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Physikalische Chemie für Dummies

Schummelseite

Hier finden Sie wichtige Formeln und Diagramme im Überblick.

Gasgesetze

Boyle-Mariotte'sches Gesetz

Gay-Lussac'sches Gesetz

Allgemeine Gasgleichung für ideale Gase

.

.

Elastizität und Viskosität

Hooke'sches ­Gesetz

Newton'sches ­Gesetz

Ostwald-de-Waele-Gleichung

Stokes'sches Gesetz

Hagen-Poiseuille'sches Gesetz

Rheogramme

Grenzflächen

Oberflächenspannung

Adsorptionsisotherme nach Freundlich

Adsorptionsiso­therme nach ­Langmuir

Adsorptionsisotherme nach BET

Reaktionskinetik

0. Ordnung

1. Ordnung

2. Ordnung [A] = [B]

Michaelis-Menten-Kinetik (Enzyme)

Arrhenius-Gleichung

Mehrphasensysteme

Gibbs'sche Phasen­regel

Raoult'sches Gesetz

Fick'sches Diffu­sionsgesetz (1.)

Noyes-Whitney-Gleichung

Nernst'sches Verteilungsgesetz

F = C – P + 2

pA = p0A· XA

pgesamt = pA + pB

Phasendiagramm Wasser

Dampfdruckdiagramm ideale Lösung

Mischungsdiagramm (Schmelzdiagramm)

Thermodynamik

Hauptsatz

Hauptsatz

Umrechnung relative Feuchte in absolute Feuchte

Wichtige Konstanten

Molare Gaskonstante R

8,3143 J · K−1 · mol−1

Ideales Gasvolumen

V = 22,414 L

Absoluter Nullpunkt der Temperatur

0 K = –273,15 °C

Avogadro-Konstante NA

6,022 · 1023 mol−1

Oberflächenspannung von Wasser (20 °C)

72,75 mN · m−1

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Physikalische Chemie für Dummies

Georg Heun

2. Auflage

Fachkorrektur und Überarbeitung von Wilhelm Kulisch Fachkorrektur Teil IV von Raimund Ruderich

WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Physikalische Chemie für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

2. Auflage 2018

© 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

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Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die ­Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto © Iaroslav Neliubov/Shutterstock.com

Korrektur Petra Heubach-Erdmann, Düsseldorf

Satz/ePub Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld

Print ISBN: 978-3-527-71187-1

ePub ISBN: 978-3-527-81137-3

mobi ISBN: 978-3-527-81136-6


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Über den Autor

Georg Heun studierte Pharmazie in Frankfurt und promovierte im Fachgebiet Pharmazeutische Technologie in Braunschweig. Nach vier Jahren Praxis in der Produktion und Qualitätssicherungvon Arzneimitteln zog es ihn als Forscher und Dozent in Münster zurück indie wissenschaftliche Laufbahn. Seit 1998 ist er Professor für Pharmazeutische Technologiean der Hochschule Anhalt in Köthen. Neben seinen pharmazeutischen Lehrgebieten kann erauf dreizehn Jahre Lehrerfahrung im Grundlagenfach Physikalische Chemie für Studentenaus verschiedenen biowissenschaftlichen und verfahrenstechnischen Studiengängen zurückblicken.

Privat ist Georg Heun in vielen Vereinigungen aktiv, in denen er sich kulturell, wissenschaftlich, politisch und sportlich engagiert. Sein liebstes Hobby ist aber das Schachspiel, dem er sich als aktiver Spieler und als Kinder- und Jugendtrainer widmet.

Über den Überarbeiter der 2. Auflage

Das gesamte Buch wurde für die 2. Auflage von Wihelm Kulisch überarbeitet. Teil IV über die Thermodynamik wurde von ihm neu verfasst. Er studierte Physik an den Universitäten Münster und Kassel und forscht und lehrt derzeit in Kassel. Sein Forschungsthema ist vor allem die Nanotechnologie. Herr Kulisch hat große Erfahrung im Schreiben naturwissenschaftlicher Bücher; zu seinen bisherigen Werken gehören unter anderem: Wiley-Schnellkurs Thermodynamik, Physik. Das Lehrbuch für Dummies und Experimentalphysik für Naturwissenschaftler und Mediziner für Dummies.

