Kurzlehrbuch Physikalische Chemie

Peter Atkins ist emeritierter Professor für Chemie am Lincoln College der University of Oxford und Autor international bekannter Chemie-Lehrbücher. Er ist einer der erfolgreichsten und didaktisch besten Lehrbuchautoren weltweit und schrieb zahlreiche Lehrbuch-Klassiker. Julio de Paula ist Professor für Chemie am Lewis and Clark College, Portland, Oregon, USA. Zusammen mit Peter Atkins verfasste er bereits zahlreiche erfolgreiche Lehrbücher, neben der Neuauflage von "Physikalische Chemie" u.a. auch "Physical Chemistry for the Life Sciences".

• Vorwort vHinweise zur Benutzung des Buches xvEnergie, Temperatur und Chemie 11 Die Eigenschaften der Gase 31.1 Das ideale Gas 41.1.1 Die Zustandsgleichung des idealen Gases 61.1.2 Anwendungen der Zustandsgleichung des idealen Gases 91.1.3 Mischungen von Gasen: Der Partialdruck 111.2 Die kinetische Gastheorie 151.2.1 Der Druck eines Gases 151.2.2 Die mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle 181.2.3 Die Maxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung 191.2.4 Diffusion und Effusion 211.2.5 Intermolekulare Stöße 231.3 Reale Gase 251.3.1 Intermolekulare Wechselwirkungen 261.3.2 Die kritische Temperatur 271.3.3 Der Kompressionsfaktor 291.3.4 Die Virialgleichung 301.3.5 Die van-der-Waals-Gleichung 311.3.6 Die Verflüssigung von Gasen 342 Thermodynamik: der Erste Hauptsatz 412.1 Arbeit 422.1.1 System und Umgebung 432.1.2 Volumenarbeit 452.1.3 Reversible Expansion 462.2 Wärme 502.2.1 Konventionen 502.2.2 Wärmekapazität 512.2.3 Kalorimetrie 532.2.4 Der Wärmefluss während einer Expansion 552.3 Innere Energie 552.3.1 Die Innere Energie 562.3.2 Die Innere Energie als Zustandsfunktion 572.3.3 Änderungen der Inneren Energie 572.3.4 Die molekularen Grundlagen der Inneren Energie 592.4 Enthalpie 602.4.1 Die Enthalpie 612.4.2 Enthalpieänderung 612.4.3 Die Temperaturabhängigkeit der Enthalpie 632.5 Physikalische Umwandlungen 652.5.1 Die Enthalpie von Phasenübergängen 662.5.2 Ionisierung und Elektronenanlagerung 692.6 Chemische Umwandlungen 722.6.1 Dissoziationsenthalpien 722.6.2 Verbrennungsenthalpien 752.6.3 Die Kombination von Reaktionsenthalpien 772.6.4 Standardbildungsenthalpien 782.6.5 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie 803 Thermodynamik: der Zweite Hauptsatz 933.1 Die Entropie 943.1.1 Die Richtung spontaner Prozesse 943.1.2 Die Entropie und der Zweite Hauptsatz 953.1.3 Wärmekraftmaschinen, Kühlschränke und Wärmepumpen 973.2 Die Entropieänderung 993.2.1 Die Entropieänderung bei einer Expansion 993.2.2 Die Entropieänderung bei einer Temperaturerhöhung 1003.2.3 Die Entropieänderung bei einem Phasenübergang 1033.2.4 Entropieänderungen in der Umgebung 1053.3 Absolute Entropien 1073.3.1 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 1073.3.2 Die molekulare Interpretation der Entropie 1093.3.3 Nullpunktsentropie 1113.4 Die Freie Enthalpie 1133.4.1 Die Standardreaktionsentropie 1143.4.2 Die Spontaneität chemischer Reaktionen 1143.4.3 Die Beschränkung auf das System 1153.4.4 Die Eigenschaften der Freien Enthalpie 1164 Physikalische Umwandlungen 