Physical Chemistry 1

 

Di., 10:15 - 11:45, HS C02
Fr., 12:15 - 13:45, HS C03

 


 

Übungen zur Vorlesung

 

Einteilung der Übungsgruppen (s.a.Jogustine)

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Aktuelle Klausurergebnisse

 

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 und Bildungsgeschwindigkeit; Reaktionslaufzahl

2.2 Geschwindigkeitsgesetze
Reaktionsordnung und Molekularität

2.3 Halbwertszeit

2.4 Aktivierungsenergie
Arrheniusgleichung; Stoßtheorie; Maxwell–Boltzmann Verteilung

2.5 Katalyse
Prinzip der Katalyse

2.6 Chemisches Gleichgewicht
Chemisches Gleichgewicht aus kinetischer Perspektive; Zusammenhang zw. Arrhenius- und Van`t Hoff Gleichung

2.7 Reaktionsmechanismen
Elementarreaktionen; Folgereaktionen; Parallelreaktionen; Lindemann–Hinshelwood Mechanismus; Michaelis–Menten Kinetik


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 (Bonusinhalt im Wintersemester)

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,16.04.

Vorbesprechung: Vorstellung der Tutoren; Einführung in die Physikalische Chemie: Abgrenzung/Begriffsdefinition "Was ist Physikalische Chemie?"; Vorstellung der Vorlesungsinhalte

02 Di, 23.04.

Mathematische Werkzeuge: Differenzialrechnung: Funktion, Ableitung, partielle Ableitung, totales Differenzial, Taylorreihen; Integralrechnung: Fundamentalsatz der Diffenrenzial- und Integralrechnung, PC-relevante Integrationsmethoden, Fourierreihen

1 Mathe
03 Fr, 26.04.

Grundbegriffe der Thermodynamik: System und Umgebung; Phase; Gleichgewicht; Zustandsgrößen; Zustandsgleichungen; Zustandsfunktionen; Nullter Hauptsatz der Thermodynamik; Prozessgrößen

04 Di, 30.04.

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

2 TD I
05 Fr, 03.05.

Reales Gas: van der Waals Gleichung; Virialreihenentwicklung; kritischer Punkt

06 Di, 07.05.

Energie: Erster Hauptsatz der Thermodynamik; mikroskopisches Bild von Arbeit und Wärme; Innere Energie; Enthalpie; Wärmekapazität: Cv und Cp

3 TD II
07 Fr, 10.05.

U und H als thermodynamische Werkzeuge: Joule–Thomson Effekt; Linde Kühlschrank; Adiabatengleichung

08 Di, 14.05.

Thermochemie: Reaktionswärme Bildungsenthalpie; Satz von Hess; Born–Haber Kreisprozess

4 TD III
09 Fr, 17.05.

Entropie: spontane und nicht spontane Prozesse; Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik; Reversibilität; Dritter Hauptsatz der Thermodynamik; Entropie und Wärmekapazität; Entropie und Wahrscheinlichkeit

10 Di, 21.05.

Wärmekraftmaschinen: Carnot`scher Kreisprozess; Wirkungsgrad; Formulierungen des Zweiten Hauptsatzes; Unerreichbarkeit des absoluten Nullpunkts

5 TD IV
11 Fr, 24.05.

Freie Energie und Freie Enthalpie: Gibbs’sche Fundamentalgleichung; Transformation von Zustandsfunktionen; Maxwellbeziehungen

12 Di, 28.05.

Chemisches Potenzial: Partiell molare Freie Enthalpie; Abhängigkeit vom Konzentrationsmaß; Abhängigkeit von p und T; Phasengleichgewichte; Clausius–Clapeyron Gleichung; Gibbs’sche Phasenregel

6 TD V
13 Di, 04.06.

Mehrstoffsysteme: Chemisches Potenzial in Mischungen; partiell molare Größen; Gibbs–Duhem Gleichung; Gesetze von Raoult und Henry; Kolligative Eigenschaften

7 TD VI
14 Fr, 07.06.

Mischungsvorgänge aus Sicht der Kontinuumsthermodynamik und der Statistischen Mechanik

15 Di, 11.06.

Chemisches Gleichgewicht: Kp, Kx und Kc und deren Abhängigkeit von p und T

8 TD VII
16 Fr, 14.06.

Transportphänomene: Allgemeine Transportgleichung; Wärme-, Stoff-, Ladungs- und Impulstransport; Diffusion: erstes und zweites Fick’sches Gesetz; Irrflugstatistik; Einstein–Smoluchowski Gleichung.

17 Di, 18.06.

Reaktionsgeschwindigkeit: Geschwindigkeitsgesetze; Geschwindigkeitskonstante; Reaktionsordnung; Halbwertszeit

9 KIN I
18 Di, 25.06.

Aktivierungsenergie: Arrheniusgleichung; Stoßtheorie; Maxwell–Boltzmann Verteilung; Katalyse; chemisches Gleichgewicht aus kinetischer Perspektive; Zusammenhang zw. Arrhenius- und Van't Hoff Gleichung

10 KIN II
19 Fr, 28.06.

Reaktionsmechanismen: Elementarreaktionen; Folgereaktionen; Parallelreaktionen; Stoßaktivierung; Michaelis–Menten Kinetik

20 Di, 02.07.

Elektrostatik I: Ionenwanderung und elektrische Leitfähigkeit; Überführungszahlen

11 EC I
21 Fr, 05.07.

Elektrostatik II: Abweichung vom idealen Verhalten: starke und schwache Elektrolyte

22 Di, 09.07.

Elektrochemie I: Redoxreaktionen; elektrochemische Zellen

12 EC II
23 Fr, 12.07.

Elektrochemie II: Nernst Gleichung; Batterien und Akkumulatoren; Elektrolyse; Zersetzungsspannung; Überspannung; Faraday Gesetze

24 entfällt

Ansatz der Statistischen Thermodynamik: Mikro- und Makrozustände; Verteilung und Gewicht

25 entfällt

Boltzmannverteilung: Wahrscheinlichste Verteilung; Zustandssumme; Entartung

13 STD
26 entfällt

Molekulare und Systemzustandssumme: Konzept der Gesamtheit; Kanonische Zustandssumme; Systeme unabhängiger Teilchen

27 entfällt

Zustandssumme und Thermodynamische Funktionen: Statistische Definition der Entropie; Innere Energie und Zustandssumme; Entropie und Zustandssumme; weitere Thermod. Funkt. aus der Zustandssumme