Kurs:Einführung in die physikalische Chemie

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Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die physikalische Chemie 1.1 Definition 1.2 Untergliederung 1.2.1 Thermodynamik 1.2.2 Kinetik

[Bearbeiten] Einführung in die physikalische Chemie

[Bearbeiten] Definition

In diesem Kurs soll ein kurzer Überblick über das Teilgebiet der physikalischen Chemie (Chemiker sagen einfach: PC) gegeben werden. An dieser Stelle wird wohl die erste Frage auftauchen, nämlich, was die physikalische Chemie überhaupt ist. Darum sollte man zunächst den Begriff erläutern: Die physikalische Chemie ist, wie der Name sagt, eine Art Mischung aus Physik und Chemie. Sie ist ein Zweig der Chemie, der chemische Vorgänge mit physikalischen Methoden untersucht. Für den Laien heißt das, dass physikalische Chemie zum einen wesentlich theorielastiger als z.B. die Organik oder die Anorganik ist, weil eine um einiges komplexere Mathematik für das Verständnis der PC-Konzepte und die Entwicklung von Theorien nötig ist. Zum anderen sind die Experimente in der physikalischen Chemie rein optisch und akustisch weitaus weniger eindrucksvoll als in den anderen beiden Hauptdisziplinen - die Klischeevorstellung vom Labor, in dem farbige Flüssigkeiten vor sich hinblubbern und sich bei Zugabe von anderen Flüssigkeiten schlagartig verfärben, Knallgasreaktionen durchgeführt werden etc. trifft hier nicht zu. Vielmehr sind Experimente in der PC einfache Messungen verschiedenster Größen wie Temperatur, Druck, Leitfähigkeit einer Lösung etc. zu verschiedenen Zeitpunkten einer Reaktion. Damit kann eine Datentabelle erstellt und ausgewertet werden, was letztlich die Entwicklung von mathematischen Formeln erlaubt, die ein vorher erstelltes theoretisches Modell beschreiben sollen.

[Bearbeiten] Untergliederung

In der physikalischen Chemie gibt es mehrere Teilgebiete, aber die mit Abstand wichtigsten sind folgende:

[Bearbeiten] Thermodynamik

Die Thermodynamik untersucht chemische Reaktionen vom energetischen Standpunkt aus. Das heißt folgendes:

Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungen (siehe: Einführung in die Chemie), bei denen Materie von einem in einen anderen Zustand überführt wird. Da aber Materie über die Masse-Energie-Äquivalenz (von Albert Einstein aufgestellt) direkt mit Energie zusammenhängt, und bei chemischen Reaktionen immer die sogenannte Massenerhaltung gilt (der sogenannte Massendefekt kann über die Masse-Energie-Äquivalenz erklärt werden), gilt ebenfalls das physikalische Prinzip der Energieerhaltung: Energie kann weder aus dem nichts erzeugt werden, noch unwiderruflich verloren gehen. Die Physiker sagen: Die Summe der Energie in einem System (d.h. einem betrachteten Bereich: ein chemisches Reaktionssystem, ein mechanisches System, oder auch das ganze Universum) ist konstant. Weil dieses Prinzip immer gültig ist, und in chemischen Reaktionen Materie, die eine Masse besitzt, umgewandelt wird, wird bei jeder chemischen Reaktion entweder Energie an die Umgebung abgegeben oder aus der Umgebung aufgenommen. Diese Energie wird entweder als kinetische Energie (sozusagen mechanische Energie, die mechanische Arbeit verrichten kann) oder als Wärme abgegeben/aufgenommen.

Genau mit diesen Energieübertragungen und ihrer Beschaffenheit beschäftigt sich die Thermodynamik. Sie untersucht, welche Bedingungen notwendig sind, um eine Reaktion ablaufen zu lassen, wie die Energiebeträge (Aufnahme oder Abgabe) für einzelne Reaktionsschritte lauten (falls Energie aufgenommen wird, wird der Betrag mit einem positiven Vorzeichen angegeben, bei Abgabe mit einem negativen), und wie sich diese Energiebeträge in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen wie Druck oder Temperatur ändern.

[Bearbeiten] Kinetik

Die Thermodynamik befasst sich nur mit energetischen Betrachtungen von Reaktionen, aber nicht mit ihrem zeitlichen Ablauf (der Reaktionsgeschwindigkeit). Dies ist die Aufgabe der Kinetik. Dem liegt folgende Theorie zugrunde:

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist definiert als die "Konzentrationsänderung einer Substanz A durch die Zeit", also:

[A] ist hierbei die Konzentration eines Stoffes, einfach gesagt: die Anzahl der Moleküle eines Stoffes in einem bestimmten Volumen. Angegeben wird diese in "mol pro Liter", also:

Mol ist hier die Einheit der Stoffmenge, und hat als Referenz die sogenannte Avogadro-Konstante, die 6*10^23 beträgt. Ein Mol sind also 6*10^23 Teilchen (Atome, Moleküle, Elektronen etc.). Liter ist eine Volumeneinheit.

Nehmen wir jetzt an, wir haben folgende Reaktion: Ein Molekül A wird zu einem Molekül B umgewandelt, also:

Dann kann man die Reaktionsgeschwindigkeit auf zwei verschiedene Arten formulieren, nämlich:

oder

Wir sehen: Bei Edukten, d.h. Ausgangsstoffen, wird ein negatives Vorzeichen vor den Bruch gesetzt, bei Produkten, also entstehenden Stoffen, ein positives. Das ist eine allgemeingültige Regel.

Die Reaktionsgeschwindigkeit lässt sich aber auch anders definieren:

Es gilt durch Gleichsetzen der beiden Gleichungen:

=

oder

=

Daraus sehen wir 2 allgemein gültige Aussagen:

• Die Geschwindigkeit einer Reaktion hängt immer nur von der Konzentration der Edukte ab, nicht von der der Produkte.

• ist eine stoffspezifische Konstante - wenn diese einmal bestimmt ist, kann für jede Konzentration eines beliebigen Eduktes die Reaktionsgeschwindigkeit der Gesamtreaktion bestimmt werden.

Damit Fall 2 gilt, muss zudem die sogenannte partielle Reaktionsordnung des Eduktes bekannt sein (in der oberen Formel mit dem a als Exponenten bezeichnet). Sie gibt an, in welchem Maße die Konzentration eines Stoffes auf die Reaktionsgeschwindigkeit Einfluss nimmt. Die partiellen Ordnungen aller Edukte summiert geben die Gesamtreaktionsordnung an.

Bei Kenntnis der partiellen Reaktionsordnung eines Edukts und der Geschwindigkeitskonstante für die Gesamtreaktion kann der Chemiker also Vorhersagen über die Geschwindigkeit der Reaktion oder die Konzentrationsänderungen in ihrem Verlauf machen. Das ist eben die Hauptaufgabe der Kinetik. Zudem werden Reaktionsmechanismen, d.h. mögliche Abläufe der Einzelschritte einer Reaktion, entwickelt und experimentell bekräftigt/widerlegt.