Praktikum Physikalische Chemie - Cheatsheet

Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energieerhaltung und -umwandlung

Definition:

Erster Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems konstant ist - Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden.

Details:

• Mathematische Darstellung: \( \Delta U = Q - W \)
• \( \Delta U \) ist die Änderung der inneren Energie
• \( Q \) ist die zugeführte Wärme
• \( W \) ist die geleistete Arbeit
• Zugeführte Wärme (\( Q > 0 \): System nimmt Wärme auf)
• Zugeführte Arbeit (\( W > 0 \): Arbeit am System verrichtet)
• Innere Energie abhängig von Temperatur, Volumen und Druck des Systems

Reaktionsgeschwindigkeit und Rate Laws

Definition:

Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell eine chemische Reaktion abläuft.

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeit (v) ist die Änderung der Konzentration (\text{d}[A]) eines Reaktanten/Produkts pro Zeiteinheit (\text{d}t): \(v = \frac{\text{d}[A]}{\text{d}t}\)
• Rate Laws: funktionale Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Konzentrationen der Reaktanten.
• Allgemeine Form: \(v = k [A]^m [B]^n \)
• k = Geschwindigkeitskonstante
• m, n = Ordnung der Reaktion bezogen auf jeweilige Reaktanten
• Gesamtordnung: Summe aller Exponenten (m + n)

Aktivierungsenergie und Arrhenius-Gleichung

Definition:

Minimum Energie, die benötigt wird, um eine chemische Reaktion zu starten.

Details:

• Arrhenius-Gleichung: \[ k = A \cdot e^{-\frac{E_A}{RT}} \]
• \( k \): Geschwindigkeitskonstante
• \( A \): Präexponentialfaktor
• \( E_A \): Aktivierungsenergie
• \( R \): Gaskonstante
• \( T \): Temperatur in Kelvin
• Einflussfaktoren: Temperatur, Katalysatoren

UV/Vis-Spektroskopie und Anwendungen

Definition:

UV/Vis-Spektroskopie: Messung der Absorption von ultraviolettem und sichtbarem Licht durch eine Probe zur Analyse molekularer Strukturen und Konzentrationen.

Details:

• Grundlage: Absorption von Licht im UV- und sichtbaren Bereich, Übergänge zwischen Molekülorbitalen.
• Lambert-Beer'sches Gesetz: \[ A = \epsilon \cdot c \cdot d \] wobei \[ A \] die Absorption, \[ \epsilon \] der molare Extinktionskoeffizient, \[ c \] die Konzentration, und \[ d \] die Schichtdicke ist.
• Anwendungen: Konzentrationsbestimmung, Studien von Reaktionsmechanismen, Bestimmung von Bindungseigenschaften und elektronischen Übergängen.
• Instrumentierung: Spektrophotometer mit Lichtquelle, Monochromator, Probe und Detektor.

Infrarotspektroskopie (IR): Identifikation von Molekülstrukturen

Definition:

Analyse der Schwingungsfrequenzen von Molekülen durch Infrarotstrahlung. Identifikation funktioneller Gruppen und Strukturaufklärung.

Details:

• Grundprinzip: Moleküle absorbieren IR-Strahlung und ändern ihren Schwingungszustand
• IR-Spektrum: Plot der Absorption gegen Wellenzahl (in cm^{-1})
• Wichtige Kennwerte: C=O-Streckschwingung (1700 cm^{-1}), O-H-Streckschwingung (3200-3600 cm^{-1})
• Fingerabdruckbereich: 400-1500 cm^{-1}, charakteristisch für spezifische Moleküle
• Analyse: Vergleich der gemessenen IR-Spektren mit Referenzspektren

NMR-Spektroskopie: Analyse von Kernspins und molekularen Umgebungen

Definition:

Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) untersucht die Wechselwirkungen von Kernspins in einem Magnetfeld zur Bestimmung molekularer Strukturen und Dynamiken.

Details:

• NMR-Grundlagen: Wechselwirkung von Kernspin und Magnetfeld
• Frequenz: Larmorfrequenz \[ u = \frac{\beta}{2 \, \pi} B_0 \]
• NMR-Signal: Fourier-Transformation des freien Induktionszerfalls (FID)
• Parameter: chemische Verschiebung (\delta), Kopplungskonstanten (J), Relaxationszeiten (T1, T2)
• Lösungsmittel, Konzentrationen und Temperatureffekte
• Anwendungen: Strukturanalyse, Konformationsstudien, Dynamik von Molekülen

Experimentelle Methoden zur Bestimmung von Reaktionsgeschwindigkeiten

Definition:

Experimentelle Methoden zur Bestimmung von Reaktionsgeschwindigkeiten dienen dazu, die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen quantitativ zu bestimmen. Wichtige Methoden umfassen die Überwachung der Konzentrationsänderung von Reaktanten oder Produkten über die Zeit.

Details:

• Konzentrationsänderung (\textit{c}) wird oft über Absorptionsmessungen (UV-Vis-Spektroskopie) verfolgt.
• Zeitliche Änderung der Konzentration gibt Reaktionsgeschwindigkeit: \ v = \frac{\text{d}[A]}{\text{d}t}
• Kontinuierliche Messung kann durch Fließreaktoren oder Stopped-Flow-Technik erreicht werden.
• Start-Stop-Techniken: Reaktion bei verschiedenen Zeiten stoppen, Konzentration messen.
• Temperaturabhängigkeit: Arrhenius-Gleichung \ k(T) = A \ e^{-\frac{E_a}{R T} }
• Mechanistische Studien: Identifikation und Untersuchung von Intermediaten, z.B. durch schnelle Techniken wie Flash-Photolyse.
• Datumsauswertung oft durch graphische Methoden, z.B. Arrhenius-Plot.