Masse m, ein Maß für die Menge einer Substanz (Einheit: Kilogramm, kg).
Das Volumen V , ein Maß für den von der Probe eingenommenen Raum (Einheit: Kubikmeter, m3).
Die Stoffmenge n, ein Maß für die Zahl von Teilchen (Atome, Moleküle oder Formeleinheiten) in der Probe (Einheit: Mol, mol).
Eine extensive Eigenschaft ist eine Eigenschaft die von der Substanzmenge in einer Probe abhängt; eine intensive Eigenschaft ist eine Eigenschaft, die nicht von der Menge der Substanz abhängt. Das Volumen oder die Masse sind beispielsweise extensive Größen, die Massendichte ρ = m/V (Masse dividiert durch Volumen) ist eine intensive Größe.
Die Stoffmenge n (umgangssprachlich auch die „Molzahl“ genannt), ist ein Maß für die Zahl der Teilchen in einer Probe. Die offizielle Bezeichnung dieser Größe ist „Stoffmenge“, oft spricht man aber kurz von der „Menge“. Die Einheit 1 mol ist als die Zahl von Kohlenstoffatomen in exakt 12 g Kohlenstoff 12 definiert. Die Zahl von Teilchen in einem Mol Substanz wird als Avogadrokonstante NA bezeichnet; ihr Zahlenwert ist 6.022 × 1023 mol–1 (NA ist somit eine Konstante mit einer Einheit und keine reine Zahl, weshalb die gelegentlich anzutreffende Bezeichnung „Avogadrozahl“ falsch ist!). Die molare Masse oder Molmasse M einer Substanz (Einheit: formal Kilogramm pro Mol, in der Praxis meist eher Gramm pro Mol, g mol–1) ist die Masse pro Mol Atome, Moleküle oder Formeleinheiten. Die Stoffmenge einer aus bekannten Teilchen bestehenden Probe kann sehr einfach berechnet werden:
(g.1)
Eine Probe kann einem Druck p (Einheit Pascal, Pa; 1 Pa = 1 kg m–1 s–2) ausgesetzt werden. Dieser ist definiert als die einwirkende Kraft F dividiert durch die Fläche A, auf die diese Kraft wirkt. Eine gasförmige Probe übt auf die Wände des Behälters, in dem sie sich befindet, einen Druck aus, da sich ihre Moleküle in einer unaufhörlichen zufälligen Bewegung befinden und eine Kraft auf die Wand ausüben. Die Häufigkeit dieser Stöße ist unter normalen Bedingungen so groß, dass wir die Kraft – und folglich den Druck – als stetig wahrnehmen. Obwohl das Pascal die SI-Einheit (Abschnitt G.6) des Drucks ist, werden Drücke oft auch in bar (1 bar = 105 Pa) oder Atmosphären (1 atm = 101 325 Pa (exakt)) angegeben, die beide dem typischen Druck der uns umgebenden Atmosphäre entsprechen. Da viele physikalischen Eigenschaften von Substanzen vom Druck abhängen, ist es sinnvoll, einen Standarddruck zu wählen, für den man Werte dieser Größen tabelliert. Dieser Standarddruck ist gegenwärtig exakt p⦵ = 1 bar. Auf die Rolle dieses Standarddrucks werden wir in Kapitel 2 zurückkommen.