1254.1 Die Thermodynamik von Phasenübergängen 1264.1.1 Die Stabilitätsbedingung 1264.1.2 Die Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie 1274.1.3 Die Temperaturabhängigkeit der Freien Enthalpie 1304.1.4 Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung 1324.2 Phasendiagramme reiner Substanzen 1344.2.1 Phasengrenzlinien 1344.2.2 Der Verlauf von Phasengrenzlinien 1364.2.3 Charakteristische Punkte im Phasendiagramm 1414.2.4 Die Phasenregel 1424.2.5 Phasendiagramme ausgewählter Substanzen 1444.3 Partielle molare Größen 1464.3.1 Partielles molares Volumen 1474.3.2 Das chemische Potenzial 1484.3.3 Spontane Mischungsprozesse 1504.4 Lösungen 1524.4.1 Ideale Lösungen 1534.4.2 Das chemische Potenzial des Lösungsmittels 1544.4.3 Ideal verdünnte Lösungen 1564.4.4 Das chemische Potenzial des gelösten Stoffes 1594.4.5 Reale Lösungen: Aktivitäten 1614.5 Kolligative Eigenschaften 1624.5.1 Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung 1624.5.2 Osmose 1654.6 Phasendiagramme von Mischungen 1694.6.1 Mischungen flüchtiger Flüssigkeiten 1704.6.2 Flüssig/Flüssig-Phasendiagramme 1724.6.3 Flüssig/Fest-Phasendiagramme 1744.6.4 Das Zonenschmelzverfahren 1774.6.5 Das Nernst’sche Verteilungsgesetz 1785 Chemische Umwandlungen 1895.1 Thermodynamik chemischer Reaktionen 1915.1.1 Die Freie Reaktionsenthalpie 1915.1.2 Die Abhängigkeit der Freien Reaktionsenthalpie von der Zusammensetzung 1935.1.3 Reaktionen im Gleichgewichtszustand 1955.1.4 Die Freie Standardreaktionsenthalpie 1975.2 Die Gleichgewichtskonstante 1995.2.1 Die Zusammensetzung im Gleichgewicht 2005.2.2 Die Beziehung zwischen Gleichgewichtskonstante und Konzentrationen 2035.2.3 Die molekulare Interpretation von Gleichgewichtskonstanten 2045.3 Der Einfluss äußerer Bedingungen auf das Gleichgewicht 2055.3.1 Der Einfluss der Temperatur 2055.3.2 Der Einfluss des Drucks 2085.3.3 Die Gegenwart eines Katalysators 2105.4 Säure-Base-Gleichgewichte 2105.4.1 Die Brønsted-Lowry-Theorie 2115.4.2 Protonierung und Deprotonierung 2125.5 Mehrwertige Säuren 2185.5.1 Sukzessive Deprotonierung 2185.5.2 Speziierung 2195.6 Säure-Base-Gleichgewichte von wässrigen Salzlösungen 2225.6.1 Der pH-Wert von Salzlösungen 2225.6.2 Säure-Base-Titrationen 2245.6.3 Puffer 2285.7 Löslichkeitsgleichgewichte 2295.7.1 Das Löslichkeitsprodukt 2305.7.2 Der Einfluss gemeinsamer Ionen auf die Löslichkeit 2315.7.3 Der Einfluss der Zugabe von Salzen auf die Löslichkeit 2325.8 Ionen in Lösung 2335.8.1 Mittlere Aktivitätskoeffizienten 2345.8.2 Die Debye-Hückel-Theorie 2355.8.3 Die Wanderung von Ionen 2375.9 Elektrochemische Zellen 2405.9.1 Halbreaktionen und Elektroden 2415.9.2 Reaktionen an Elektroden 2445.9.3 Zelltypen 2465.9.4 Die Zellreaktion 2475.9.5 Die Zellspannung 2485.10 Standardpotenziale 2505.10.1 Die Beiträge der einzelnen Elektroden 2505.10.2 Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten aus Standardpotenzialen 2515.10.3 Die Abhängigkeit des Potenzials vom pH-Wert 2525.10.4 Die elektrochemische Reihe 2535.10.5 Die Kombination von Standardpotenzialen 2545.10.6 Bestimmung thermodynamischer Daten aus Standardpotenzialen 