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Einführung

Die meisten Menschen können sich unter dem Fach »Physikalische Chemie« wenig vorstellen. Wenn ich im Bekanntenkreis gefragt wurde, was für ein Buch ich gerade schreibe, löste meine Antwort fragende Blicke oder skeptisches Stirnrunzeln aus. Die Namenskombination aus zwei Fächern, die schon in der Schulzeit als äußerst schwierig gelten, löst beim ersten Kontakt zumeist eine Schreckensvision von komplizierten Gleichungen in irgendeinem unklaren Zusammenhang mit giftigen Chemikalien aus.

Daher hielt sich meine Begeisterung, als ich beim Antritt meiner ersten Dozentenstelle die Lehrveranstaltungen in Physikalischer Chemie übernehmen sollte, zunächst in Grenzen. Als »Neuer« bekommt man eben die Aufgaben aufgedrückt, die sonst niemand übernehmen will. Das Fach war erst wenige Jahre zuvor durch eine Änderung der pharmazeutischen Studienordnung als eigenständiges Fach eingeführt worden, und als Rückkehrer nach vier Jahren Praxis in der Arzneimittelproduktion und Qualitätssicherung musste ich mich als Erstes schlaumachen, worum es überhaupt geht. Zum Glück stellte sich heraus, dass ich die meisten Lehrinhalte in den verschiedenen Fächern meines Studiums gelernt hatte und die Methoden aus der praktischen Anwendung kannte.

Physikalische Chemie ist keineswegs eine praxisferne, theoretische Wissenschaft, die Sie notgedrungen in Ihrer Ausbildung durchleiden müssen, um sie nach hoffentlich bestandener Prüfung für alle Zeiten aus Ihrem Gedächtnis zu verbannen. Bei jeder hochwertigen Labortätigkeit werden Sie im Beruf die eine oder andere Methode anwenden, die Sie aus der Physikalischen Chemie kennen. Gute Grundlagenkenntnisse helfen Ihnen gewaltig bei der praktischen Arbeit. Sie können Fehler leichter erkennen und vermeiden und sogar fundierte Lösungsansätze für Neuentwicklungen oder Verbesserungen in Ihrem Arbeitsbereich vorschlagen.

Aber vor allen Dingen kann die Physikalische Chemie richtig Spaß machen. Je länger ich das Fach unterrichtete, desto mehr Ideen kamen mir, wie ich die scheinbar komplizierten Zusammenhänge mit einfachen Versuchen und Modellen anschaulich demonstrieren kann. So etwas macht nicht nur dem Dozenten Spaß, sondern auch den Studenten.

Sie werden fast gar nicht mehr bemerken, dass das Fach Gerüchten zufolge eigentlich besonders schwierig sein soll. Lassen Sie sich nicht von jetzt noch unverständlichen und nach Fachchinesisch klingenden Begriffen wie Viskosität, Tensiometrie, Adsorptionsisotherme, Eutektikum und Reaktionsgeschwindigkeitskonstante abschrecken. Ich verspreche Ihnen, dass Sie nach dem Lesen dieses Buches wissen, was sich dahinter verbirgt. Sie werden pro­blemlos mit den Begriffen umgehen und mit Ihren neu erworbenen Kenntnissen vieles verstehen, was Ihnen bisher unklar ist.

