(cm–1).8 AG.35b Der Ausdruck kT/e tritt in der Physikalischen Chemie häufig auf. Bestimmen Sie seinen Wert bei 298 K in Millielektronenvolt (meV).
9 AG.36a Geben Sie R = 8.3144 J K–1 mol–1 in Kubikdezimeter mal Atmosphäre pro Kelvin pro Mol an.
10 AG.36b Geben Sie R = 8.3144 J K–1 mol–1 in Pascal mal Kubikzentimeter pro Kelvin pro Molekül an.
11 AG.37a Rechnen Sie 1 dm3 atm in Joule um.
12 AG.37b Rechnen Sie 1 J in Liter mal Atmosphäre um.
13 AG.38a Bestimmen Sie die SI-Einheit von e2/ε0 r2. Drücken Sie sie (a) in SI-Basiseinheiten und (b) in einer Einheit aus, die Newton enthält.
14 AG.38b Bestimmen Sie die SI-Einheit von , wobei μB das bohrsche Magneton ist und μ0 die Vakuumpermeabilität (vordere innere Umschlagseite). Drücken Sie sie (a) in SI-Basiseinheiten und (b) in einer Einheit aus, die Joule enthält.
Teil 1
Gleichgewicht
Im ersten Teil dieses Buches werden grundlegende Konzepte ent-wickelt, die für die Diskussion von Gleichgewichten in der Chemie benötigt werden. Gleichgewichten begegnen wir sowohl bei physikalischen Zustandsänderungen der Stoffe wie Schmelzen und Verdampfen als auch bei chemischen Umwandlungen einschließlich elektrochemischer Prozesse. Die zentralen thermodynamischen Begriffe sind hierbei die Enthalpie und die Entropie. Eine einheitliche Behandlung des Gleichgewichts und der Richtung freiwilliger Prozesse ist, wie wir erkennen werden, mithilfe einer speziellen Größe – des chemischen Potenzials – möglich. Teil 1 des Buches beschäftigt sich mit makroskopischen Eigenschaften der Materie; in Teil 2 werden wir untersuchen, wie diese Eigenschaften mit dem individuellen Verhalten der Atome in Verbindung zu bringen sind.
1 1. Die Eigenschaften der Gase Mathematischer Exkurs 1: Differenziation und Integration
3 3. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik
4 4. Physikalische Umwandlungen reiner Stoffe
5 5. Die Eigenschaften einfacher Mischungen
6 6. Das Chemische Gleichgewicht
1
Die Eigenschaften der Gase
3 1.1.2 Die Gasgesetze Anwendung 1-1: Die Gasgesetze und das Wetter
5 1.2.1 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen
6 1.2.2 DieVan-der-Waals-Gleichung Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick Diskussionsfragen Leichte Aufgaben Schwerere Aufgaben
7 Mathematischer Exkurs 1: Differenziation und Integration
■ In diesem Kapitel werden die Eigenschaften der Gase eingeführt, auf die im ganzen weiteren Text zurückgegriffen wird. Wir beginnen mit der Beschreibung einer idealisierten Form eines Gases, dem idealen Gas. Wir werden sehen, wie seine Zustandsgleichung aus dem Experiment hergeleitet werden kann. Danach untersuchen wir, inwiefern sich die Eigenschaften realer Gase von denen des idealen Gases unterscheiden, und stellen eine Zustandsgleichung auf, um ihre Eigenschaften zu beschreiben.
Der einfachste Aggregatzustand der Materie ist der Gaszustand: In dieser Form füllt eine Substanz jedes Gefäß, in das man sie gibt, vollständig aus. Zu Beginn werden wir nur reine Gase betrachten; später werden wir sehen, dass dieselben Grundgedanken und Gleichungen auch auf Gasmischungen angewendet werden können.
1.1 Das ideale Gas
Es ist zweckmäßig, ein Gas als eine Ansammlung von Molekülen (oder Atomen) in kontinuierlicher, zufälliger Bewegung aufzufassen, deren mittlere Geschwindigkeit bei steigender Temperatur wächst. Ein Gas unterscheidet sich von einer Flüssigkeit dadurch, dass die Gasmoleküle – außer bei Zusammenstößen – weit voneinander entfernt sind und ihre Bewegungen von zwischenmolekularen Wechselwirkungen nur in sehr geringem Maß beeinflusst werden.
1.1.1 Die Zustände der Gase
■ Das Wichtigste in Kürze: Jede Substanz wird durch eine Zustandsgleichung beschrieben. (a) Der Druck – eine Kraft dividiert durch eine Fläche – liefert ein Kriterium für das mechanische Gleichgewicht von Systemen, die ihr Volumen ändern können. (b) Zur Messung von Drücken verwendet man ein Manometer. (c) Die Temperatur liefert über den Nullten Hauptsatz der Thermodynamik ein Kriterium für das thermische Gleichgewicht.
Der physikalische Zustand eines Stoffs ist durch seine physikalischen Eigenschaften definiert: Zwei Proben einer Substanz mit gleichen physikalischen Eigenschaften befinden sich im gleichen Zustand. Durch Angabe der Werte für Volumen (V), Stoffmenge (n), Druck (p)und Temperatur (T) wird beispielsweise der Zustand eines reinen Gases spezifiziert. Wie experimentell nachgewiesen wurde, genügt es allerdings, Werte für drei dieser Variablen anzugeben; damit ist der Wert der vierten festgelegt. Mit anderen Worten: Das Experiment zeigt, dass ein reines Gas durch eine Zustandsgleichung beschrieben wird, die einen Zusammenhang zwischen den vier Variablen angibt.
Die allgemeine Form einer solchen Zustandsgleichung lautet
(1-1)
