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Physikalische Chemie

6. Auflage

von: Peter W. Atkins, Julio de Paula, James J. Keeler
76,99 €
Verlag:	Wiley-VCH
Format:	PDF
Veröffentl.:	27.09.2021
ISBN/EAN:	9783527828333
Sprache:	deutsch
Anzahl Seiten:	1232

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Beschreibungen

Titelbeschreibung

Das unverzichtbare, umfassende Lehrbuch der Physikalischen Chemie! Der "große Atkins" ist und bleibt ein Muss für alle Studierenden, die sich ernsthaft mit der Physikalischen Chemie auseinandersetzen. In unverwechselbarem Stil deckt Peter Atkins mit seinen Koautoren Julio de Paula und James Keeler die gesamte Bandbreite dieses faszinierenden und herausfordernden Fachs ab. In der neuen, sechsten Auflage ist der Inhalt modular aufbereitet, um so das Lernen noch strukturierter und zielgerichteter gestalten zu können. Wie immer beim "Atkins" gehen Anschaulichkeit und mathematische Durchdringung des Stoffes Hand in Hand. Und natürlich kommt der Bezug zu den Anwendungen der Physikalischen Chemie und ihrer Bedeutung für andere Fachgebiete nie zu kurz. * Jeder Abschnitt stellt explizit Motivation, Schlüsselideen und Voraussetzungen heraus * Durchgerechnete Beispiele, Selbsttests und Zusammenfassungen der Schlüsselkonzepte erleichtern Lernen und Wiederholen * Kästen mit Hinweisen zur korrekten Verwendung von Fachsprache und chemischer Konzepte helfen dabei, typische Fehler und Fehlvorstellungen zu vermeiden * Herleitungen von Gleichungen erfolgen in separaten Toolkits, um das Nachschlagen und Nachvollziehen zu erleichtern * Diskussionsfragen, leichte Aufgaben, schwerere Aufgaben, und abschnittsübergreifende Aufgaben in umfangreichen Übungsteilen an den Abschnittsenden * Das Arbeitsbuch ist separat erhältlich und mit dem Lehrbuch im Set Zusatzmaterial für Dozentinnen und Dozenten erhältlich unter www.wiley-vch.de/textbooks

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis xv Toolkits xviii Zusatzinformationen xix Anwendungen xx Vorwort xxi Hinweise zur Benutzung des Buchs xxiii Danksagung xxvii Prolog – Energie, Temperatur und Chemie 1 1 Die Eigenschaften der Gase 3 1.1 Das ideale Gas 4 1.1.1 Die Zustande der Gase 4 1.1.2 Zustandsgleichungen und Gasgesetze 7 1.2 Die Bewegung von Molekulen in Gasen 14 1.2.1 Die kinetische Gastheorie 14 1.2.2 Intermolekulare Stose 21 1.3 Reale Gase 24 1.3.1 Abweichungen vom idealen Verhalten 24 1.3.2 Die Van-der-Waals-Gleichung 29 2 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 43 2.1 Grundbegriffe 44 2.1.1 Arbeit,Warme und Energie 44 2.1.2 Die Innere Energie 48 2.1.3 Volumenarbeit 50 2.1.4 Warmeubergange 54 2.2 Die Enthalpie 59 2.2.1 Die Definition der Enthalpie 59 2.2.2 Die Temperaturabhangigkeit der Enthalpie 62 2.3 Thermochemie 65 2.3.1 Standardenthalpien 65 2.3.2 Standardbildungsenthalpien 69 2.3.3 Die Temperaturabhangigkeit der