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Vorlesung: Criegee-HS Mi. & Fr. 9.45 - 11.15 Uhr Teil A: Thermodynamik PD Dr. Patrick Weis Teil B: KinetikProf. Dr. Marcus Elstner Physikalische Chemie.

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1 Vorlesung: Criegee-HS Mi. & Fr Uhr Teil A: Thermodynamik PD Dr. Patrick Weis Teil B: KinetikProf. Dr. Marcus Elstner Physikalische Chemie I Übungen: HS I & IIDi :00 Uhr Übungsleiter Teil A:Dipl. Chem. Rebecca Kelting Dr. Katerina Mattheis Tutorien: Seminarraum 411, Geb (PC-Turm, 4.OG) Di. 11:30 -12:30 UhrMartin Grüßer Mi. 8:30 - 9:30 UhrMichael Lorenz Mi.11:30 -12:30UhrRainhard Machatschek Do. 9:45 -10:45UhrChristian Schöttle Do.14:00 -15:00UhrConstantin Kohl Fr. 8:30 - 9:30 UhrLorenz Schmidt

2 In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter Studierendenportal https://studium.kit.edu

3 In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter Studierendenportal https://studium.kit.edu

4 In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter Studierendenportal https://studium.kit.edu

5 Passwort: Molekel

6 Klausur: Fr , 14: :30 UhrHS Neue Chemie (Geb ) Nachklausur: Fr , 9: :30 UhrHS Neue Chemie (Geb ) 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-Praktikum bis zu 20 Bonuspunkte (4 Kurztests während der Übungen, je 5 Punkten). Bonuspunkte werden nur für die Klausur, am , nicht für die Nachklausur angerechnet

7 Lehrbücher: (für PC1 und PC2) P. W. Atkins, Julio de Paula, "Physikalische Chemie", Wiley-VCH, Weinheim 4., vollständig überarbeitete Auflage - September ,90 Euro ISBN-10: ISBN-13: 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 2007 ISBN-10: ISBN-13: G. Wedler, "Lehrbuch der Physikalischen Chemie", (5. Auflage, 2004) Wiley-VCH, Weinheim 5., vollst. überarb. u. aktualis. Auflage - August ,90 Euro XXX, 1072 Seiten, Hardcover ISBN-10: ISBN-13: Wiley-VCH, Weinheim Donald A. McQuarrie, John D. Simon, "Physical Chemistry – A Molecular Approach", University Science Books 1999 ISBN

8 1. EINFÜHRUNG: PHYSIKALISCHE CHEMIE

9 Systemgröße makroskopische Welt, mehr als Moleküle wägbare Mengen – mg, g, kg, t mikroskopische Welt, einzelnes Molekül Thermodynamik Quantenmechanik (Theorie der chem. Bindung in Molekülen) Festkörper- theorie Molekül- spektroskopie Festkörper- spektroskopie Kinetik Nanowelt, (abzählbar) viele Moleküle top down bottom up statistische Thermodynamik Kinetik

10 1. EINFÜHRUNG: PHYSIKALISCHE CHEMIE Kurzer Exkurs: Mikroskopische vs. Makroskopische Welt

11 Röntgenstrahlung Fotoplatte Röntgenbeugung

12 λ je nach Winkel θ konstruktive (hell) oder destruktive (dunkel) Interferenzen Wellenlänge (λ) vergleichbar mit Atomabständen

13 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

14 Wie sieht so ein Gerät aus? Rastertunnelmikroskop S canning T unnelling M icroscope (STM) Rasterkraftmikroskop A tomic F orce M icroscope (AFM) Erfinder: Binnig und Rohrer, IBM

15 5 nm = mm Rasterkraft-Bild einer Glimmeroberfläche. Man erkennt die einzelnen Oberflächenatome. Quelle: Digital Instruments

16 Rastertunnel-Bild von Sauerstoff- Atomen, die auf einer Rhodiumoberfläche adsorbiert (chemisorbiert) sind. 4 nm = mm 1 Monolage

17 Rastertunnelbild von Iod-Atomen, die auf einer Platinoberfläche adsorbiert sind. 2.5 nm = mm... ein Iod-Atom fehlt

18 Man kann Atome nicht nur "ertasten", sondern auch bewegen: Ein Ring aus 48 Eisenatomen entsteht. Quelle: Don Eigler, IBM

19 … oder ein Männchen aus einzelnen CO-Molekülen ! Quelle: Don Eigler, IBM

20 Thermodynamik 2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik

21 Systeme: Offen: Stoffaustausch mit Umgebung Wärmeaustausch mit Umgebung Heiz- körper Heiz- kessel Geschlossen: kein Stoffaustausch mit Umgebung Wärmeaustausch mit Umgebung offenes Becherglas mit Wasser Wasserkreislauf einer Wohnungsheizung Wasser in Thermoskanne (mit Deckel) Isoliert (abgeschlossen) kein Stoffaustausch kein Wärmeaustausch

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23 Phase 1 (N 2,O 2,Ar,CO 2 ) ein leeres Glas (mit Luft gefüllt)

24 ein Glas Wasser Phase 1 (N 2,O 2,H 2 O,Ar,CO 2 ) Phase 2 (H 2 O) Phasengrenzfläche

25 ein Glas Wasser mit einem Eiswürfel Phase 1 (N 2,O 2,H 2 O,Ar,CO 2 ) Phase 2 (H 2 O) Phasengrenzflächen Phase 3 (H 2 O)

