Moleküle und Molekülanhäufungen: Eine Einführung in die physikalische Chemie

Atome und Moleküle.- Quantenmechanische Grundvorstellungen.- 1. Wellen-Partikel-Dualität.- 1.1 Licht.- 1.1.1 Partikelnatur von Licht: Photoeffekt.- 1.1.2 Wellennatur von Licht: Beugung.- 1.1.3 Deutung der Experimente.- 1.2 Elektronen.- 1.2.1 Partikelnatur von Elektronen.- 1.2.2 Wellennatur von Elektronen.- 1.2.3 Deutung der Experimente.- Aufgaben.- 2. Stehende Elektronenwellen.- 2.1 Eindimensionale stehende Wellen.- 2.2 Zwei- und dreidimensionale stehende Wellen.- 2.3 Normierung der Amplitudenfunktionen.- 2.4 Orthogonalität der Amplitudenfunktionen.- 2.5 Wellengleichung und Schrödinger-Gleichung.- Aufgaben.- 3. Einfachste Atome und Moleküle.- 3.1 Experimentelle Grundtatsachen.- 3.1.1 Atomspektren.- 3.1.2 Franck-Hertz Versuch.- 3.2 H-Atom.- 3.2.1 Grundzustand.- 3.2.2 Angeregte Zustände.- 3.3 Variationsprinzip.- 3.3.1 Begründung des Variationsprinzips.- 3.3.2 Beispiele für die Anwendung des Variationsprinzips.- 3.4 He+-Ion.- 3.5 H2+-Molekülion.- 3.5.1 Beschreibung durch Kastenwellenfunktionen.- 3.5.2 Beschreibung durch Atomfunktionen.- 3.6 He-Atom.- 3.7 H2-Molekül (2 Elektronen).- 3.8 Nichtexistenz von He2.- 3.9 Li+ H- (Ionenkristall).- 3.10 Bohrsches Atommodell und Korrespondenzprinzip.- Aufgaben.- Aufbau von Atomen und Molekülen.- 4. Periodensystem der Elemente.- Aufgabe.- 5. Bau einfacher Moleküle.- 5.1 Beschreibung durch einfache Bindungsmodelle.- 5.2 Polarität von Bindungen und Elektronegativität.- 5.3 Bindungslängen, Bindungswinkel.- 5.4 Kraftkonstanten, Deformationskonstanten.- Aufgaben.- 6. Hybrid- und Molekülorbitale.- 6.1 Entartung von Energieniveaus.- 6.2 Hybridfunktionen in Atomen und Molekülen mit mehreren Elektronen.- 6.2.1 LiH+, LiH.- 6.2.2 BeH2.- 6.2.3 H2S.- 6.2.4 CH4.- 6.3 Eigenschaften von Elektronenpaarbindungen.- 6.4 Kastenwellenfunktionen.- 6.5 LCAO-Wellenfunktionen.- Aufgaben.- 7. Beschreibung von Molekülen mit Mehrfachbindungen.- 7.1 Eigenschaften von ?-Bindungen.- 7.2 Elektronengasmodell für unverzweigte Moleküle.- 7.3 Elektronenverteilung und Mesomerie.- 7.4 Elektronengasmodell für verzweigte Moleküle.- 7.5 HMO-Modell.- 7.6 Bindungslängen, Dipolmomente.- 7.7 Lichtabsorption: Experimentelle Grundtatsachen.- 7.8 Theoretische Deutung der Lage der Absorptionsmaxima.- 7.8.1 Farbstoffe mit linearem Elektronengas.- 7.8.2 Heteroatome als Sonden für Elektronenverteilung.- 7.8.3 Niveauaufspaltung durch Bindungsalternanz.- 7.8.4 Farbstoffe mit ringförmigem Elektronengas.- Aufgaben.- 8. Stehende Atomkernwellen in Molekülen.- 8.1 Rotationsbewegung der Kerne.- 8.2 Schwingungsbewegung der Kerne.- Aufgaben.- Molekülanhäufungen.- Zwischenmolekulares Wechselspiel und Temperatur.- 9. Zwischenmolekulare Kräfte und Aggregation.- 9.1 Aggregation geladener Bausteine.- 9.1.1 Ionenkristalle.- 9.1.2 Metalle.- 9.2 Aggregation ungeladener Bausteine.- 9.2.1 Dipolkräfte.- 9.2.2 Wasserstoffbrücken.- 9.2.3 Induktionskräfte.- 9.2.4 Dispersionskräfte.- 9.2.5 Molekülkristalle.- Aufgaben.- 10. Temperatur und Wärmebewegung der Moleküle.- 10.1 Kinetische Gastheorie und Temperaturbegriff.- 10.2 Anwendungen der kinetischen Gastheorie.- 10.2.1 Geschwindigkeit der Moleküle.- 10.2.2 Mittlere freie Weglänge.- 10.2.3 Diffusion.- 10.2.4 Viskosität.- 10.3 Wärmebewegung in Flüssigkeiten.