Reaktionsenthalpien 70 2.3.4 Experimentelle Techniken 71 2.4 Zustandsfunktionen und totale Differenziale 76 2.4.1 Totale und nicht totale Differenziale 76 2.4.2 Anderungen der Inneren Energie 77 2.4.3 Anderungen der Enthalpie 81 2.4.4 Der Joule-Thomson-Effekt 81 2.5 Adiabatische Anderungen 85 2.5.1 Anderung der Temperatur 85 2.5.2 Anderung des Drucks 86 3 Der Zweite und der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 99 3.1 Die Entropie 100 3.1.1 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik 100 3.1.2 Die Definition der Entropie 102 3.1.3 Die Entropie als Zustandsfunktion 106 3.2 Entropieanderungen bei speziellen Prozessen 113 3.2.1 Expansion 113 3.2.2 Phasenubergange 114 3.2.3 Erhitzen 115 3.2.4 Zusammengesetzte Prozesse 116 3.3 Die Messung der Entropie 119 3.3.1 Die kalorimetrischeMessung der Entropie 119 3.3.2 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 121 3.4 Die Beschrankung auf das System 125 3.4.1 Freie Energie und Freie Enthalpie 125 3.4.2 Freie Standardreaktionsenthalpien 129 3.5 Die Verbindung von Erstem und Zweitem Hauptsatz 134 3.5.1 Eigenschaften der Inneren Energie 134 3.5.2 Eigenschaften der Freien Enthalpie 137 4 Physikalische Umwandlungen reiner Stoffe 157 4.1 Phasendiagramme reiner Stoffe 158 4.1.1 Die Stabilitat von Phasen 158 4.1.2 Phasengrenzen 160 4.1.3 Drei typische Phasendiagramme 164 4.2 Thermodynamische Betrachtung von Phasenubergangen 168 4.2.1 Abhangigkeit der Stabilitat von den Bedingungen 168 4.2.2 Die Lage der Phasengrenzlinien 171 5 Die Eigenschaften einfacher Mischungen 183 5.1 Die thermodynamische Beschreibung von Mischungen 184 5.1.1 Partielle molare Grosen 184 5.1.2 Thermodynamik von Mischphasen 190 5.1.3 Das chemische Potenzial flussiger Phasen 193 5.2 Die Eigenschaften von Losungen 198 5.2.1 Flussige Mischungen 198 5.2.2 Kolligative Eigenschaften 201 5.3 Phasendiagramme flussiger Zweikomponentensysteme 211 5.3.1 Dampfdruckdiagramme 211 5.3.2 Siedediagramme 213 5.3.3 Destillation 216 5.3.4 Flussig/Flussig-Phasendiagramme 218 5.4 Phasendiagramme fester Zweikomponentensysteme 224 5.4.1 Eutektische Mischungen 224 5.4.2 Systeme mit chemischen Reaktionen 225 5.4.3 Inkongruentes Schmelzen 226 5.5 Phasendiagramme ternarer Systeme 229 5.5.1 Ternare Phasendiagramme 229 5.5.2 Ternare Systeme 230 5.6 Aktivitaten 233 5.6.1 Die Aktivitat des Losungsmittels 233 5.6.2 Die Aktivitat des gelosten Stoffs 233 5.6.3 Aktivitaten in regularen Losungen 236 5.6.4 Aktivitaten von Ionen in Losung 237 6 Das chemische Gleichgewicht 263 6.1 Die Gleichgewichtskonstante 264 6.1.1 Das Minimum der Freien Enthalpie 264 6.1.2 Die Beschreibung des chemischen Gleichgewichts 266 6.2 Die Verschiebung des Gleichgewichts bei Anderung der Reaktionsbedingungen 275 6.2.1 Der Einfluss des Drucks auf das Gleichgewicht 275 6.2.2 Der Einfluss der Temperatur auf das Gleichgewicht 277 6.3 Elektrochemische Zellen 280 