Physical Chemistry 1


      


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Aktuelle Klausurergebnisse
Die Klausur-Einsicht erfolgt am 23.02.17 von 10:00 bis 12:00 im SR 210 (PC-Neubau, EG)

Alternativtermin für BMC-Studierende: 24.02.17 von 09:00 bis 11:00 in Raum 01-104 (Bau 2221, Büro W.Schärtl, gegenüber SR 107)

  - Klausurergebnisse



Ziele
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.


09.032.136 Vorlesung Physikalische Chemie 1
Inhalt der Vorlesung

0. Mathematische Werkzeuge

0.1 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


Stundeneinteilung der Vorlesung

Std. Nr.  Datum  Themen  Übungen
 01

 Di,.25.10.

Vorbesprechung: Einteilung Übungsgruppen; Vorstellung der Tutoren;  Einführung in die Physikal. Chemie: Abgrenzung/Begriffsdefinition "Was ist Physikalische Chemie?"; Vorstellung der Vorlesungsinhalte  
 02  Mi, 26.10. Mathematische Werkzeuge:  Differenzialrechnung: Funktion; Ableitung; partielle Ableitung, totales Differenzial; Taylorreihen; Integralrechnung: Fundamentalsatz der Diffenrenzial- und Integralrechnung; PC-relevante Integrationsmethoden; Fourierreihen   1 Mathe
 03  Mi, 02.11. Grundbegriffe der Thermodynamik: System und Umgebung; Phase; Gleichgewicht; Zustandsgrößen; Zustandsgleichungen; Zustandsfunktionen; Nullter Hauptsatz der Thermodynamik; Prozessgrößen    2 TD I
 04  Di, 08.11. Ideales Gas: Gesetze von Boyle–Mariotte, Gay-Lussac und Avogadro; ideale Gasgleichung; Partialdruck; Dalton'sches Gesetz; kinetische Gastheorie; mikroskopische Deutung der Temperatur; Geschwindigkeitsverteilung; freie Weglänge  
 05  Mi, 09.11. Reales Gas: van der Waals Gleichung; Virialreihenentwicklung; kritischer Punkt   3 TD II
 06  Di, 15.11. Energie: Erster Hauptsatz der Thermodynamik; mikroskopisches Bild von Arbeit und Wärme; Innere Energie; Enthalpie; Wärmekapazität: Cv und Cp  
 07  Mi, 16.11. U und H als thermodynamische Werkzeuge: Joule–Thomson Effekt; Linde Kühlschrank; Adiabatengleichung   4 TD III
 08  Di, 22.11. Thermochemie: Reaktionswärme, Bildungsenthalpie, Satz von Hess, Born–Haber Kreisprozess  
 09  Mi, 23.11. Entropie: spontane und nicht spontane Prozesse; Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik; Reversibilität; Dritter Hauptsatz der Thermodynamik; Entropie und Wärmekapazität; Entropie und Wahrscheinlichkeit   5 TD IV
 10  Di, 29.11. Wärmekraftmaschinen: Carnotscher Kreisprozess; Wirkungsgrad; Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes; Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts  
 11  Mi, 30.11. Freie Energie und Freie Enthalpie: Gibbs’sche Fundamentalgleichung; Transformation von Zustandsfunktionen; Maxwellbeziehungen   6 TD V
 12  Di, 06.12. Chemisches Potenzial: Partiell molare Freie Enthalpie; Abhängigkeit vom Konzentrationsmaß; Abhängigkeit von p und T; Phasengleichgewichte; Clausius–Clapeyron Gleichung; Gibbs’sche Phasenregel  
 13  Mi, 07.12. Mehrstoffsysteme: Chemisches Potenzial in Mischungen; partiell molare Größen; Gibbs–Duhem Gleichung; Gesetze von Raoult und Henry; Kolligative Eigenschaften   7 TD VI
 14  Di, 13.12. Mischungsvorgänge aus Sicht der Kontinuumsthermodynamik und der Statistischen Mechanik  
 15  Mi, 14.12. Chemisches Gleichgewicht: Kp, Kx und Kc und deren Abhängigkeit von p und T   8 TD VII
 16  Di, 20.12. Transportphänomene: Allgemeine Transportgleichung; Wärme-, Stoff-, Ladungs- und Impulstransport; Diffusion: erstes und zweites Fick’sches Gesetz; Irrflugstatistik; Einstein–Smoluchowski Gleichung.  
 17  Mi, 21.12. Reaktionsgeschwindigkeit: Geschwindigkeitsgesetze; Geschwindigkeitskonstante; Reaktionsordnung; Halbwertszeit   9 KIN I
 18  Di, 10.01. Aktivierungsenergie: Arrheniusgleichung; Stoßtheorie; Maxwell–Boltzmann Verteilung; Zusammenhang zw. Arrhenius- und Van't Hoff Gleichung; Aktivierung anderer Prozesse als chem. Reaktionen am Beispiel Fließen; Prinzip der Katalyse; heterogene Katalyse: Langmuir–Hinshelwood und Eley–Rideal Mechanismus; homogene Katalyse: Michaelis–Menten Mechanismus  
 19  Mi, 11.01. Reaktionsmechanismen: Elementarreaktionen; Folgereaktionen; Parallelreaktionen; Stoßaktivierung; chemisches Gleichgewicht aus kinetischer Sicht  10 KIN II
 20  Di, 17. 01. Elektrostatik I:  Ionenwanderung und elektrische Leitfähigkeit; Überführungszahlen  
 21  Mi, 18.01. Elektrostatik II:  Abweichung vom idealen Verhalten: starke und schwache Elektrolyte  11 EC I
 22  Di, 24.01. Elektrochemie I: Redoxreaktionen; elektrochemische Zellen  
 23  Mi, 25.01. Elektrochemie II: Nernst Gleichung; Batterien und Akkumulatoren; Elektrolyse: Zersetzungsspannung; Überspannung; Faraday Gesetze  12 EC II
 24  Di, 31.01. Ansatz der Statistischen Thermodynamik: Mikro- und Makrozustände; Verteilung und Gewicht  
 25  Mi, 01.02. Boltzmannverteilung: Wahrscheinlichste Verteilung; Zustandssumme; Entartung  13 STD
 26  Di, 07.02. Molekulare und Systemzustandssumme: Konzept der Gesamtheit; Kanonische Zustandssumme; Systeme unabhängiger Teilchen  
 27  Mi, 08.02. Zustandssumme und Thermodynamische Funktionen: Statistische Definition der Entropie; Innere Energie und Zustandssumme; Entropie und Zustandssumme; weitere Thermod. Funkt. aus der Zustandssumme  
 28  Di, 14.02. Q&A