- Aufgaben.- 11. Energieverteilung in Molekülanhäufungen.- 11.1 Boltzmannsches Verteilungsgesetz.- 11.2 Anwendungen des Boltzmannschen e-Satzes.- 11.2.1 Schwingungsenergie.- 11.2.2 Rotationsenergie.- 11.2.3 Translationsenergie, Geschwindigkeitsverteilung.- 11.3 Begründung des Boltzmannschen e-Satzes.- Aufgaben.- Größen zur Beschreibung des makroskopischen Verhaltens von Molekülanhäufungen.- 12. Innere Energie U, Wärme Q und Arbeit A.- 12.1 Zustandsänderungen bei konstantem Volumen, Wärmekapazität Cv.- 12.2 Zustandsänderungen bei konstantem Druck, Wärmekapazität Cp.- 12.3 System und Umgebung; Zustandsgrößen.- Aufgaben.- 13. Entropievermehrungsprinzip.- 13.1 Irreversible und reversible Zustandsänderungen.- 13.2 Entropie als Maß für die Unordnung im System.- 13.2.1 Zunahme der Unordnung beim irreversiblen Prozeß.- 13.2.2 Zunahme der Realisierungsmöglichkeiten bei der Expansion eines Gases.- 13.2.3 Abzählen von Realisierungsmöglichkeiten.- 13.2.4 Zunahme der Realisierungsmöglichkeiten beim Temperaturausgleich.- 13.2.5 Zahl der Realisierungsmöglichkeiten eines Atomgases.- 13.2.6 Entropie eines Systems und Entropievermehrung im irreversiblen Prozeß.- Aufgaben.- 14. Zusammenhang zwischen Entropie, reversibler Wärme und Temperatur.- 14.1 Entropieänderung bei Prozessen mit idealen Gasen.- 14.2 Veranschaulichung des Entropiebegriffes an typischen Fällen.- 14.2.1 Verdampfung einer Flüssigkeit.- 14.2.2 Ausströmen eines Gases ins Vakuum.- 14.2.3 Temperaturausgleich.- 14.2.4 Entropie von Stoffen.- 14.3 Entropieänderung bei beliebigen Prozessen. Begründung der Beziehungen (14.10) und (14.11).- 14.3.1 Carnotscher Kreisprozeß.- 14.3.2 Wirkungsgrad einer beliebigen reversibel arbeitenden Wärmekraftmaschine.- 14.3.3 Wirkungsgrad einer nicht reversibel arbeitenden Wärmekraftmaschine.- 14.4 Thermodynamische Temperaturskala.- 14.5 Hauptsätze der Thermodynamik.- Aufgaben.- Energetik und Kinetik chemischer Reaktionen.- 15. Wärmeaustausch bei chemischen Reaktionen.- 15.1 Wärmeaustausch bei konstantem Volumen.- 15.2 Wärmeaustausch bei konstantem Druck, Enthalpie H, Enthalpieänderung ?H.- 15.3 Temperaturabhängigkeit von ?U und ?H.- 15.4 Bildungsenthalpie ?H0B,298 unter Standardbedingungen.- 15.5 Anwendungen.- 15.5.1 Temperatur von Flammen.- 15.5.2 Neutralisationsreaktion.- Aufgaben.- 16. Kriterien für den Ablauf chemischer Reaktionen.- Aufgaben.- 17. Chemisches Gleichgewicht.- 17.1 Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante.- 17.1.1 Reversible Arbeit bei chemischen Reaktionen mit einer gasförmigen Komponente.- 17.1.2 Reversible Arbeit bei chemischer Gasreaktion und Gleichgewichtskonstante.- 17.2 Berechnung der Gleichgewichtskonstanten aus ?H0 und ?S0.- 17.3 Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstante.- 17.4 Freie Energie F und freie Enthalpie G.- Aufgaben.- 18. Chemische Reaktionen in verdünnten Lösungen.- 18.1 ?G bei Reaktionen in Lösung und osmotischer Druck.- 18.2 ?G bei Reaktionen in Lösung aus freien Bildungsenthalpien.- 18.2.1 Lösung neutraler Teilchen.- 18.2.2 Lösung von Ionen.- 18.3 Protonenübertragungsreaktionen.- 18.3.1 Dissoziation einer schwachen Säure (Essigsäure).- 18.3.2 Mehrstufige Dissoziation (Aminosäure).- 18.3.3 Kopplung der Dissoziation mehrerer schwacher Säuren (Essigsäure und Phenol).