Jeder Mensch sammelt schon ab dem Kleinkindalter Erfahrungen, wie sich die Stoffe in seiner alltäglichen Umgebung verhalten. Dass eine randvolle Badewanne überläuft, wenn man sich hineinsetzt, dass Eisenstücke in Wasser untergehen, Holz aber schwimmt und dass kochendes Wasser heiß ist. Später erfährt er dann, dass Wasser bei 0 °C einfriert und bei 100 °C siedet. Ich könnte Ihnen noch jede Menge weiterer physikalischer und physikalisch-chemischer Selbstverständlichkeiten aufzählen. So etwas zu untersuchen, wo Sie genau das erwartete Ergebnis erhalten, ist langweilig. Physikalische Chemie kann ein bisschen wie Zauberei sein. Lassen Sie sich verzaubern von verblüffenden Phänomenen. Schwimmende Eisenstücke, kaltes siedendes Wasser, verschwindende Substanzen, nach oben fließende Flüssigkeiten und flüssig werdende Pulvermischungen sind nur eine Auswahl der erstaunlichen Dinge, die Ihnen beim sorgfältigen Lesen dieses Buches begegnen werden.

Über dieses Buch

Dieses Buch wird Ihnen einen leicht verständlichen Einstieg in die Physikalische Chemie ermöglichen. Es ist kein umfassendes Lehrbuch, das alle Formeln und Gesetze für fortgeschrittene Chemiestudenten enthält. Dafür finden Sie die Grundlagen und wichtigsten Formeln in anschaulichen Modellen und Versuchsbeschreibungen erklärt.

Sie können sich selbst beweisen, dass Sie mit diesem Buch viel gelernt haben, indem Sie die zuvor noch schwierig bis unlösbar erscheinenden Aufgaben der Kapitel 4, 8, 11 und 19 lösen.

Als ich gefragt wurde, ob ich ein … für-Dummies-Buch über Physikalische Chemie schreiben wolle, war ich zunächst skeptisch. Ich bin schließlich kein studierter Physikochemiker, sondern Pharmazeut. Ich habe zwar dreizehn Jahre lang physikalisch-chemische Lehrveranstaltungen durchgeführt, aber nur als Grundlagenfach für Pharmazeuten, Biotechnologen, Lebensmitteltechnologen und Verfahrenstechniker. Außerdem habe ich nie das wichtige Teilgebiet Thermodynamik unterrichtet, da es als eigenes Fach von einem Kollegen übernommen wird. Andererseits hat es mir immer Spaß gemacht, meine Studenten für dieses spannende Fachgebiet zu begeistern oder ihnen wenigstens den Schrecken zu nehmen. Also stelle ich mich der Aufgabe und versuche, auch Ihnen den Erstkontakt mit der Physikalischen Chemie so leicht und schmackhaft wie möglich zu machen.

Zur Thermodynamik hätte ich wahrscheinlich kaum mehrere Seiten mit fundierten und leicht verständlichen Inhalten zusammengebracht, da ich selbst nur die wichtigsten Grundlagen einigermaßen beherrsche. Glücklicherweise konnte ich mit Herrn Sebastian Altwasser einen meiner ehemaligen Studenten dafür gewinnen, der als Nachwuchswissenschaftler mittlerweile erfolgreich seine wissenschaftliche Karriere fortsetzt. Als Verfahrenstechniker kann er Ihnen sicherlich die als besonders schwierig geltende Thermodynamik umfassend und verständlich nahebringen.

Konventionen in diesem Buch

Obwohl Sie in diesem Buch eine Menge Formeln finden, ist es kein Mathematikbuch und auch kein Physikbuch. Ich habe bewusst auf Matrizen oder Vektorpfeile bei gerichteten physikalischen Größen (Weg, Kraft, Geschwindigkeit, …) verzichtet, um Sie nicht zu verwirren. Falls notwendig, finden Sie die Richtung in den Erklärungsmodellen angedeutet. Das Multiplikationszeichen habe ich konsequent eingesetzt, auch wenn es weggelassen werden darf. Zu oft habe ich schon erlebt, dass Studenten aus mPas (korrekt: Millipascal mal Sekunden) fälschlich Meter mal Pascal mal Sekunden gemacht haben. Manchmal wechsele ich zwischen verschiedenen erlaubten Schreibweisen (mol/l oder mol ⋅ L−1) und Achsenbeschriftungen (Geschwindigkeit v/m ⋅ s−1 oder Geschwindigkeit v [m/s]). Diese Konvention ist zugegebenermaßen sehr unkonventionell. Es soll Ihnen aber zeigen, welche unterschiedlichen Schreibweisen Sie in verschiedenen Büchern finden werden und auch selbst gebrauchen dürfen.