6.3.1 Halbreaktionen und Elektroden 280 6.3.2 Zelltypen 281 6.3.3 Die Zellspannung 282 6.3.4 Die Bestimmung thermodynamischer Funktionen 285 6.4 Standard-Elektrodenpotenziale 288 6.4.1 Standardpotenziale 288 6.4.2 Anwendungen der Standardpotenziale 290 7 Quantentheorie 305 7.1 Die Anfange der Quantenmechanik 306 7.1.1 Die Quantisierung der Energie 307 7.1.2 DerWelle-Teilchen-Dualismus 313 7.2 Wellenfunktionen 318 7.2.1 Die Schrodinger-Gleichung 318 7.2.2 Die Born’sche Interpretation derWellenfunktion 319 7.3 Operatoren und Observablen 324 7.3.1 Operatoren 324 7.3.2 Superpositionen und Erwartungswerte 329 7.3.3 Die Heisenberg’sche Unscharferelation 332 7.3.4 Die Postulate der Quantenmechanik 335 7.4 Translation 338 7.4.1 Freie Bewegung in einer Dimension 338 7.4.2 Bewegung in einer Dimension: Das Teilchen im Kasten 340 7.4.3 Bewegung in zwei und mehr Dimensionen 344 7.4.4 Der Tunneleffekt 347 7.5 Schwingung 353 7.5.1 Der harmonische Oszillator 353 7.5.2 Eigenschaften des harmonischen Oszillators 358 7.6 Rotation 362 7.6.1 Rotation in zwei Dimensionen: Teilchen auf einer Kreisbahn 362 7.6.2 Rotation in drei Dimensionen: Teilchen auf einer Kugelschale 367 8 Atomstruktur und Atomspektren 399 8.1 Wasserstoffahnliche Atome 400 8.1.1 Die Struktur wasserstoffahnlicher Atome 400 8.1.2 Atomorbitale und ihre Energien 404 8.2 Mehrelektronenatome 413 8.2.1 Die Orbitalnaherung 413 8.2.2 Das Pauli-Ausschlussprinzip 414 8.2.3 Das Aufbauprinzip 417 8.2.4 Selbstkonsistente Orbitale 424 8.3 Atomspektren 426 8.3.1 Die Spektren wasserstoffahnlicher Atome 426 8.3.2 Die Spektren von Mehrelektronenatomen 428 9 Molekülstruktur 445 Prolog – Die Born-Oppenheimer-Näherung 447 9.1 Valence-Bond (VB)-Theorie 448 9.1.1 Homoatomare zweiatomigeMolekule 448 9.1.2 Resonanz 450 9.1.3 Mehratomige Molekule 451 9.2 Molekulorbital (MO)-Theorie: DasWasserstoffmolekul-Ion 456 9.2.1 Linearkombination von Atomorbitalen (LCAO) 456 9.2.2 Bezeichnungen von Molekulorbitalen 461 9.3 Molekulorbital (MO)-Theorie: homoatomare zweiatomige Molekule 462 9.3.1 Elektronenkonfigurationen 462 9.3.2 Photoelektronenspektroskopie 468 9.4 Molekulorbital (MO)-Theorie: heteroatomare zweiatomige Molekule 471 9.4.1 Polare Bindungen und Elektronegativitat 471 9.4.2 Das Variationsprinzip 472 9.5 Molekulorbital (MO)-Theorie: mehratomigeMolekule 479 9.5.1 Die Huckel-Naherung 480 9.5.2 Anwendungen der MO-Theorie 485 9.5.3 Quantenchemie mit Computern 488 10 Molekülsymmetrie 505 10.1 Die Symmetrieelemente von Molekulen 506 10.1.1 Symmetrieoperationen und Symmetrieelemente 506 10.1.2 Klassifikation von Molekulen in Gruppen nach ihrer Symmetrie 508 10.1.3 Konsequenzen derMolekulsymmetrie 513 10.2 Gruppentheorie 515 10.2.1 Grundlagen der Gruppentheorie 515 10.2.2 Matrixdarstellungen 517 10.2.3 Charaktertafeln und Symmetriebezeichnungen 521 10.3 Anwendungen der Molekulsymmetrie 526 10.3.1 Verschwindende