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Physikalische Chemie I

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Präsentation zum Thema: "Physikalische Chemie I"—  Präsentation transkript:

1 Physikalische Chemie I
Vorlesung: Criegee-HS Mi. & Fr Uhr Teil A: Thermodynamik PD Dr. Patrick Weis Teil B: Kinetik Prof. Dr. Marcus Elstner Übungen: HS I & II Di :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 Uhr Martin Grüßer Mi. 8: :30 Uhr Michael Lorenz Mi. 11:30 -12:30 Uhr Rainhard Machatschek Do. 9:45 -10:45 Uhr Christian Schöttle Do. 14:00 -15:00 Uhr Constantin Kohl Fr :30 - 9:30 Uhr Lorenz Schmidt

2 In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
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3 In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
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4 In der Vorlesung gezeigte Folien, Übungsblätter
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5 Passwort: Molekel

6 Fr. 18.02.11, 14:30 - 16:30 Uhr HS Neue Chemie (Geb. 30.41)
Klausur: Fr , 14: :30 Uhr HS Neue Chemie (Geb ) Nachklausur: Fr , 9: :30 Uhr HS 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 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 1020 Moleküle
wägbare Mengen – mg, g, kg, t Thermodynamik Festkörper- theorie Festkörper- spektroskopie Kinetik „top down“ „Nanowelt“, (abzählbar) viele Moleküle Systemgröße „bottom up“ Quantenmechanik (Theorie der chem. Bindung in Molekülen) statistische Thermodynamik Kinetik Molekül- spektroskopie „mikroskopische Welt“, einzelnes Molekül

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

11 Fotoplatte Röntgenbeugung Röntgenstrahlung

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

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 Spitze Oberfläche

14 Erfinder: Binnig und Rohrer, IBM Scanning Tunnelling Microscope
Wie sieht so ein Gerät aus? Rastertunnelmikroskop Scanning Tunnelling Microscope (STM) Rasterkraftmikroskop Atomic Force Microscope (AFM) Erfinder: Binnig und Rohrer, IBM

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

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

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

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

20 2.1. Grundbegriffe der Thermodynamik

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

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23 ein „leeres“ Glas (mit Luft gefüllt) Phase 1 (N2,O2,Ar,CO2)

24 ein Glas Wasser Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2) Phasengrenzfläche Phase 2 (H2O)

25 ein Glas Wasser mit einem Eiswürfel
Phase 3 (H2O) Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2) Phasengrenzflächen Phase 2 (H2O)

26 Whiskey on the rocks Phase 3 (H2O) Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2) Phasengrenzflächen Phase 2 (H2O, C2H5OH)

27 ein Glas Wasser mit Öl Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2) Phase 2 (Öl) Phasengrenzflächen Phase 3 (H2O)

28 ein Glas Milch Phase 1 (N2,O2,H2O,Ar,CO2) Phase 2 (Öl) Phase 3 (H2O)

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30 Extensive / Intensive Variablen - Beispiel: 2 Behälter mit Gas
System 2 System 1 System 3 p, V, T,m p, V, T,m p, 2 x V, T, 2 x m

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

32 Gasthermometer P 1 bar 0 bar -273.15 100 T(°C) 1. Fixpunkt
Kolben mit Gas 1 bar Wasserbad 0 bar 100 T(°C) 1. Fixpunkt Gefrierpunkt von Wasser 2. Fixpunkt Siedepunkt von Wasser

33 Kelvin-Skala P p T Kolben mit Gas Wasserbad 273.15 373.15 T(K)

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

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

36 Gesetz von Gay-Lussac (1) h Masse m T1 2 m h 2 * T1 3 m h 3 * T1 p ~ T
ideales Gas Kolben, Fläche A T1 2 m h 2 * T1 3 m h 3 * T1 p ~ T Volumen konstant Temperatur variabel

37 Gesetz von Gay-Lussac (2) m 2h 2 * T1 3h m 3 * T1 m h T1 V ~ T Druck konstant Temperatur variabel

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40 Isothermen Isobaren

41

42 Vm(p,T) V2 T T2 T1 V1 p2 p1 p

43 p Vm(p,T) p1 T1 V1 p2 T2 V2 p2,V2,T2 p1,V1,T1 T

44 p Vm(p,T) p1 T1 V1 p2 T2 V2 p2,V2,T2 p2,V*,T1 p1,V1,T1 T

45

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

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

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

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

50 Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
CO2

51 Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
CO2

52 Wechselwirkungspotential einiger Moleküle
He N2 CO2

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

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

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

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

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58 500 K – Isotherme von CO2 ● exp. Werte

59 500 K – Isotherme von CO2 van der Waals -Gleichung ● exp. Werte

60 500 K – Isotherme von CO2 ideales Gasgesetz van der Waals -Gleichung
● exp. Werte

61 400 K – Isotherme von CO2 ideales Gasgesetz van der Waals -Gleichung
● exp. Werte

62 320 K – Isotherme von CO2 ● exp. Werte

63 320 K – Isotherme von CO2 ● exp. Werte van der Waals -Gleichung

64 320 K – Isotherme von CO2 ideales Gasgesetz ● exp. Werte
van der Waals -Gleichung

65 310 K – Isotherme von CO2 Wendepunkte ● exp. Werte

66 310 K – Isotherme von CO2 van der Waals -Gleichung ● exp. Werte

67 310 K – Isotherme von CO2 ideales Gasgesetz van der Waals -Gleichung
● exp. Werte

68 304.2 K – Isotherme von CO2 kritischer Punkt Sattelpunkt ● exp. Werte

69 304.2 K – Isotherme von CO2 kritischer Punkt van der Waals -Gleichung
● exp. Werte

70 304.2 K – Isotherme von CO2 kritischer Punkt ideales Gasgesetz
van der Waals -Gleichung ● exp. Werte

71 Flüssig-keit 273 K – Isotherme von CO2 ● exp. Werte 2 Phasen: g+l Gas

72 "van der Waals- Schleifen"
273 K – Isotherme von CO2 van der Waals -Gleichung ideales Gasgesetz "van der Waals- Schleifen" vdW-Gleichung in diesem Bereich qualitativ falsch: Druck sinkt, wenn Volumen verkleinert wird! das ist unphysikalisch ● exp. Werte

73 "van der Waals- Schleifen" Korrektur durch sog. Maxwell-Konstruktion:
273 K – Isotherme von CO2 van der Waals -Gleichung ideales Gasgesetz "van der Waals- Schleifen" Korrektur durch sog. Maxwell-Konstruktion: Horizontale Linie, gleiche Flächen ● exp. Werte

74 Flüssig- keit Gas 2 Phasen: g+l 250 K – Isotherme von CO2 ● exp. Werte

75 250 K – Isotherme von CO2 van der Waals -Gleichung ideales Gasgesetz
● exp. Werte negativer Druck !

76 Zusammenfassung: verschiedene Isothermen von CO2 Oberhalb des kritischen Punktes verschwindet der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas! "Überkritischer Bereich" Flüssigkeit Gas 2 Phasen, flüssig + gas Quelle: Engel/Reid

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