Törichte Annahmen über den Leser

Sie wollen sich Kenntnisse in einem neuen und wahrscheinlich komplizierten Fachgebiet aneignen? Ich gratuliere Ihnen, Sie haben instinktiv die beste Vorgehensweise gewählt. Stellen Sie sich zuerst einmal ganz dumm! Nur wer sich immer schlau stellt, weil er sich keine Blöße mit Wissenslücken geben will, ist töricht. Kurzfristig wird er vielleicht durch seinen Bluff mit unfundiertem Halbwissen und aufgeschnappten Fachbegriffen seine Mitmenschen beeindrucken können. Aber sobald es ans Eingemachte geht, wird er als Blender entlarvt. Die klügsten Menschen, vor deren Wissen und Intelligenz ich bescheiden den Hut ziehe, haben in wissenschaftlichen Symposien mit »Lieber Kollege, könnten Sie mir als Laien bitte noch einmal erklären, wie Sie …« die fachliche Diskussion mit dem Vortragenden eröffnet.

Allein die Tatsache, dass Sie offensichtlich einen Grund für die Beschäftigung mit Physikalischer Chemie haben, zeigt mir, dass Sie als … für-Dummies-Leser wahrscheinlich fortgeschrittenere physikalische, chemische und mathematische Grundkenntnisse besitzen, als ich in diesem Buch voraussetze. Verzeihen Sie mir bitte, wenn Ihnen manche Erklärungen und Herleitungen zu einfach oder gar überflüssig erscheinen. Aber bei anderen Lesern könnte die Erinnerung an den mathematisch-naturwissenschaftlichen Schulstoff etwas eingerostet und wiederholungsbedürftig sein.

Selbstverständlich kann ich nicht ganz bei null anfangen. Ich nehme an, dass Sie eine Geradengleichung kennen, einfache Funktionsverläufe verstehen und mathematische Gleichungen lösen können. Sie sollten außerdem Grundkenntnisse aus der Physik zur Geschwindigkeit, Kraft und Energie sowie zum Atomaufbau besitzen.

Die Physikalische Chemie begegnet Ihnen als chemisches Spezialgebiet erst, nachdem Sie in den chemischen Grundlagenfächern Kenntnisse zur allgemeinen, anorganischen und organischen Chemie erworben haben. Ich nehme also an, dass Sie etwas über chemische Elemente und Verbindungen wissen sowie Ionen, Bindungsarten und Gehaltsangaben kennen.

Ich habe mir die größte Mühe gegeben, keine unerklärten Fachbegriffe zu verwenden. Der Nachteil eines Buches gegenüber einer Unterrichtsveranstaltung ist, dass Sie nicht gleich beim Lehrenden nachfragen können. Notfalls verschafft Ihnen eine kurze Internetsuche sofort die benötigte Information.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch besteht aus sieben Teilen. Mit Ausnahme des Top-Ten-Teils, der eher allgemeinbildend ist, enthalten die Teile jeweils einen bestimmten Aspekt des Zusammenspiels von Physik und Chemie.

Die Teile sind in Kapitel unterteilt, die Ihnen die einzelnen Fachgebiete innerhalb der Physikalischen Chemie vorstellen. Sie können grundsätzlich jedes Kapitel einzeln durcharbeiten, da Sie keine Kenntnisse aus den anderen Kapiteln besitzen müssen. Der Modeausdruck dafür heißt modularer Aufbau.

Wenn es hilfreich ist, eine ausführlichere Erklärung in einem anderen Kapitel nachzulesen, gebe ich Ihnen jeweils einen Tipp, wo diese zu finden ist. Die ersten vier Teile enthalten am Ende ein Kapitel mit Übungsaufgaben, die Sie trotz ausführlicher Hinweise auf den Lösungsweg nur mit den Kenntnissen aus den zugehörigen Kapiteln lösen können. Im Anhang finden Sie die Lösungen.