2546 Chemische Kinetik 2696.1 Empirische chemische Kinetik 2706.1.1 Die Definition der Reaktionsgeschwindigkeit 2716.1.2 Experimentelle Techniken 2726.2 Geschwindigkeitsgesetze 2746.2.1 Die Geschwindigkeitskonstante 2756.2.2 Die Reaktionsordnung 2766.2.3 Die Bestimmung des Geschwindigkeitsgesetzes 2776.3 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze 2806.3.1 Reaktionen nullter Ordnung 2816.3.2 Reaktionen erster Ordnung 2816.3.3 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A → Produkte 2836.3.4 Reaktionen zweiter Ordnung vom Typ A + B → Produkte 2846.3.5 Halbwertszeiten 2866.4 Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 2886.4.1 Die Arrhenius-Parameter 2886.4.2 Die Stoßtheorie von Reaktionen in der Gasphase 2916.4.3 Die Theorie des Übergangszustands 2936.5 Die Annäherung an den Gleichgewichtszustand 2966.5.1 Gleichgewichte und Reaktionsgeschwindigkeiten 2966.5.2 Relaxation 2996.6 Reaktionsmechanismen 3006.6.1 Elementarreaktionen 3016.6.2 Die Aufstellung von Geschwindigkeitsgesetzen 3026.6.3 Folgereaktionen 3036.6.4 Der Übergangszustand 3046.6.5 Die Näherung des stationären Zustands 3046.6.6 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt 3066.6.7 Kinetische Kontrolle 3076.6.8 Unimolekulare Reaktionen 3076.7 Reaktionen in Lösung 3096.7.1 Aktivierungskontrolle und Diffusionskontrolle 3096.7.2 Diffusion 3116.8 Homogene Katalyse 3156.8.1 Der Michaelis-Menten-Mechanismus der enzymatischen Katalyse 3166.8.2 Analyse der Geschwindigkeiten enzymatisch katalysierter Reaktionen 3186.9 Heterogene Katalyse 3206.9.1 Physisorption und Chemisorption 3216.9.2 Adsorptionsisothermen 3226.9.3 Mechanismen oberflächenkatalysierter Reaktionen 3267 Quantentheorie 3397.1 Die Grundlagen der Quantentheorie 3407.1.1 Der Nachweis diskreter Energieniveaus 3427.1.2 Der Nachweis des Teilchencharakters von Strahlung 3437.1.3 Der Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus 3457.2 Die Dynamik mikroskopischer Systeme 3477.2.1 Die Schrödinger-Gleichung 3487.2.2 Die Born’sche Interpretation 3507.2.3 Die Unschärferelation 3537.3 Translation 3567.3.1 Bewegung in einer Dimension 3567.3.2 Der Tunneleffekt 3607.3.3 Bewegung in zwei Dimensionen 3627.4 Rotation 3657.4.1 Rotation in zwei Dimensionen 3667.4.2 Rotation in drei Dimensionen 3697.5 Schwingung 3727.5.1 Der harmonische Oszillator 3727.5.2 Quantenmechanische Behandlung des harmonischen Oszillators 3738 Der Aufbau der Atome 3818.1 Wasserstoffähnliche Atome 3828.1.1 Die erlaubten Energieniveaus des Wasserstoffatoms 3828.1.2 Quantenzahlen 3858.1.3 Wellenfunktionen: s-Orbitale 3888.1.4 Wellenfunktionen: p- und d-Orbitale 3928.2 Der Aufbau von Mehrelektronenatomen 3948.2.1 Die Orbitalnäherung 3948.2.2 Der Elektronenspin 3958.2.3 Das Pauli-Prinzip 3968.2.4 Durchdringung und Abschirmung 3978.2.5 Das Aufbauprinzip 3988.2.6 Die Besetzung der d-Orbitale 3998.2.7 Die Konfiguration von Kationen und Anionen 4008.2.8 Self-Consistent-Field-Orbitale 4008.3 Die Periodizität der atomaren Eigenschaften 4018.3.1 Der Radius von Atomen und Ionen 4028.3.2 Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität 