Forschungsmodul Physical Chemistry - Cheatsheet

Spektroskopische Techniken: UV-Vis, IR, NMR

Definition:

Spektroskopische Techniken umfassen Methoden zur Analyse der Wechselwirkung von Licht mit Materie, speziell UV-Vis, IR und NMR.

Details:

• UV-Vis-Spektroskopie: Analyse elektronischer Übergänge in Molekülen im UV- und sichtbaren Bereich.
• IR-Spektroskopie: Untersuchung molekularer Schwingungen und Rotationen durch Infrarotstrahlung.
• NMR-Spektroskopie: Bestimmung molekularer Struktur und Dynamik durch Wechselwirkungen von Atomkernen in einem Magnetfeld.
• UV-Vis: \(\text{Absorption} = \frac{\text{I}_0 - \text{I}}{\text{I}_0} \), Lambe-Beersches Gesetz: \(A = \text{log}(\frac{I_0}{I}) = \text{εcl}\)
• IR: Wellenzahl \(\text{cm}^{-1} = \frac{1}{\text{Wellenlänge (cm)}}\), Charakteristische Peaks für funktionelle Gruppen.
• NMR: \(\delta = \frac{u - u_0}{u_0} \times 10^6 \) ppm, chemische Verschiebung und Kopplungskonstanten.

Thermodynamik und statistische Mechanik

Definition:

Thermodynamik befasst sich mit makroskopischen Eigenschaften von Systemen und deren Energieaustausch. Statistische Mechanik erklärt thermodynamische Phänomene basierend auf mikroskopischen Zuständen von Teilchen.

Details:

• Erster Hauptsatz der Thermodynamik: \( \text{d}U = \text{d}Q + \text{d}W \)
• Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Entropie eines abgeschlossenen Systems bleibt gleich oder nimmt zu.
• Zustandsgleichung für ideale Gase: \( PV = nRT \)
• Boltzmann-Verteilungsgesetz: \( P(E) \propto \exp(-E/k_B T) \)
• Partition Function (Zustandssumme): \( Z = \sum_i \text{e}^{-E_i/k_B T} \)
• Freie Energie: \( F = U - TS \)
• Verbinde mikroskopische Zustände mit makroskopischen Größen: \( S = k_B \ln \text{W} \)

Kinetische Theorien chemischer Reaktionen

Definition:

Beschreibung der Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen basierend auf molekularen Bewegungen und Kollisionen.

Details:

• Zentraler Ansatz: Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Anzahl und Energie der Kollisionen ab.
• Arrhenius-Gleichung: \[k = A e^{-\frac{E_a}{RT}}\]
• Michaelis-Menten-Kinetik für Enzymreaktionen.
• Übergangszustand-Theorie: Aktivierungsenergie und Aktivierter Komplex entscheidend für Reaktionsgeschwindigkeit.
• Stoßtheorie: Reaktanten müssen mit ausreichender Energie und richtig ausgerichtet kollidieren, um zu reagieren.

Oberflächenanalysen: AFM, SEM

Definition:

Oberflächenanalysen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM).

Details:

• AFM: Höchste Auflösung zur Untersuchung der Oberflächentopographie auf atomarer Ebene.
• SEM: Elektronenmikroskopieverfahren zur Analyse der Oberflächenstruktur; bietet hochauflösende Bilder.
• AFM nutzt eine feine Spitze zum Tasten und Abbilden.
• SEM verwendet einen Elektronenstrahl zur Rasterung der Oberfläche.
• AFM-Modi: Kontaktmodus, Nicht-Kontaktmodus, Tapping-Modus.
• SEM liefert Informationen über Morphologie und Zusammensetzung.
• Probenvorbereitung für SEM: Beschichtung (z.B. mit Gold) nötig, um Elektronenleitfähigkeit zu gewährleisten.

Thermoanalytische Methoden: DSC, TGA

Definition:

Thermoanalytische Methoden umfassen DSC (Differential Scanning Calorimetry) und TGA (Thermogravimetrische Analyse). Beide Methoden dienen zur Untersuchung der thermischen Eigenschaften von Materialien.

Details:

• DSC: misst die Temperatur- und Wärmemengenänderungen in einem Material.
• Grundgleichung DSC: \[\text{Wärmeflussdifferenz } (\frac{dQ}{dt}) = \frac{dH}{dt} - \frac{dT}{dt} \frac{dC_p}{dT} \]
• DSC-Anwendungen: Bestimmung von Schmelzpunkten, Glasübergangstemperaturen, Phasenübergängen.
• TGA: misst den Gewichtsverlust eines Materials als Funktion der Temperatur.
• Grundgleichung TGA: \[\text{Massenverlust } (\frac{dm}{dt}) = f(T) \]
• TGA-Anwendungen: Bestimmung der thermischen Stabilität, Zersetzungsprozesse, Zusammensetzung.

Datenanalyse und Interpretation

Definition:

Analyse und Interpretation von experimentellen Daten in der Physikalischen Chemie, um Hypothesen zu testen und Modelle zu validieren.

Details:

• Daten vorverarbeiten: Bereinigung und Normalisierung von Daten.
• Statistische Methoden: Mittelwert, Standardabweichung, Varianz.
• Lineare und nichtlineare Regression: Anpassung von Modellen an Daten.
• Fourier-Transformation: Analyse von periodischen Signalen.
• Fehleranalyse: Unsicherheiten und deren Propagation.
• Korrelation vs. Kausalität: Unterscheidung und Interpretation.
• Software-Tools: Nutzung von Programmen wie MATLAB, OriginLab, und Python für Datenanalyse.

Quantenmechanik in der Chemie

Definition:

Anwendung quantenmechanischer Prinzipien zur Beschreibung und Vorhersage chemischer Systeme und Reaktionen.

Details:

• Schrödinger-Gleichung: \[ i\frac{\text{d}}{\text{d} t} | \text{ψ} (t) \rangle = \text{H} | \text{ψ} (t) \rangle \]
• Elektronenstruktur und Orbitale
• MO-Theorie zur Beschreibung molekularer Bindungen
• Born-Oppenheimer-Näherung: Trennt Bewegung von Kernen und Elektronen
• Pauli-Prinzip: Keine zwei Elektronen in einem Atom können denselben Quantenzustand einnehmen
• Heisenbergsche Unschärferelation: \[ \text{Δ} x \text{Δ} p \text{≥} \frac{\text{ħ}}{2} \]
• Semiklassische Ansätze und Dichtefunktionaltheorie (DFT)

Aufbau von Spektrometern

Definition:

Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines Spektrometers zur Analyse der spektralen Eigenschaften von Licht und Materie.

Details:

• Quelle (\text{Bsp. Lichtquelle}): erzeugt Strahlung
• Monochromator/Filter: selektiert spezifische Wellenlängen
• Probe: Wechselwirkung der Strahlung mit der Materie
• Detektor: misst die Intensität der durchgelassenen oder emittierten Strahlung
• Auswertungssystem: analysiert und zeigt die Daten