Chemistry for Physicists - Cheatsheet.pdf

Kovalente Bindungen und ihre Eigenschaften

Definition:

Atombindungen, bei denen Elektronen zwischen Atomen geteilt werden.

Details:

• Bilden sich zwischen Nichtmetallatomen.
• Elektronenpaarbindung -> geteiltes Elektronenpaar.
• Können einfach (ein gemeinsames Paar), doppelt (zwei Paare), dreifach (drei Paare) sein.
• Starke Bindungen, hohe Stabilität.
• Richtungsabhängig: Haben bestimmte Geometrie (Winkel, Längen).
• Elektronegativität \rightarrow unterschiedliches Anziehungsvermögen der Elektronen.

Erster und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Definition:

Erster Hauptsatz: Energieerhaltung in thermodynamischen Prozessen. Zweiter Hauptsatz: Entropie nimmt in einem abgeschlossenen System niemals ab.

Details:

• Erster Hauptsatz: \( \Delta U = Q - W \)
• Zweiter Hauptsatz: Entropie \( S \) eines abgeschlossenen Systems kann nur zunehmen oder konstant bleiben: \( \Delta S \ge 0 \)
• 1. HS beschreibt die Umwandlung von Energieformen unter Beachtung der inneren Energie \( U \)
• 2. HS beschreibt die Richtung von Prozessen und die Irreversibilität natürlicher Vorgänge
• Beispiel für 2. HS: Wärme fließt spontan von heiß nach kalt, nicht umgekehrt.

Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung

Definition:

Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell eine chemische Reaktion abläuft, Reaktionsordnung gibt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Konzentrationen der Edukte an.

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz: \[ v = k \times [A]^m \times [B]^n \]
• k: Geschwindigkeitskonstante
• m, n: Reaktionsordnungen (experimentell bestimmt)
• Gesamtreaktionsordnung: Summe der Exponenten \(m + n\)
• Einfluss der Temperatur: Arrhenius-Gleichung \[ k = A \times e^{-\frac{E_a}{RT}} \]
• Analyse häufig über Zeitkonzentrationsdaten: Methode der Anfangsgeschwindigkeiten, Integrierte Form der Geschwindigkeitsgleichungen

Galvanische Zellen und elektrochemische Potenziale

Definition:

Galvanische Zellen nutzen chemische Reaktionen zur Erzeugung elektrischer Energie. Elektrochemische Potenziale bestimmen die Richtung und das Ausmaß von Redoxreaktionen.

Details:

• Bestehen aus zwei Halbzellen: Anode (Oxidation) und Kathode (Reduktion).
• Elektrolyte ermöglichen den Ionenfluss zwischen Halbzellen.
• Die elektromotorische Kraft (EMK) wird als Spannung zwischen den Elektroden gemessen: \[E_{cell} = E_{K} - E_{A}\]
• Standardpotentiale bestimmen anhand von Standardbedingungen.
• Nernst-Gleichung beschreibt das Elektrodenpotential: \[E = E^0 - \frac{RT}{nF} \ln Q\]
• Gibbsfreie Energieänderung: \[\Delta G = -nFE_{cell}\]

Kristallstruktur und Kristallfehler

Definition:

Kristallstruktur beschreibt die regelmäßige Anordnung von Atomen in einem Kristall. Kristallfehler sind Abweichungen von dieser idealen Ordnung.

Details:

• Kristallgittertypen: kubisch (bcc, fcc), hexagonal (hcp)
• Einheitszelle: kleinste sich wiederholende Einheit
• Gitterkonstante: Abstand zwischen Atomen im Gitter
• Punktfehler: Leerstellen, Zwischengitteratome, Substitutionsatome
• Linienfehler: Versetzungen (Stufenversetzung, Schraubenversetzung)
• Flächenfehler: Korngrenzen, Zwillingsgrenzen
• Volumenfehler: Einschlüsse, Ausscheidungen
• Einfluss von Fehlern: mechanische Festigkeit, elektrische Eigenschaften

Redoxreaktionen und Elektrolyse

Definition:

Redoxreaktionen: Chemische Reaktionen, bei denen Elektronen von einem Stoff auf einen anderen übertragen werden. Elektrolyse: Prozess, bei dem elektrische Energie verwendet wird, um eine nicht-spontane Redoxreaktion zu erzwingen.

Details:

• Oxidation: Verlust von Elektronen
• Reduktion: Gewinn von Elektronen
• Oxidationsmittel: Akzeptiert Elektronen und wird reduziert
• Reduktionsmittel: Gibt Elektronen ab und wird oxidiert
• Elektrolyse: Zersetzung von Verbindungen durch elektrische Energie
• Wichtig: Anode (Oxidation), Kathode (Reduktion)
• Zn/Cu-Galvanische Zelle: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (Anode), Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (Kathode)

Aktivierungsenergie und Katalyse

Definition:

Aktivierungsenergie (EA) ist die Mindestenergie, die notwendig ist, um eine chemische Reaktion zu initiieren. Katalyse beschleunigt die Reaktion, indem EA gesenkt wird.

Details:

• Aktivierungsenergie \(E_A\): Energiebarriere, die Reaktanten überwinden müssen.
• Arrhenius-Gleichung: \[k = A e^{-E_A / (RT)} \]
• Katalysatoren: Substanzen, die \(E_A\) senken ohne selbst verbraucht zu werden.
• Homogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in gleicher Phase.
• Heterogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in unterschiedlichen Phasen.
• Enzymkatalyse: Spezielle Form der Katalyse durch Enzyme in biologischen Systemen.

Phasenübergänge und deren thermodynamische Beschreibung

Definition:

Phasenübergänge: Änderungen des Aggregatszustands (fest, flüssig, gasförmig) eines Stoffes. Thermodynamische Beschreibung: Energieänderungen und Zustandsgrößenänderungen (z.B. Temperatur, Druck) während des Phasenübergangs.

Details:

• Erster Ordnung: Diskontinuitäten in erster Ableitung der Gibbs-Energie, z.B. Schmelzen, Verdampfen.
• Zweiter Ordnung: Diskontinuitäten in zweiter Ableitung der Gibbs-Energie, z.B. Ferromagnetismus.
• Gibbs-Energie: \(\Delta G = \Delta H - T \Delta S\)
• Latente Wärme: Energie, die bei einem Phasenübergang zugeführt oder freigesetzt wird, ohne Temperaturänderung.
• Clausius-Clapeyron-Gleichung: beschreibt die Abhängigkeit des Gleichgewichtsdrucks von Temperatur: \[ \frac{dP}{dT} = \frac{\Delta H_{\text{vap}}}{T \Delta V} \]
• Kritischer Punkt: Zustand, bei dem die Unterscheidung zwischen flüssiger und gasförmiger Phase verschwindet.