4038.4 Atomspektroskopie 4068.4.1 Die Spektren wasserstoffähnlicher Atome 4068.4.2 Die Spektren von Mehrelektronenatomen 4078.4.3 Die Spin-Bahn-Kopplung 4108.4.4 Auswahlregeln für Mehrelektronenatome 4119 Die chemische Bindung 4179.1 Die Valence-Bond-Theorie 4189.1.1 Zweiatomige Moleküle 4209.1.2 Mehratomige Moleküle 4229.1.3 Promotion und Hybridisierung 4229.1.4 Resonanz 4269.1.5 Begriffsdefinitionen in der Valence-Bond-Theorie 4279.2 Molekülorbital-Theorie: homonukleare, zweiatomige Moleküle 4289.2.1 Linearkombination von Atomorbitalen 4289.2.2 Bindende und antibindende Orbitale 4309.2.3 Inversionssymmetrie 4319.2.4 Die chemische Bindung in der MO-Theorie 4329.2.5 Die elektronische Struktur homonuklearer, zweiatomiger Moleküle 4339.2.6 Die Konfigurationen homonuklearer, zweiatomiger Moleküle der zweiten Periode 4359.2.7 Die Kriterien für die Bildung von Molekülorbitalen 4379.3 Molekülorbital-Theorie: heteronukleare, zweiatomige Moleküle 4389.3.1 Polare Bindungen 4389.3.2 Die Formulierung von Molekülorbitalen 4399.3.3 Molekülorbital-Diagramme 4419.4 Molekülorbital-Theorie: mehratomige Moleküle 4429.4.1 Die Molekülorbitale von Wasser 4439.4.2 Die Hückel-Methode 4449.4.3 Die Molekülorbitale von Benzol 4479.4.4 Computerchemie 44810 Molekulare Wechselwirkungen 45710.1 Elektrische Eigenschaften von Molekülen 45810.1.1 Elektrische Dipolmomente 45810.1.2 Dipolmomente mehratomiger Moleküle 45910.1.3 Polarisierbarkeit 46210.2 Wechselwirkungen zwischen Molekülen 46310.2.1 Wechselwirkungen zwischen Partialladungen 46310.2.2 Wechselwirkungen zwischen Ladungen und Dipolen 46410.2.3 Wechselwirkungen zwischen Dipolen 46610.2.4 Induzierte Dipolmomente 46810.2.5 Dispersionswechselwirkungen 46810.2.6 Wasserstoffbrückenbindungen 46910.2.7 Der hydrophobe Effekt 47110.2.8 Die Beschreibung der Gesamtwechselwirkung 47111 Molekulare Spektroskopie 47911.1 Allgemeine Aspekte der Spektroskopie 48011.1.1 Spektrometer 48111.1.2 Absorption und Emission 48311.1.3 Die Raman-Streuung 48711.1.4 Linienbreiten 48711.2 Rotationsspektroskopie 49011.2.1 Energieniveaus der Rotation von Molekülen 49011.2.2 Verbotene und erlaubte Rotationszustände 49411.2.3 Die Besetzung von Rotationszuständen im thermischen Gleichgewicht 49511.2.4 Mikrowellenspektroskopie 49711.2.5 Raman-Rotationsspektren 49911.3 Schwingungsspektroskopie 50011.3.1 Schwingungen von Molekülen 50111.3.2 Schwingungsübergänge 50211.3.3 Anharmonizität 50311.3.4 Raman-Schwingungsspektren zweiatomiger Moleküle 50411.3.5 Schwingungen mehratomiger Moleküle 50411.3.6 Rotationsschwingungsspektren 50711.3.7 Raman-Schwingungsspektren mehratomiger Moleküle 50811.4 Elektronenspektroskopie 50911.4.1 Spektren im ultravioletten und sichtbaren Bereich 50911.4.2 Spezielle Arten von Elektronenübergängen 51111.4.3 Untersuchung von Mischungen mittels Elektronenspektroskopie 51211.4.4 Photoelektronenspektroskopie 51411.5 Die Desaktivierung angeregter Zustände 51611.5.1 Fluoreszenz und Phosphoreszenz 51711.5.2 Mechanismus der Desaktivierung angeregter Zustände 51911.5.3 Fluoreszenzlöschung 52011.5.4 Resonanzenergietransfer 52312 Statistische Thermodynamik 