- 18.4 Elektronenübertragungsreaktionen (Redoxreaktionen).- 18.4.1 Auflösen von Metallen in Säure.- 18.4.2 Gekoppelte Redoxreaktionen.- 18.4.3 Berechnung von Redox-Gleichgewichtskonstanten aus Tabellenwerten.- 18.5 Gruppenübertragungsreaktionen in der Biochemie.- 18.6 Bioenergetik.- Aufgaben.- 19. Ablauf chemischer Reaktionen in elektrochemischen Zellen.- 19.1 ?G und Spannung einer elektrochemischen Zelle.- 19.2 Zellen mit zwei gleichartigen Elektroden.- 19.2.1 Konzentrationsketten mit Metallelektroden.- 19.2.2 Ionentransport in der Kette, Salzbrücke.- 19.2.3 Konzentrationskette mit Gaselektroden.- 19.3 Zellen mit zwei verschiedenartigen Elektroden.- 19.3.1 Wasserstoffelektrode, Standardpotential.- 19.3.2 Redoxreaktionen.- 19.3.3 Redoxreaktionen in einer Pufferlösung.- 19.4 ?G0 und ?G0? aus Standardpotentialen.- 19.4.1 Zusammenhang von ?G0 und E0, ?G0? und E0?.- 19.4.2 Indirekte Bestimmung von ?G0 bzw. ?G0?.- 19.5 Anwendungen von elektrochemischen Zellen.- 19.5.1 Bezugselektroden.- 19.5.2 Glaselektrode.- 19.5.3 Galvanische Elemente.- 19.5.4 Elektrolyse.- 19.5.5 Überspannung.- 19.5.6 Brennstoffzellen.- Aufgaben.- 20. Kinetik chemischer Reaktionen.- 20.1 Reaktionen, die in einer Richtung ablaufen.- 20.1.1 Stoßzahl zwischen Reaktionspartnern im Gas.- 20.1.2 Aktivierung.- 20.1.3 Geschwindigkeitskonstante.- 20.1.4 Reaktionen in Lösung.- 20.1.5 Reaktionsordnungen.- 20.2 Reaktionen, die zum Gleichgewicht führen.- 20.3 Zusammengesetzte Reaktionen.- 20.3.1 Nebenreaktionen.- 20.3.2 Folgereaktionen.- 20.3.3 Kettenreaktionen.- 20.3.4 Autokatalytische Reaktionen.- 20.3.5 Oszillierende chemische Reaktionen.- 20.4 Experimentelle Methoden.- 20.4.1 Mischungsmethoden.- 20.4.2 Störung von Gleichgewichten.- Aufgaben.- 21. Rückblick und Ausblick.- 21.1 Untersuchung komplexer Systeme.- 21.2 Kann Leben durch physikalisch-chemische Prozesse entstehen?.- 21.2.1 Evolution als Lernprozeß.- 21.2.2 Modellfall für den Lernmechanismus.- 21.2.3 Entropievermehrung und Evolution.- 21.2.4 Vorgegebene Struktur als Anstoß zur Bildung eines Lernapparates.- 21.2.5 Molekulare Kooperation, Stagnations- und Durchbruchphasen..- 21.2.6 Ist die spontane Bildung eines Lernmechanismus nicht zu unwahrscheinlich?.- 21.3 Grenzen physikalisch-chemischer Denkansätze.- A. Differentialgleichung der schwingenden Saite.- B. Orthogonalität und Hermitizität.- B.1 Orthogonalitätsbeziehung.- B.2 Hermitizitätsbeziehung.- C. Schrödinger-Gleichung für das H-Atom.- D. Variationsprinzip.- E. Wellenfunktion und Energie des H+2-Ions.- E.1 Exakte Berechnung.- E.2 Schwierigkeiten beim Verständnis der chemischen Bindung.- F. Berechnung der Energie von He.- G. HMO-Verfahren.- H. Elektronengasverfahren (verzweigte Moleküle).- I. Schrödinger-Gleichung für den Rotator.- J. Schrödinger-Gleichung für den harmonischen Oszillator.- K. Berechnung der Energie von Schwingung, Rotation und Translation.- K.1 Schwingungsenergie nach (11.17).- K.2 Rotationsenergie nach (11.26).- K. 3 Translationsenergie nach (11.32).- L. Boltzmannscher e-Satz.- L.1 Maximum von In ?.- L.2 Besetzungszahlen Ni.- M. Berechnung von Cp-Cv.- N. Anzahl ? der Realisierungsmöglichkeiten für ein Gas.- O. Berechnung von S aus der Zustandssumme.- P. Aktivierungsfaktor bei chemischen Reaktionen.- Q. Standardwerte von Zustandsgrößen.