Vorlesung Physikalische Chemie 1
Dozent:innen: PD Dr. Wolfgang Schärtl; Univ.-Prof. Dr. Sebastian SeiffertKurzname: V. PC 1
Kurs-Nr.: 09.032.136
Kurstyp: Vorlesung
Format: online
Voraussetzungen / Organisatorisches
Ziel dieser Vorlesung ist es, ein grundlegendes Verständnis physikalisch-chemischer Phänomene zu erlangen. Dies beinhaltet zwei Ebenen: erstens eine makroskopisch-phänomenologische Beschreibung der stofflichen Welt, sowie zweitens ein damit verbundenes mikroskopisch-konzeptionelles Modellbild. Auf beiden Ebenen ist die Fähigkeit, grundlegende physikalisch-chemische Probleme als mathematische Gleichungen ausdrücken, diese zu lösen und die Ergebnisse zu interpretieren maßgeblich.Empfohlene Literatur
Peter W. Atkins, Julio de Paula: Physikalische Chemie, Wiley VCHGerd Wedler, Hans-J. Freund: Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley VCH
Hubert Motschmann, Matthias Hofmann: Physikalische Chemie für die Bachelorprüfung, De Gruyter Studium
Inhalt
0. Mathematische Werkzeuge0.1 Differenzialrechnung
Funktion; Ableitung; partielle Ableitung; totales Differenzial; Satz von Schwarz; Taylorreihen
0.2 Integralrechnung
Fundamentalsatz der Differenzial und Integralrechnung; Integrationsregeln; Fourierreihenentwicklung
1. Chemische Thermodynamik
1.1 Grundbegriffe
System und Umgebung; Phase; Zustandsgrößen, Zustandsvariablen und Zustandsfunktionen; Nullter Hauptsatz der Thermodynamik; Prozessgrößen
1.2 Ideales Gas
Gesetze von Boyle–Mariotte, Gay-Lussac und Avogadro; ideale Gasgleichung; Partialdrücke; Gesetz von Dalton
1.3 Kinetische Gastheorie
Mikroskopische Deutung von Temperatur, Geschwindigkeitsverteilung; mittlere Geschwindigkeit; freie Weglänge
1.4 Reales Gas
Van der Waals Gleichung; Virialansatz; kritischer Punkt
1.5 Energie
Erster Hauptsatz der Thermodynamik; Arbeit und Wärme; Innere Energie; Enthalpie; Wärmekapazität: Cv und Cp; U und H als thermodynamische Werkzeuge; Joule–Thomson Effekt, Linde Verfahren, Adiabatengleichung; Thermochemie: Reaktionswärme, Bildungsenthalpie, Satz von Hess, Born–Haber Kreisprozess
1.6 Entropie
Spontane und nicht spontane Prozesse; Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik; Reversibilität; Dritter Hauptsatz der Thermodynamik; Entropie und Wärmekapazität; Entropie und Wahrscheinlichkeit; Entropie als Zustandsfunktion; Carnotscher Kreisprozess; Wirkungsgrad; Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes; Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts
1.7 Freie Energie und Freie Enthalpie
Gibbs’sche Fundamentalgleichung; Transformation von Zustandsfunktionen; Maxwellbeziehungen
1.8 Chemisches Potenzial
Partiell molare Freie Enthalpie; Abhängigkeit vom Konzentrationsmaß; Abhängigkeit von p und T; Phasengleichgewichte; Clausius–Clapeyron Gleichung; Gibbs’sche Phasenregel; chemisches Potenzial in Mischungen; partiell molare Größen; Gibbs–Duhem Gleichung; Gesetze von Raoult und Henry; Kolligative Eigenschaften; Freie Mischungsenthalpie aus Sicht der Kontinuumsthermodynamik und der Statistischen Mechanik; Chemisches Gleichgewicht: Kp, Kx und Kc und deren Abhängigkeit von p und T
2. Chemische Kinetik
2.0 Transportphänomene
Allgemeine Transportgleichung; Wärme-, Stoff-, Ladungs- und Impulstransport; Diffusion: erstes und zweites Fick’sches Gesetz; Irrflugstatistik; Einstein–Smoluchokski Gleichung
2.1 Reaktionsgeschwindigkeit
Verbrauchsgeschwindigkeit vs. Bildungsgeschwindigkeit; Reaktionslaufzahl
2.2 Geschwindigkeitsgesetze
Reaktionsordnung und Molekularität
2.3 Halbwertszeit
2.4 Aktivierungsenergie
Arrheniusgleichung; Stoßtheorie; Maxwell-Boltzmann Verteilung; Zusammenhang zw. Arrhenius- und Van't Hoff Gleichung; Aktivierung anderer Prozesse als chem. Reaktionen am Beispiel Fließen
2.5 Katalyse
Prinzip der Katalyse; heterogene Katalyse: Langmuir–Hinshelwood und Eley–Rideal Mechanismus; homogene Katalyse: Michaelis–Menten Mechanismus
2.6 Reaktionsmechanismen
Elementarreaktionen; Folgereaktionen; Parallelreaktionen; Lindemann–Hinshelwood Mechanismus
2.7 Chemisches Gleichgewicht
Chemisches Gleichgewicht aus kinetischer Perspektive
3. Elektrochemie
3.1 Grundlagen der Elektrostatik
Ionenwanderung und elektrische Leitfähigkeit; Überführungszahlen; Abweichung vom idealen Verhalten: starke und schwache Elektrolyte
3.2 Redoxreaktionen
Halbreaktionsansatz
3.3 Elektrochemische Zellen
Halbzellen; Ladungsdoppelschicht; Elektrodenarten; Normalelektrode
3.4 Elektrochemische Spannungsreihe
Halbzellpotenzial; Elektromotorische Kraft
3.5 Nernst Gleichung
Elektrochemisches Potenzial; pH Elektrode
3.6 Batterien und Akkumulatoren
Leclanché Element; Bleiakkumulator; Brennstoffzelle
3.7 Elektrolyse
Zersetzungsspannung; Überspannung; Faraday Gesetze
4. Statistische Thermodynamik
4.1 Inhalt und Ansatz der Statistischen Thermodynamik
4.2 Grundlagen der Statistischen Thermodynamik
Mikro- und Makrozustände; Verteilung und Gewicht
4.3 Boltzmannverteilung
Wahrscheinlichste Verteilung; Zustandssumme; Entartung
4.4 Molekulare und Systemzustandssumme
Konzept der Gesamtheit; Kanonische Zustandssumme; Systeme unabhängiger Teilchen
4.5 Zustandssumme und Thermodynamische Funktionen
Statistische Definition der Entropie; Innere Energie und Zustandssumme; Entropie und Zustandssumme; weitere Thermodynamische Funktionen aus der Zustandssumme
Termine
| Datum (Wochentag) | Zeit | Ort |
|---|---|---|
| 25.10.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 28.10.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 04.11.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 08.11.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 11.11.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 15.11.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 18.11.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 22.11.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 25.11.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 29.11.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 02.12.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 06.12.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 09.12.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 13.12.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 16.12.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 20.12.2022 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 23.12.2022 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 10.01.2023 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 13.01.2023 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 17.01.2023 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 20.01.2023 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 24.01.2023 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 27.01.2023 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 31.01.2023 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 03.02.2023 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 07.02.2023 (Dienstag) | 10:00 - 12:00 | 00 311 C 02 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |
| 10.02.2023 (Freitag) | 13:00 - 15:00 | 00 315 C 03 2321 - Schulz-Horner-Gebäude |