Teil I: Kräfte und Substanzen

Die Kraft ist eine Größe, die Sie aus der Physik kennen. Substanzen sind chemische Stoffe, die aus Ionen, Atomen oder Molekülen aufgebaut sind. Im ersten Teil dieses Buches geht es um die Wirkung von Kräften auf Substanzen in den drei Aggregatzuständen gasförmig, fest und flüssig.

Zunächst beginne ich mit einfachen Modellvorstellungen vom Aufbau der Materie wie der kinetischen Gastheorie und einer Erklärung der Teilchenbeweglichkeit in Gasen, Feststoffen und Flüssigkeiten. Die Gasgesetze für ideale und reale Gase beschreiben den Zusammenhang von Druck, Temperatur und Volumen. Die elastische und plastische Verformung von Feststoffen steht im Mittelpunkt von Kapitel 2. Besonders ausführlich werden Sie in Kapitel 3 über die Gesetzmäßigkeiten beim Fließen von flüssigen und streichfähigen Substanzen informiert.

Teil II: Reinstoffe und Mischungen

In diesem Teil beginne ich mit einer Vorstellung von typischen Zustandsdiagrammen, die auch p, T-Diagramme oder Phasendiagramme heißen. Sie lernen unter anderem den Tripelpunkt und den kritischen Punkt kennen und erfahren, was ein überkritisches Gas oder eine Modifikation ist.

Ein weiteres Kapitel stellt Ihnen wichtige Eigenschaften von Mischungen fester oder flüssiger Substanzen vor. Die kolligativen Eigenschaften von Lösungen, beispielsweise der osmotische Druck, spielen hierbei eine Rolle, ebenso wie die Wanderung von Molekülen in einer Flüssigkeit, von einem Feststoff in eine Flüssigkeit oder zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten.

Abschließend wende ich Ihren Blick vom Inneren einer Flüssigkeit auf die Grenzfläche zur Umgebung. Die Phänomene Oberflächenspannung, Kapillarität und Adsorption stelle ich Ihnen in anschaulichen Bildern, ausführlich begründeten Formeln und erläuterten Diagrammen vor.

Teil III: Reaktionskinetik

In diesem Teil erfahren Sie, unter welchen Voraussetzungen eine chemische Reaktion zustande kommt. Für eine ausführliche Erklärung aller möglichen Energieumwandlungen müssen Sie zwar noch bis zum Teil IV warten, aber zumindest erhalten Sie eine Vorstellung von der Aktivierungsenergie, der Reaktionsenthalpie und dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt einer Reaktion.

Außerdem präsentiere ich Ihnen die Beschreibungen, Formeln und Funktionsdiagramme für verschiedene Reaktionsordnungen, die in den Biowissenschaften eine Rolle spielen. Dabei kann ich Ihnen leider den Umgang mit mathematischen Formeln nicht ersparen. Mit etwas gutem Willen und Konzentration werden Sie aber den Überblick behalten und die beiden Übungsaufgaben im abschließenden Kapitel 11 ohne Probleme lösen.

Teil IV: Thermodynamik

Die Thermodynamik wird von vielen Studenten auch als Thermodramatik verschrien. Ich, Sebastian Altwasser, habe als Mitautor gern die Aufgabe übernommen, Sie in diesem Teil vom Gegenteil zu überzeugen und Ihnen die Grundlagen dieser physikalisch-chemischen Teildisziplin näher zu bringen. In diesem Abschnitt werden Sie zunächst etwas über das notwendige Handwerkszeug erfahren. Daran anschließend werden Sie sich mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik auseinandersetzen, den Sie sicherlich bereits aus Ihrer Schulzeit kennen. In dem Kapitel zum zweiten Hauptsatz wird es für den einen oder anderen etwas verwirrend, da die Größe Entropie etwas abstrakt ist. Ein weiterer wesentlicher Abschnitt sind die Zustandsänderungen, da diese wichtig für die Betrachtungen von Kreisprozessen ist. Das erfolgt jedoch erst im letzten Abschnitt in diesem Teil, zuvor müssen Sie sich noch mit den Verbrennungsprozessen und den Zustandsänderungen von Wasser beschäftigen. Im Kapitel zu den Zustandsänderungen von Wasser werden Sie ein wichtiges Werkzeug kennenlernen, das Mollier-Diagramm.