Um den Zustand einer Probe vollständig festzulegen, müssen wir auch ihre Temperatur T angeben. Formal ist die Temperatur eine Größe, die angibt, in welcher Richtung Energie in Form von Wärme fließen wird, wenn wir zwei Systeme über eine wärmedurchlässige Wand im Kontakt stehen: Energie fließt vom System mit der höheren Temperatur in das System mit der niedrigeren Temperatur. Das Symbol T verwenden wir für die thermodynamische Temperatur, die eine absolute Skala mit dem Anfangspunkt T = 0 ist. Temperaturen oberhalb von T = 0 werden meist auf der Kelvinskala angegeben, in der die Temperaturintervalle in Kelvin (K) eingeteilt sind. Sie ist dadurch definiet, dass man die Temperatur des Tripelpunkts von Wasser (die Temperatur, bei der Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf miteinander im Gleichgewicht stehen) als 273.16 K definiert. Experimentell findet man, dass der Gefrierpunkt von Wasser (der Schmelzpunkt von Eis) bei 1 atm gerade 0.01 K unter dem Tripelpunkt liegt, also bei 273.15 K. Die Kelvinskala ist für alltägliche Temperaturmessungen unbequem, sodass man hier meist die Celsiusskala verwendet, die wir anhand der Kelvinskala als
Hinweis
Die Atom- bzw. Molekülmasse (die Masse eines einzelnen Teilchens, Einheit kg) ist sorgfältig von der molaren Masse (der Masse eines Mols Atome oder Moleküle, Einheit kg mol–1) zu unterscheiden. Relative Atom- oder Molekülmassen (Mr = m/mu, wobei m die Masse des Atoms oder Moleküls und mu die atomare Massenkonstante sind) werden immer noch oft als „Atomgewichte“ oder „Molekulargewichte“ bezeichnet, obwohl es sich bei ihnen um dimensionslose Größen und nicht um Gewichte (Gravitationskräfte auf einen Körper) handelt; selbst die IUPAC folgt diesem schlechten Beispiel „aus historischen Gründen“.
Hinweis
Wir schreiben stets T = 0, nicht T = 0 K. Allgemeine Aussagen in der Wissenschaft sollten immer ohne Bezug auf ein spezielles Einheitensystem formuliert werden. Da T (im Gegensatz zu θ) eine absolute Größe ist, ist ihr kleinster Wert 0, unabhängig davon, aus welcher Temperaturskala wir Werte oberhalb dieses Nullpunkts ausdrücken (wie z. B. die Kelvinskala oder die Rankineskala). Entsprechend schreiben wir auch m = 0 und nicht m = 0 kg oder l = 0 und nicht l = 0 m.
definieren können.
Damit liegt der Gefrierpunkt von Wasser bei 0 °C und sein Siedepunkt (bei 1 atm) bei 100 °C (genauer bei 99.974 °C). In diesem Buch bezeichnen wir mit T immer thermodynamische (absolute) Temperaturen, während wir für Temperaturen aus der Celsiusskala θ (theta) verwenden.
Die Eigenschaften, die den Zustand eines Systems festlegen, sind im Allgemeinen nicht unabhängig voneinander. Das wichtigste Beispiel für eine Beziehung zwischen diesen Größen ist die für das so genannte ideale Gas,
Hierbei ist R die Gaskonstante, eine Fundamentalkonstante (in dem Sinn, dass sie unabhängig von der genauen Natur des Gases ist), deren Wert 8.314 J K–1 mol–1 beträgt. Gleichung (G-3) spielt bei der Beschreibung der Eigenschaften von Gasen in Kapitel 1 eine zentrale Rolle.
G.4 Energie
■ Das Wichtigste in Kürze: (a) Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. (b) Die Gesamtenergie eines Teilchens ist die Summe seiner potenziellen und kinetischen Energien. Die kinetische Energie ist die Energie, die ein System aufgrund seiner Bewegung besitzt; die potenzielle Energie (oder Lageenergie) ist die Energie, die ein System aufgrund seiner Lage oder Position besitzt. (c) Die potenzielle Energie der Coulomb-Wechselwirkung zweier Teilchen in einem Abstand r voneinander ist proportional zu 1/r.
Viele Prozesse in der Chemie hängen mit der Übertragung oder Umwandlung von Energie zusammen; es ist daher unbedingt notwendig, diese Größe exakt zu definieren: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Arbeit ist wiederum eine Bewegung gegen eine Kraft. Die SI-Einheit der Arbeit