Integrale 526 10.3.2 Anwendungen der Molekulsymmetrie 530 10.3.3 Auswahlregeln 532 11 Molekulare Spektroskopie 539 11.1 Allgemeine Merkmale spektroskopischer Methoden 540 11.1.1 Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung 541 11.1.2 Die Breite von Spektrallinien 546 11.1.3 Experimentelle Techniken 548 11.2 Rotationsspektren 555 11.2.1 Die Energieniveaus der Rotation 555 11.2.2 Mikrowellenspektroskopie 561 11.2.3 Raman-Rotationsspektroskopie 564 11.2.4 Kernstatistik und Rotationszustande 566 11.3 Schwingungsspektren zweiatomiger Molekule 569 11.3.1 Molekulschwingungen 569 11.3.2 Infrarotspektroskopie 570 11.3.3 Anharmonizitat 571 11.3.4 Rotationsschwingungsspektren 574 11.3.5 Raman-Schwingungsspektren zweiatomiger Molekule 577 11.4 Schwingungsspektren mehratomiger Molekule 580 11.4.1 Normalschwingungen 580 11.4.2 Infrarot-Absorptionsspektren mehratomiger Molekule 582 11.4.3 Raman-Schwingungsspektren mehratomiger Molekule 584 11.5 Symmetrieanalyse von Schwingungsspektren 587 11.5.1 Die Symmetrie von Normalschwingungen 587 11.5.2 Die Symmetrie von Schwingungswellenfunktionen 589 11.6 Elektronenspektren 592 11.6.1 Elektronenspektren zweiatomiger Molekule 592 11.6.2 Elektronenspektren mehratomigerMolekule 601 11.7 Die Desaktivierung angeregter Zustande 605 11.7.1 Fluoreszenz und Phosphoreszenz 605 11.7.2 Dissoziation und Pradissoziation 608 11.7.3 Laser 609 12 Magnetische Resonanz 635 12.1 Grundlagen der magnetischen Resonanz 636 12.1.1 Kernspinresonanz (NMR) 636 12.1.2 Elektronenspinresonanz (ESR) 640 12.2 Eigenschaften von NMR-Spektren 643 12.2.1 Die chemische Verschiebung 643 12.2.2 Die Entstehung der Abschirmung 645 12.2.3 Die Feinstruktur des Spektrums 648 12.2.4 Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse 656 12.2.5 NMR in Festkorpern 658 12.3 Pulstechniken in der NMR 660 12.3.1 Der Vektor der Magnetisierung 661 12.3.2 Spinrelaxation 666 12.3.3 Die Entkopplung von Spins 670 12.3.4 Der Kern-Overhauser-Effekt 670 12.4 Elektronenspinresonanz (ESR) 676 12.4.1 Der g-Faktor 676 12.4.2 Die Hyperfeinstruktur 677 13 Statistische Thermodynamik 695 13.1 Die Boltzmann-Verteilung 696 13.1.1 Konfigurationen und Gewichte 696 13.1.2 Die relative Besetzungszahl von Zustanden 701 13.2 Die molekulare Zustandssumme 703 13.2.1 Die Interpretation der Zustandssumme 703 13.2.2 Beitrage zur molekularen Zustandssumme 705 13.3 Die Energie von Molekulen 715 13.3.1 Grundlegende Beziehungen 715 13.3.2 Mittlere Energien 716 13.4 Das kanonische Ensemble 721 13.4.1 Das Konzept des Ensembles 721 13.4.2 Die wahrscheinlichste Energie des Systems 723 13.4.3 Unabhangige Molekule 724 13.4.4 Die Abhangigkeit der Energie vom Volumen 725 13.5 Innere Energie und Entropie 727 13.5.1 Die Innere Energie 727 13.5.2 Die Entropie 729 13.6 Abgeleitete Funktionen 736 13.6.1 Die Ableitungen 736 13.6.2 Gleichgewichtskonstanten 739 14 Wechselwirkungen