Teil V: Wechselwirkungen

In diesem Teil verrate ich Ihnen, wie Wissenschaftler die Vorgänge im Molekülbereich untersuchen können, obwohl diese Teilchen selbst mit den besten Lichtmikroskopen nicht erkennbar sind. Durch verschiedenartige Wechselwirkungen mit Radiowellen, sichtbarem, IR- und UV-Licht oder Röntgenstrahlen können Sie den kleinsten Teilchen Informationen entlocken, von der Molekülstruktur bis zum Querschnittsfoto einer menschlichen Niere.

Kapitel 21 enthält Informationen darüber, wie Sie Moleküleigenschaften studieren können, ohne die Substanzen mit allen möglichen physikalischen oder chemischen Kräften, Energien oder Strahlen zu foltern. Der Computer macht es möglich. Molecular-Modeling-Programme enthalten einen gewaltigen Erfahrungsschatz über Elementarteilchen, Atome, Bindungskräfte und Moleküle. Mit Berechnungen und bildhaften Darstellungen können Sie die Formen, Bewegungen und Wechselwirkungen von Molekülmodellen sichtbar machen.

Teil VI: Der Top-Ten-Teil

Wissenschaft entsteht durch die Leistung von Menschen. Intelligenz, Wissensdrang und der Mut zu neuen Ideen machen den großen Wissenschaftler aus. Vielleicht gehören Sie auch einmal zum erlauchten Kreis derer, die sich mit einer Entdeckung unsterblich machen. Damit das gelingt, stelle ich Ihnen die zehn Wissenschaftler vor, die vor über 100 Jahren die Fundamente der Physikalischen Chemie legten, und gebe Ihnen noch zehn Ratschläge, die Ihnen bei der erfolgreichen Bewältigung Ihres Studiums helfen sollen.

Teil VII Anhänge

Hier kontrollieren Sie, ob Sie die Übungsaufgaben richtig gelöst haben.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Das am häufigsten verwendete und wichtigste Erinnerungssymbol dient zur Hervorhebung wichtiger Definitionen, die Sie sich merken sollten.

Bei diesem Symbol finden Sie Tipps, die Ihnen die Arbeit erleichtern sollen.

Achtung! Mit diesem Symbol mache ich Sie auf typische Fehler aufmerksam.

Rahmen für die Übungsaufgaben

Rahmen für die Lösungen

Wie es weitergeht

Dieses Buch vermittelt Ihnen das Basiswissen für viele Teilgebiete der Physikalischen Chemie. Ich habe mehr Wert auf Verständlichkeit als auf Vollständigkeit gelegt. Sie können mit diesem Buch vor dem Beginn Ihrer physikalisch-chemischen Lehrveranstaltungen eine einfache und manchmal unterhaltsame Grundlage zum besseren Verständnis legen. Der Unterricht wird Ihnen dann wesentlich mehr Spaß machen, weil Sie die Grundlagen schon kennen und sich auf die Vorlieben und Spezialitäten Ihrer Dozenten konzentrieren können. Oder Sie haben schon in solchen Vorlesungen gesessen und wenig bis gar nichts verstanden. Dann suchen Sie das passende Kapitel in diesem Buch heraus, wo ich Ihnen den Lehrstoff etwas ausführlicher und modellhafter erkläre.

Dieses Buch ist für Einsteiger gedacht. Für noch mehr Details finden Sie sicherlich zu jedem einzelnen Kapitel ein Buch mit ausführlichen weiteren Informationen. Wenn Sie das Buch komplett gelesen haben, sind Sie kein Laie mehr. Sie können Fachleute verstehen und mitdiskutieren. Aber ein Fachmann sind Sie dann noch lange nicht.

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Teil I

Kräfte und Substanzen