Physikalische Chemie mit Praktikum - Cheatsheet.pdf

Erster, zweiter und dritter Hauptsatz der Thermodynamik

Definition:

Fundamentale Prinzipien der Thermodynamik, die Energieerhaltung, Entropie und absolute Temperaturgrenzen beschreiben.

Details:

• Erster Hauptsatz: Energieerhaltung\( \Delta U = Q - W \)
• Zweiter Hauptsatz: Entropie nimmt zu\( \Delta S \geq 0 \)
• Dritter Hauptsatz: Absolute Nulltemperatur\( S \to 0 \text{ für } T \to 0 \)

Zustandsfunktionen: Enthalpie, Entropie und freie Energie

Definition:

Zustandsfunktionen sind thermodynamische Größen, die nur vom aktuellen Zustand des Systems abhängen, nicht davon, wie dieser Zustand erreicht wurde.

Details:

• Enthalpie (H): Summe der inneren Energie und des Produktes aus Druck und Volumen: \[ H = U + pV \] Wichtig für die Betrachtung von Prozessen bei konstantem Druck.
• Entropie (S): Maß für die Unordnung oder Zufälligkeit in einem System: \[ \text{d}S = \frac{\text{d}q_{\text{rev}}}{T} \] Bestimmt die Richtung von spontanen Prozessen.
• Freie Energie: nutzt Entropie, um Arbeitspotential zu bestimmen:
  • Gibbs freie Energie (G): für konstante Temperatur und Druck: \[ G = H - TS \] Spontane Prozesse: \[ \text{d}G < 0 \]
  • Helmholtz freie Energie (A): für konstantes Volumen und Temperatur: \[ A = U - TS \] Spontane Prozesse: \[ \text{d}A < 0 \]

Phasendiagramme und Phasengleichgewichte

Definition:

Phasendiagramme: Graphische Darstellung von Zuständen eines Systems in Abhängigkeit von Druck und Temperatur oder anderen Variablen. Phasengleichgewichte: Zustand, in dem mehrere Phasen eines Systems koexistieren und ihre chemischen Potentiale gleich sind.

Details:

• Achsen: Temperatur (T) und Druck (p)
• Dreiphasenpunkt: Punkt, an dem drei Phasen im Gleichgewicht sind
• Kritischer Punkt: Punkt, an dem Flüssig- und Gasphase nicht mehr unterscheidbar sind
• Clausius-Clapeyron-Gleichung: \[ \frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}T} = \frac{\Delta H_{\text{trans}}}{T \Delta V_{\text{trans}}} \]
• Phasengrenzlinien: Grenzen zwischen verschiedenen Phasen (z.B. fest-flüssig, flüssig-gasförmig)
• Heterogenes Gleichgewicht: Gleichgewicht zwischen verschiedenen Phasen

Reaktionsgeschwindigkeit und -ordnungen in der Kinetik

Definition:

Maß für die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen; beschreibt, wie schnell die Konzentration der Reaktanten oder Produkte sich ändert

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeit: \( v = -\frac{d[A]}{dt} = k \cdot [A]^m \cdot [B]^n \)
• Reaktionsordnung: Summe der Exponenten der Konzentrationen (m + n)
• Bestimmung methodisch durch experimentelle Daten und Konzentrationsmessungen
• Nullter Ordnung: Geschwindigkeit unabhängig von \([A]\), \( v = k \)
• Erster Ordnung: Geschwindigkeit hängt linear von \([A]\) ab, \( v = k \cdot [A] \)
• Zweiter Ordnung: Geschwindigkeit hängt quadratisch von \([A]\) ab oder produktartig von \([A]\) und \([B]\), \( v = k \cdot [A]^2 \) oder \( v = k \cdot [A] \cdot [B] \)
• Temperaturabhängigkeit beschrieben durch Arrhenius-Gleichung: \( k = A \cdot e^{-\frac{E_a}{RT}} \)

Konzept der Aktivierungsenergie und Übergangszustand

Definition:

Aktivierungsenergie ist die Energiebarriere, die überwunden werden muss, damit eine chemische Reaktion ablaufen kann. Übergangszustand ist der Zustand höchster Energie entlang des Reaktionsweges.

Details:

• Aktivierungsenergie: oft symbolisiert als \(E_a\)
• Übergangszustand: existiert nur vorübergehend
• Wird definiert durch das höchste Energie-Niveau im Reaktionskoordinatendiagramm
• Arrhenius-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Aktivierungsenergie:
• Arrhenius-Gleichung: \[k = A e^{- \frac{E_a}{RT}}\]
• \(k\): Reaktionsgeschwindigkeitskonstante
• \(A\): Präexponentieller Faktor
• \(R\): allgemeine Gaskonstante
• \(T\): Temperatur

Grundlagen der Absorptions- und Emissionsspektroskopie

Definition:

Grundlagen der Absorptions- und Emissionsspektroskopie: Untersuchung der Wechselwirkung von Licht mit Materie durch Absorption (Aufnahme) und Emission (Abgabe) von Photonen.

Details:

• Absorption: Übergang von Elektronen auf höhere Energiestufen durch Photoneneinwirkung
• Emission: Übergang von Elektronen auf niedrigere Energiestufen unter Abgabe von Photonen
• Beer'sches Gesetz: \[ A = \varepsilon \. c \. d \]
• Lambert-Beer'sches Gesetz: \[ A = - \log (I/I_0) \]
• Spektrum: Darstellung der Intensität über die Wellenlänge oder Frequenz
• Sensitivität und Selektivität: Wichtige Parameter zur Bestimmung von Substanzen
• Anwendung: Analyse von Molekülstrukturen, Konzentrationen, und Reaktionsmechanismen

NMR- und Massenspektrometrie

Definition:

NMR und Massenspektrometrie sind analytische Methoden zur Bestimmung der Struktur und Zusammensetzung von Molekülen.

Details:

• NMR (Kernspinresonanzspektroskopie): misst Wechselwirkungen von Atomkernen im Magnetfeld
• Kernspinrotationen bei bestimmten Frequenzen
• Gibt Information über chemische Umgebung von Kernen (chemische Verschiebung, Kopplungskonstanten)
• Massenspektrometrie (MS): analysiert Ionen im Vakuum
• Präzise Bestimmung der Molekülmasse und Bruchstücke
• Erzeugung von Ionen durch Techniken wie EI, ESI, MALDI
• Analysetools: Flugzeit (TOF), Quadrupol, Ionenfallen

Experimentelle Methoden zur Kinetikbestimmung

Definition:

Methoden in der Physikalischen Chemie zur Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit.

Details:

• Spectrophotometrie: Überwachung der Konzentrationsänderung durch Absorptionsmessungen.
• Titrimetrie: Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Titration.
• Chromatographie: Auftrennung und Analyse der Reaktionsprodukte zur zeitlichen Bestimmung.
• Relaxationsmethoden: Untersuchung schneller Reaktionen durch Störung des Gleichgewichts.
• Temperatursprungmethode: Schnelles Erwärmen der Probe zur Induktion der Reaktion und Beobachtung der Relaxation.
• Stop-Flow-Technik: Rasches Mischen der Reaktanten und sofortige Messung der Reaktionskinetik.
• Gleichung der Reaktionsgeschwindigkeit: \(\frac{d[A]}{dt} = -k[A]^n\), wobei \(k\) die Geschwindigkeitskonstante und \(n\) die Reaktionsordnung ist.