michael Schrader
Prinzipien und
Anwendungen der
Physikalischen Chemie
MichaelSchrader
Freising,Deutschland
ISBN978-3-642-41729-0 ISBN978-3-642-41730-6(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-41730-6
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerSpektrum
©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2016
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus-
drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Das
giltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEin-
speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. indiesem Werkbe-
rechtigtauchohne besondereKennzeichnung nichtzuderAnnahme, dasssolcheNamen imSinneder
Warenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebung alsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenin
diesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnoch
dieAutoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit,Gewähr für den Inhalt des
Werkes,etwaigeFehleroderÄußerungen.
Planung:RainerMünz
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business
Media (www.springer.com)
Vorab möchte ich meinem, von mir
im Studium hoch verehrten, Professor danken.
Herrn Prof. Dr. Dr. h.c. Hermann Schmalzried
Institut für Physikalische Chemie der Universität Hannover
Mitglied der Göttinger Akademie der Wissenschaften,
der Academia Europaea (London) und der Leopoldina (Halle)
Ihm, seinem unnachahmlichen Vorlesungstil
sowie seinen inspirierenden mündlichen Prüfungen
habe ich meine Begeisterung für das Fachgebiet
der Physikalischen Chemie
zu verdanken.
Vorwort
„Vitam impendere vero“
(Das Leben der Wahrheit widmen.)
Decimus Junius Juvenalis (etwa 60–(115±25)), in Satiren, IV, 91
Leitidee der Universität Hannover während meines Studiums
Schön, dass Sie dieses Buch in Augenschein nehmen. Ich hoffe, es stiftet einen hohen
Nutzen für Sie. Dabei zählt ein hoher Wirkungsgrad für viele Ingenieure und Naturwis-
senschaftlergenausowiefürSiebeimLernen.SiewerdenihnspäterindiesemBuchnoch
kennenlernen. Andererseits kann sehr viel aus diesem Fach geschöpft werden, weil viele
Prinzipiensofaszinierendallgemeinsind.DiesesLehrbuchentstandauseinemüberzehn
Jahre kontinuierlich entwickelten Skript und zugehörigen Übungen zur Unterstützung
meiner Lehre im Studiengang Biotechnologie (zunächst Diplom, jetzt B.Sc.) und auch
Bioprozessinformatik(B.Sc.)anderHochschuleamStandortWeihenstephan,inFreising
bei München. Dabei entwickelte sich der Inhalt von der reinen Chemie immer weiter hin
zu den Biowissenschaften, so wie auch mein eigener Werdegang war.
Sie finden in diesem Buch vieles Altbewährte in didaktisch aufbereiteter Form und
dazu neue Verknüpfungen und Themen in einer großen Bandbreite. Zunächst gibt es
ein Kapitel, das die zahlreichen didaktischen Hilfsmittel erläutert. Dort wird auch nä-
her auf die Strukturierung der Inhalte im Buch eingegangen. Als Besonderheit soll hier
nurerwähntwerden,dassüberdieJahreunterschiedlichsteAnwendungenderPhysikali-
schen Chemie gesammelt und aufbereitet wurden; so fanden sich unter anderem Bezüge
zur Gasindustrie, Pharmakologie, Labortechnik, dem Chemieingenieurwesen wie auch
der Bioverfahrenstechnik. Durch viele konkrete Zahlenwerte (recherchiert aus zahlrei-
chen Quellen) und ausgewählten Übungsaufgaben wird die Materie zum Leben erweckt.
Außerdem deckt ein KapitelauchPraktikumsversuche inder PhysikalischenChemieab.