zwischen Molekülen 761 14.1 Elektrische Eigenschaften von Molekulen 762 14.1.1 Elektrische Dipolmomente 762 14.1.2 Die Polarisierbarkeit 765 14.1.3 Polarisation 767 14.2 Wechselwirkungen zwischen Molekulen 772 14.2.1 Wechselwirkungen zwischen Dipolen 772 14.2.2 Wasserstoffbruckenbindungen 778 14.2.3 Die Gesamtwechselwirkung 780 14.3 Flussigkeiten 789 14.3.1 MolekulareWechselwirkungen in Flussigkeiten 789 14.3.2 Die Grenzflache Flussigkeit-Gas 793 14.3.3 Oberflachenschichten 797 14.3.4 Kondensation 800 14.4 Makromolekule 802 14.4.1 MittlereMolmassen 802 14.4.2 Die Hierarchie der Strukturen 804 14.4.3 Statistische Knauel 805 14.4.4 Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren 810 14.4.5 Die thermischen Eigenschaften von Polymeren 812 14.5 Aggregation und Selbstorganisation 815 14.5.1 Kolloide 815 14.5.2 Mizellen und biologische Membranen 819 15 Festkörper 839 15.1 Kristallstrukturen 840 15.1.1 Gitter und Elementarzellen 840 15.1.2 Die Identifikation von Gitterebenen 843 15.2 Beugungstechniken zur Strukturanalyse 847 15.2.1 Rontgenkristallografie 847 15.2.2 Neutronen- und Elektronenbeugung 856 15.3 Bindungen in Festkorpern 861 15.3.1 Metallische Festkorper 861 15.3.2 Ionische Festkorper 866 15.3.3 Molekulare und kovalente Festkorper 870 15.4 Mechanische Eigenschaften von Festkorpern 872 15.5 Elektrische Eigenschaften von Festkorpern 875 15.5.1 Metallische Leiter 875 15.5.2 Isolatoren und Halbleiter 876 15.5.3 Supraleiter 879 15.6 Magnetische Eigenschaften von Festkorpern 882 15.6.1 Magnetische Suszeptibilitat 882 15.6.2 Permanente und induzierte magnetische Momente 883 15.6.3 Magnetische Eigenschaften von Supraleitern 885 15.7 Optische Eigenschaften von Festkorpern 887 15.7.1 Lichtabsorption durch Excitonen 887 15.7.2 Lichtabsorption durch Metalle und Supraleiter 888 15.7.3 Nichtlineare optische Effekte 890 16 Die Bewegung von Molekülen 903 16.1 Transporteigenschaften idealer Gase 904 16.1.1 Die phanomenologischen Gleichungen 904 16.1.2 Die Transportkoeffizienten 906 16.2 Die Bewegung von Molekulen in Flussigkeiten 914 16.2.1 Experimentelle Ergebnisse 914 16.2.2 Ionenbeweglichkeiten 917 16.3 Diffusion 924 16.3.1 Diffusion aus thermodynamischer Sicht 924 16.3.2 Die Diffusionsgleichung 927 16.3.3 Diffusion aus statistischer Sicht 931 17 Chemische Kinetik 943 17.1 Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen 944 17.1.1 Die Beobachtung des Reaktionsverlaufs 945 17.1.2 Die Reaktionsgeschwindigkeit 947 17.2 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze 954 17.2.1 Reaktionen nullter Ordnung 954 17.2.2 Reaktionen erster Ordnung 954 17.2.3 Reaktionen zweiter Ordnung 956 17.3 Reaktionen in der Nahe des Gleichgewichts 961 17.3.1 Reaktionen erster Ordnung in der Nahe des Gleichgewichts 961 17.3.2 Relaxationsmethoden 962 17.4 Die Arrhenius-Gleichung 965 17.4.1 Die Temperaturabhangigkeit von Reaktionsgeschwindigkeiten 