53512.1 Die Boltzmann-Verteilung 53612.1.1 Die Besetzung von Zuständen 53612.1.2 Die allgemeine Form der Boltzmann-Verteilung 53712.1.3 Die Ursprünge der Boltzmann-Verteilung 53912.2 Die Zustandssumme 54012.2.1 Die Bedeutung der Zustandssumme 54012.2.2 Die molekulare Zustandssumme 54212.2.3 Die Translationszustandssumme 54312.2.4 Die Rotationszustandssumme 54412.2.5 Die Schwingungszustandssumme 54512.2.6 Die elektronische Zustandssumme 54712.2.7 Die Aussagekraft der molekularen Zustandssumme 54712.3 Der Ursprung thermodynamischer Eigenschaften 54812.3.1 Die Innere Energie 54812.3.2 Die Wärmekapazität 55012.3.3 Die Entropie 55112.3.4 Die Freie Enthalpie 55212.3.5 Die Berechnung der Gleichgewichtskonstante 55413 Magnetische Resonanz 56113.1 Das Prinzip der magnetischen Resonanz 56213.1.1 Kerne in Magnetfeldern 56213.1.2 Die Resonanzbedingung 56413.1.3 Technische Aspekte der NMR 56513.2 Die Auswertung von NMR-Spektren 56613.2.1 Die chemische Verschiebung 56613.2.2 Die Feinstruktur 57013.2.3 Die Ursachen der Spin-Spin-Aufspaltung 57213.2.4 Spinrelaxation 57313.2.5 Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse 57513.3 Elektronenspinresonanz 57613.3.1 Elektronen in Magnetfeldern 57713.3.2 Technische Aspekte der ESR 57813.3.3 Der g-Faktor 57813.3.4 Die Hyperfeinstruktur 57914 Makromoleküle und Selbstorganisation 58714.1 Biologische und synthetische Makromoleküle 58814.1.1 Die mittlere Molmasse 58814.1.2 Strukturmodelle 59014.1.3 Strukturmodelle: Zufallsknäuel 59114.1.4 Strukturmodelle: Polypeptide und Polynucleotide 59214.1.5 Die Vorhersage von Proteinstrukturen 59414.1.6 Mechanische Eigenschaften von Polymeren 59614.1.7 Thermische Eigenschaften von Polymeren 59814.2 Mesophasen und disperse Systeme 59914.2.1 Flüssigkristalle 60014.2.2 Unterteilung disperser Systeme 60114.2.3 Oberfläche, Struktur und Stabilität 60214.2.4 Die elektrische Doppelschicht 60414.2.5 Oberflächen von Flüssigkeiten und der Einfluss von Tensiden 60615 Festkörper 61315.1 Kristallstrukturen 61415.1.1 Die Identifizierung von Kristallebenen 61515.1.2 Die Bestimmung von Kristallstrukturen 61715.1.3 Das Bragg’sche Gesetz 61915.1.4 Experimentelle Techniken 62015.2 Die chemische Bindung in Festkörpern 62215.2.1 Metallische Festkörper 62315.2.2 Ionische Festkörper 62515.2.3 Die elektronische Struktur metallischer und ionischer Festkörper 62715.2.4 Energetische Aspekte der Bindungen in ionischen Festkörpern 62915.2.5 Molekulare Festkörper 63315.2.6 Kovalente Netzwerke 63315.3 Die Eigenschaften von Festkörpern 63415.3.1 Elektrische Eigenschaften von Festkörpern 63515.3.2 Supraleitung 63715.3.3 Optische Eigenschaften von Festkörpern 63815.3.4 Festkörperlaser 63915.3.5 Magnetische Eigenschaften von Festkörpern 640A Anhang 647Anhang 1 Standardintegrale 647Anhang 2 Einheiten 648Anhang 3 Daten 649Stichwortverzeichnis 659

"In meinen Augen das beste Werk zur physikalischen Chemie zur Verwendung an Hochschule für angewandte Wissenschaften."Prof. Dr.-Ing. Gerhard Reich, Hochschule Augsburg "Wissen wird mit Freude und Leidenschaft am Fach und damit wirklich verständlich vermittelt."METALL