Die Inhalte entsprechen Modulen in Bachelorstudiengängen, die ich seit sieben Jah-
rensounterrichte.DeraninternationalüblicheVorgabenangepassteFormelsatzerlaubt
Ihnen ein sicheres Lernen und den Abgleich mit Ihrer Lehrveranstaltung oder anderen
Angaben im Internet oder der Fachliteratur. Dazu werden auch viele Quellen und Ver-
weise benannt. Zusätzlich spielen auch die Abbildungen eine zentrale Rolle. Teilweise
werdendieseinDateiform(Tabellenkalkulation),mitderMöglichkeitzuweitererVerän-
derung,überdieProduktseitedesVerlags(http://www.springer.com/978-3-642-41729-0)
zusammen mit Lösungen zu den Übungsaufgaben angeboten.
viii
Es bleibt mir jetzt nur noch, Ihnen viel Spaß mit dem Buch zu wünschen, dann kann
sich auch Erfolg einstellen. Hinzu sollte eine ordentliche Prise Ausdauer kommen, die
habe ich in meinem Studium auch gebraucht. Wenn Sie noch das Glück von gut aus-
gebildeten und motivierten Lehrern oder engagierter Mitstudierenden haben, kann gar
nichts mehr schief gehen. Also, auf in die Welt der Physikalischen Chemie, Sie werden
sich wundern, was dort alles beschrieben wird.
Lesen Sie wohl!
Michael Schrader
Freising, im Januar 2016
Danksagung
„Der Mensch bedarf des Menschen sehr
Zu seinem großen Ziele:
Nur in dem Ganzen wirket er,
Viel Tropfen geben erst das Meer,
Viel Wasser treibt die Mühle.“
Friedrich Schiller (1759-1805), in Die Weltweisen
EineGeburtbenötigtneunMonate.DieseErfahrungdurfteichzweimalbegleiten.Diese
„Geburt“ geschah nur in Teilzeit und hat so etwa drei Jahre gedauert. Wenn ich weiter
so vermessen vergleiche, ergeben sich weitere Parallelen. Es gab viele freudige Momen-
te – und anstrengende. Es war immer wieder faszinierend, neue Entwicklungsstadien zu
erkennen.ZwarmusstesichnureinElternteilmitdemwerdendenSprossintensivausein-
andersetzen, dennoch nahm die Zahl der interessierten und tatkräftig unterstützenden
Personen stetig zu.
Mit der „Geburt“ meines ersten Buches geht ein großer Wunsch in Erfüllung. Viele
Personen haben mittlerweile dazu beigetragen, den Inhalt und die Form auf ein sehr
gut überprüftes Niveau zu heben. Ich danke zunächst allen Studierenden unserer Hoch-
schule, die Verbesserungsvorschläge in meinen Lehrveranstaltungen eingebracht haben
oder durch Fragen mitgeteilt haben, was noch nicht richtig klar geworden ist. Zusätz-
lich gilt mein Dank Frau Brigitte Walla, die das Buch aus Sicht einer Studierenden der
Molekularen Biotechnologie an einer Universität (TU München) kommentiert hat. Ein
besonderer Dank geht an meinen Kollegen Prof.Dr.habil. Klaus Peter Zeyer von der
Hochschule München, der aus anderer Perspektive nochmals die fachlichen Inhalte und
dendidaktischenAufbaugeprüfthat.TrotzallerSorgfaltbleibteseineErstauflage.Alle
noch verbliebenen Unklarheiten oder Fehler verantworte ich selbst und möchte sie gerne
in der Zukunft beseitigen. Für Kommentare und Anmerkungen bin ich deshalb jederzeit
dankbar.
Die Erstellung des Satzes erfolgte mit dem kostenfreien LATEX-Paket MikTEX wobei
als Editor TEXnicCenter (ebenfalls frei nutzbar) und WinEdt 7 zum Einsatz kamen.
Donald Knuth kann nicht ausreichend für das mächtige TEX-Satzprogramm gedankt
werden, mit dem die Qualität von naturwissenschaftlichen Texten auch in der äußeren
Formdokumentiertwerdenkann.DabeikamenzahlreicheneuerefreieZusatzpaketezum
EinsatzsowieeineVorlagedesSpringer-Verlags.AbbildungenwurdenüberdasfreiePro-
gramm Inkscape gezeichnet (eine entstand in Gnuplot). Entwürfe wurden dazu teilweise
in OpenOffice oder LibreOffice erstellt. Ohne die Vielfalt von qualitativ so hochwertigen
und dabei freien Software-Paketen hätte ich dieses Projekt wohl nie gestartet.
x
Äußerst dankbar bin ich für die Begeisterungsfähigkeit seitens des Springer-Verlags,
diesesBuchandenMarktzubringen.EsistmireineEhre,michindasVerlagsprogramm
integrieren zu dürfen. Dabei danke ich Frau Merlet Behncke-Braunbeck und Herrn Dr.