965 17.4.2 Die Interpretation der Arrhenius-Parameter 967 17.5 Geschwindigkeitsgesetze 970 17.5.1 Elementarreaktionen 970 17.5.2 Folgereaktionen 971 17.5.3 Quasistationaritat 973 17.5.4 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt 974 17.5.5 Vorgelagerte Gleichgewichte 976 17.5.6 Kinetisch und thermodynamisch kontrollierte Reaktionen 977 17.6 Reaktionsmechanismen 978 17.6.1 Unimolekulare Reaktionen 978 17.6.2 Die Kinetik von Polymerisationen 980 17.6.3 Enzymatisch katalysierte Reaktionen 984 17.7 Photochemie 988 17.7.1 Photochemische Prozesse 988 17.7.2 Die Quantenausbeute des Primarprozesses 989 17.7.3 Die Desaktivierung angeregter Singulettzustande 991 17.7.4 Die Loschung angeregter Zustande 991 17.7.5 Resonanzenergieubertragung 994 18 Reaktionsdynamik 1013 18.1 Die Stostheorie 1014 18.1.1 Reaktive Stose 1014 18.1.2 Das RRK-Modell 1021 18.2 Diffusionskontrollierte Reaktionen 1022 18.2.1 Reaktionen in Losung 1022 18.2.2 Die Stoffbilanzgleichung 1025 18.3 Die Theorie des Ubergangszustands 1027 18.3.1 Die Eyring-Gleichung 1027 18.3.2 Thermodynamische Aspekte 1031 18.3.3 Der kinetische Isotopeneffekt 1035 18.4 Die Dynamik molekularer Stose 1038 18.4.1 Molekularstrahlexperimente 1038 18.4.2 Reaktive Stose 1041 18.4.3 Potenzialhyperflachen 1042 18.4.4 Theoretische und experimentelle Ergebnisse 1044 18.5 Elektronenubertragung in homogenen Systemen 1049 18.5.1 Das Geschwindigkeitsgesetz der Elektronenubertragung 1049 18.5.2 Der Tunnelprozess 1050 18.5.3 Die Geschwindigkeitskonstante der Elektronenubertragung 1052 18.5.4 Methoden zur experimentellen Uberprufung der Theorie 1053 19 Oberflächenprozesse 1067 19.1 Eigenschaften der Oberflachen von Festkorpern 1068 19.1.1 Wachstum und Struktur von festen Oberflachen 1068 19.1.2 Physisorption und Chemisorption 1069 19.1.3 Experimentelle Techniken 1071 19.2 Adsorption und Desorption 1078 19.2.1 Adsorptionsisothermen 1078 19.2.2 Die Geschwindigkeit von Oberflachenprozessen 1085 19.3 Heterogene Katalyse 1089 19.3.1 Mechanismen der heterogenen Katalyse 1089 19.3.2 Die katalytische Aktivitat an Oberflachen 1092 19.4 Elektronentransferprozesse an Elektroden 1096 19.4.1 Die Grenzflache zwischen Elektrode und Losung 1096 19.4.2 Die Stromdichte an einer Elektrode 1098 19.4.3 Voltammetrie 1103 19.4.4 Elektrolyse 1106 19.4.5 Galvanische Zellen unter Belastung 1106 Anhang 1121 Teil 1 Standardintegrale 1121 Teil 2 Einheiten 1122 Teil 3 Daten 1123 Teil 4 Charaktertafeln 1155 Stichwortverzeichnis 1159

Rezension

Ein sehr zu empfehlendes, umfassendes und schönes Werk! ZfP-Zeitung (Dezember 2021)

Autorenportrait

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". James Keeler ist Dozent an der Universität Cambridge und dort als Direktor für universitäre Lehre zuständig für die Chemievorlesungen für Studieneinsteiger. Er ist seit dieser Auflage als Koautor des "Atkins" dabei.