Peter W. Atkins - Physikalische Chemie

1 Cover

2 Titelblatt Peter W. Atkins, Julio de Paula und James J. Keeler

3 Autoren Die Originalausgabe Atkins’ Physical Chemistry, Eleventh Edition, wurde 2017 in Englisch publiziert. Die deutsche Übersetzung erfolgt mit Genehmigung von Oxford University Press. Atkins’ Physical Chemisty, Eleventh Edition, was originally published in English in 2017. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. Wiley-VCH is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon. © Peter Atkins, Julio de Paula, and James Keeler 2017 Autoren Peter W. Atkins Fellow of Lincoln College University of Oxford Oxford United Kingdom Julio de Paula Professor of Chemistry Lewis & Clark College Portland, Oregon USA James J. Keeler Senior Lecturer in Chemistry and Fellow of Selwyn College University of Cambridge Cambridge United Kingdom Übersetzer, auch der Vorauflagen Cord Hartmann, München Michael Bär, Wiesloch Anna Schleitzer, Hamburg Carsten Heinisch, Kaiserslautern

4 Urheberrechte 6. Auflage 2022 Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung. 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. © 2022 WILEY-VCH GmbH, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Print ISBN 978-3-527-34550-2 ePDF ISBN 978-3-527-82833-3 ePub ISBN 978-3-527-82832-6 Umschlaggestaltung Formgeber, Mannheim Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig

5 Tabellenverzeichnis

6 Toolkits

7 Zusatzinformationen

8 Anwendungen

9 Vorwort

10 Hinweise zur Benutzung des Buchs

11 Danksagung

12 Prolog – Energie, Temperatur und Chemie

13 FOKUS 1 Die Eigenschaften der Gase 1.1 Das ideale Gas 1.1 Das ideale Gas Motivation Die Gleichungen, die das Verhalten eines idealen Gases beschreiben, bilden die Grundlage zur Ableitung vieler, komplexerer Gesetze der Physikalischen Chemie. Das ideale Gasgesetz ist darüber hinaus eine gute erste Näherung, um das Verhalten realer Gase zu beschreiben. 1.2 Die Bewegung von Molekülen in Gasen 1.2 Die Bewegung von Molekülen in Gasen Motivation Eine wichtige Aufgabe in der Physikalischen Chemie ist die Entwicklung von strengen Theorien, die auch experimentell überprüfbare quantitative Aussagen erlauben, aus einfachen qualitativen Modellvorstellungen. Die kinetische Gastheorie ist ein exzellentes Beispiel für diese Vorgehensweise, und sie liefert darüber hinaus wichtige Erkenntnisse für die Diskussion der Transporteigenschaften von Gasen (siehe Abschn. 16.1 ), Reaktionsgeschwindigkeiten in der Gasphase (siehe Abschn. 18.1 ) und der Katalyse ( Abschn. 19.3 ). 1.3 Reale Gase 1.3 Reale Gase Motivation Reale Gase weichen in ihrem Verhalten von der Modellvorstellung des idealen Gases ab, und es ist wichtig, diese real existierenden Eigenschaften beschreiben zu können. Diese Abweichungen vom idealen Verhalten erlauben es, einen tiefer greifenden Einblick in die Natur der Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu gewinnen.

14 FOKUS 2 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Grundbegriffe 2.1 Grundbegriffe Motivation Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik ist die Basis für die Diskussion, welche Rolle der Energie in der Chemie zukommt. Immer wenn wir uns bei physikalischen Umwandlungen oder chemischen Reaktionen mit energetischen Aspekten befassen, bilden die Konzepte, die im Ersten Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst sind, hierfür die Grundlage. 2.2 Die Enthalpie 2.2 Die Enthalpie Motivation Das Konzept der Enthalpie steht im Zentrum vieler thermodynamischer Betrachtungen von Vorgängen wie etwa physikalischen Umwandlungen und chemischen Reaktionen, die bei konstantem (äußeren) Druck ablaufen. 2.3 Thermochemie 2.3 Thermochemie Motivation Die Thermochemie stellt eine der Hauptanwendungen der Thermodynamik in der Chemie dar. Anhand thermochemischer Daten Lässt sich die Energie untersuchen, die bei chemischen Reaktionen in Form von Wärme aufgenommen oder freigesetzt wird, wie z. B. bei der Verbrennung von Kraftstoffen oder der Verwertung von Nahrung durch Lebewesen. Auch in vielen anderen praktischen Anwendungsgebieten der Thermodynamik wird auf diese Daten zurückgegriffen. 2.4 Zustandsfunktionen und totale Differenziale 2.4 Zustandsfunktionen und totale Differenziale Motivation Mithilfe der Thermodynamik Lassen sich Beziehungen zwischen einer Vielzahl physikalischer Größen formulieren. In diesem Abschnitt werden Sie eine der wichtigsten Herangehensweisen kennen lernen, nämlich die Manipulation von Gleichungen, bei denen Zustandsfunktionen eine Rolle spielen. 2.5 Adiabatische Änderungen 2.5 Adiabatische Änderungen Motivation Adiabatische Prozesse ergänzen unsere Betrachtungen von isothermen Prozessen, und sie helfen uns bei der Diskussion des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

15 FOKUS 3 Der Zweite und der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 3.1 Die Entropie 3.1 Die Entropie Motivation Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist das grundlegende Gesetz zur Beschreibung aller Veränderungen bei chemischen Reaktionen. Mit seiner Hilfe können wir verstehen, warum physikalische und chemische Umwandlungen stattfinden. Es ist daher von fundamentaler Bedeutung, dieses wichtige Gesetz im Zusammenhang mit der Definition des Begriffs Entropie zu formulieren und zu verstehen. 3.2 Entropieänderungen bei speziellen Prozessen 3.2 Entropieänderungen bei speziellen Prozessen Motivation Die Entropieänderungen, die mit einer Vielzahl von grundlegenden physikalischen bzw. chemischen Prozessen einhergehen, lassen sich durch Anwendung des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik erklären und beschreiben. 3.3 Die Messung der Entropie 3.3 Die Messung der Entropie Motivation Um die Entropie quantifizieren zu können, müssen wir eine Möglichkeit finden, ihren Wert experimentell zu messen; in diesem Abschnitt beschreiben wir das hierzu nötige kalorimetrische Verfahren. Zur Angabe der Messwerte verwendet man den Dritten Hauptsatz der Thermodynamik. 3.4 Die Beschränkung auf das System 3.4 Die Beschränkung auf das System Motivation Die meisten chemischen Reaktionen laufen bei konstanter Temperatur und konstantem Druck ab. Bei diesen Bedingungen ist der Begriff der Freien Enthalpie (auch Gibbs‐Energie) von zentraler Bedeutung für thermodynamische Prozesse. Die Überlegungen in diesem Abschnitt bilden die Grundlage zur Diskussion von Phasenübergängen, chemischen Gleichgewichten und bioenergetischer Fragen. 3.5 Die Verbindung von Erstem und Zweitem Hauptsatz 3.5 Die Verbindung von Erstem und Zweitem Hauptsatz Motivation Das Verhalten der Stoffe wird sowohl durch den Ersten als auch durch den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. Die ganze Leistungsfähigkeit der Thermodynamik zur Lösung realer Probleme zeigt sich aber erst durch die Verbindung beider Hauptsätze.