Rainer Münz für den Konsens, ein kompaktes, hochwertiges Lehrbuch zu erstellen, das
günstig und parallel als Ebook für die Studierenden verfügbar sein soll. Für die ausdau-
ernde Unterstützung in der arbeitsintensiven Entstehungsphase des Buches danke ich
FrauSabineBartelsundHerrn Dr.RainerMünzsowie FrauDr. AngelikaFallert-Müller
für eine sehr sorgfältige Durchsicht meines Manuskriptes.
Letztendlich danke ich noch meiner Frau und meinen Kindern, die mich lange genug
kennen und einsichtig waren, dass diese „Geburt“ meines ersten Buches für mich jetzt
wichtig war.
Herzlichen Dank an alle!
Michael Schrader
Inhaltsverzeichnis
1 Hinweise zur Benutzung ........................................... 1
1.1 Ausrichtung ......................................................... 1
1.2 Lernhilfen und -kontrollen............................................. 4
2 Einführung in die Arbeits- und Denkweise ......................... 9
2.1 Zielsetzung .......................................................... 9
2.2 Wichtige physikalische und chemische Grundlagen........................ 10
2.2.1Größen und Einheiten............................................ 10
2.2.2Ausgewählte chemische Grundlagen................................ 15
2.3 Gaseigenschaften und Ideale Gasgleichung............................... 19
2.3.1Physikochemische Eigenschaften von Gasen ......................... 21
2.3.2Modellsystem vom idealen Gas .................................... 25
2.3.3Mikroskopisches Modell des idealen Gases .......................... 29
2.4 Reales Verhalten von Gasen ........................................... 31
2.4.1Virialansatz für reale Gase........................................ 32
2.4.2Van-der-Waals-Gleichung ......................................... 35
2.4.3Zweiphasengebiet und kritischer Punkt............................. 36
2.5 Lernkontrolle ........................................................ 42
2.5.1Alles klar? – Verständnisfragen.................................... 43
2.5.2Gekonnt? – Übungsaufgaben...................................... 43
2.6 Literatur zum Kapitel ................................................ 45
3 Basis der Thermodynamik ......................................... 47
3.1 Zielsetzung .......................................................... 47
3.2 Wärme, Energieerhaltung und der Erste Hauptsatz ....................... 48
3.2.1Grundbegriffe der Thermodynamik ................................ 48
3.2.2Innere Energie und Enthalpie ..................................... 52
3.2.3Wärmekapazitäten............................................... 57
3.2.4Volumenarbeit vom idealen Gas und Wärme-Kraft-Maschinen......... 61
3.2.5Gaskühlung bei realen Gasen ..................................... 69
3.3 Umwandlungsenthalpien .............................................. 74
3.3.1Phasenumwandlungsenthalpien.................................... 74
3.3.2Reaktionsenthalpien und -energien................................. 75
3.3.3Berechnung von Reaktionsenthalpien............................... 80
3.3.4Temperatur- und Druckabhängigkeit, Bezug Innere Energie ........... 85
3.4 Entropie und Gibbs’sche Freie Enthalpie ................................ 89
3.4.1Was bedeuten der Zweite Haupsatz und die Entropie?................ 90
3.4.2Dritter Hauptsatz und Standardentropien .......................... 94
3.4.3Gibbs’sche Freie Enthalpie und Gleichgewicht ....................... 101
3.4.4Bezüge zwischen den Zustandsfunktionen und -variablen.............. 103
3.4.5Chemisches Potential ............................................ 106
3.5 Lernkontrolle zur Basis der Thermodynamik............................. 111