26 Whiskey on the rocks Phase 1 (N 2,O 2,H 2 O,Ar,CO 2 ) Phase 2 (H 2 O, C 2 H 5 OH) Phasengrenzflächen Phase 3 (H 2 O)

27 ein Glas Wasser mit Öl Phase 1 (N 2,O 2,H 2 O,Ar,CO 2 ) Phasengrenzflächen Phase 3 (H 2 O) Phase 2 (Öl)

28 ein Glas Milch Phase 1 (N 2,O 2,H 2 O,Ar,CO 2 ) Phase 3 (H 2 O) Phase 2 (Öl)

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30 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 2 System 3

31 Thermodynamik 2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik 2.2. Temperatur und Nullter Hauptsatz

32 T(°C) bar P 0 bar p T Gasthermometer Wasserbad Kolben mit Gas Fixpunkt Gefrierpunkt von Wasser 2. Fixpunkt Siedepunkt von Wasser

33 T(K) P p T Kelvin-Skala Wasserbad Kolben mit Gas 0

34 Thermodynamik 2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik 2.2. Temperatur und Nullter Hauptsatz 2.3. Eigenschaften des idealen Gases

35 h Masse m Gesetz von Boyle-Mariotte ideales Gas Kolben, Fläche A 2 m 3 m h/2 h/3 Temperatur konstant ! p ~ 1/V

36 Gesetz von Gay-Lussac (1) Volumen konstant Temperatur variabel h Masse m ideales Gas Kolben, Fläche A T1T1 2 m h 2 * T 1 3 m h 3 * T 1 p ~ T

37 Gesetz von Gay-Lussac (2) Druck konstant Temperatur variabel m h T1T1 m 2h 2 * T 1 3h m 3 * T 1 V ~ T

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40 Isothermen Isobaren

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42 p V m (p,T) T p1p1 T1T1 V1V1 p2p2 T2T2 V2V2

43 p p1p1 T1T1 V1V1 p2p2 T2T2 V2V2 T p 1,V 1,T 1 p 2,V 2,T 2

44 p V m (p,T) p1p1 T1T1 V1V1 p2p2 T2T2 V2V2 T p 1,V 1,T 1 p 2,V 2,T 2 p 2,V *,T 1

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46 Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300K (27°C) Quelle:

47 Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300K (27°C) ideales Gas

48 Molvolumen von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300K (27°C) ideales Gas

49 Molvolumen von Kohlendioxid als Funktion des Drucks Temperatur: 300K (27°C) ideales Gas Meßwerte Quelle:

50 CO 2 Wechselwirkungspotential einiger Moleküle

51 CO 2 N2N2 Wechselwirkungspotential einiger Moleküle

52 CO 2 N2N2 He Wechselwirkungspotential einiger Moleküle

53 Realgasfaktor von Stickstoff als Funktion des Drucks Temperatur: 300K (27°C)

54 Realgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks Temperatur: 300K (27°C) Quelle:NIST

55 300K 400K 500K Realgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks und der Temperatur 1000K Quelle:NIST

56 300K 400K 500K Realgasfaktor von Kohlendioxid als Funktion des Drucks und der Temperatur 1000K Quelle:NIST 715K Boyle-Temperatur:

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58 exp. Werte 500 K – Isotherme von CO 2

59 exp. Werte van der Waals - Gleichung 500 K – Isotherme von CO 2

60 exp. Werte ideales Gasgesetz van der Waals - Gleichung 500 K – Isotherme von CO 2

61 exp. Werte ideales Gasgesetz van der Waals - Gleichung 400 K – Isotherme von CO 2

62 exp. Werte 320 K – Isotherme von CO 2

63 exp. Werte van der Waals - Gleichung 320 K – Isotherme von CO 2

64 exp. Werte ideales Gasgesetz 320 K – Isotherme von CO 2 van der Waals - Gleichung

65 Wendepunkte exp. Werte 310 K – Isotherme von CO 2

66 exp. Wertevan der Waals - Gleichung 310 K – Isotherme von CO 2

67 exp. Werte ideales Gasgesetz van der Waals - Gleichung 310 K – Isotherme von CO 2

68 Sattelpunkt exp. Werte K – Isotherme von CO 2 kritischer Punkt

69 exp. Werte van der Waals - Gleichung K – Isotherme von CO 2 kritischer Punkt

70 exp. Werte ideales Gasgesetz K – Isotherme von CO 2 kritischer Punkt van der Waals - Gleichung

71 Gas 2 Phasen: g+l Flüssig- keit exp. Werte 273 K – Isotherme von CO 2

72 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 CO 2 exp. Werte

73 ideales Gasgesetz van der Waals - Gleichung "van der Waals- Schleifen" Korrektur durch sog. Maxwell-Konstruktion: Horizontale Linie, gleiche Flächen 273 K – Isotherme von CO 2 exp. Werte

74 250 K – Isotherme von CO 2 Flüssig- keit Gas 2 Phasen: g+l

75 250 K – Isotherme von CO 2 negativer Druck ! exp. Werte ideales Gasgesetz van der Waals - Gleichung

76 Zusammenfassung: verschiedene Isothermen von CO 2 Quelle: Engel/Reid 2 Phasen, flüssig + gas Gas Flüssigkeit Oberhalb des kritischen Punktes verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas! "Überkritischer Bereich"

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