Physikalische Chemie

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Teilgebiete der physikalischen Chemie

Zur physikalischen Chemie zählen u. a. die Thermodynamik und die Reaktionskinetik, ferner die Untersuchung der Lösungen und der Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig. Außerdem umfasst sie Gebiete wie Elektrochemie, Kolloidchemie, Photochemie und Magnetochemie.

3.1

Thermodynamik

Hier werden die Wechselwirkungen und Umwandlungen der verschiedenen Energieformen von Materie untersucht. Dazu zählen der Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Systems mit seiner inneren Energie, seinem Grad der Unordnung und seiner Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Andere Gesichtspunkte sind u. a. die aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge und die Zustandsänderungen (z. B. von der Flüssigkeit zum Gas oder umgekehrt oder vom Festkörper zur Flüssigkeit), ferner die vom oder am System verrichtete Arbeit. Diese kann entweder mechanisch sein oder beispielsweise in Form elektrischer Ströme umgesetzt werden. Weitere Aspekte sind die Bildung von Oberflächen, die Änderung der Oberflächenspannung sowie Änderungen von Druck oder Volumen und schließlich auch die Bildung oder der Zerfall von chemischen Verbindungen. Auch die Berechnung der inneren Energie und des Ordnungsgrades (Entropie) sowie der freien Energie (der Fähigkeit, Arbeit zu verrichten). Diese Berechnungen basieren auf einem Modell des jeweiligen Teilchens (Atom, Molekül oder Ion) und auf den Methoden der Statistik.

3.2

Reaktionskinetik

Gegenstand der Reaktionskinetik ist die Abhängigkeit der Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen von den Konzentrationen der Reaktionspartner. Außerdem untersucht sie, wie Reaktionen von Katalysatoren oder Inhibitoren vom jeweiligen Lösungsmittel, von der Temperatur oder vom Druck beeinflusst werden. Ganz wesentlich ist die Verknüpfung der Zeitabhängigkeit einer Reaktionsgeschwindigkeit mit den geschwindigkeitsbestimmenden molekularen Zusammenstößen. Viele Reaktionen bestehen aus einzelnen nacheinander ablaufenden Reaktionsschritten. Deren Summe kann als Gesamtreaktion formuliert werden, die die Stöchiometrie angibt, d. h. die Mengenverhältnisse von reagierenden Stoffen und Reaktionsprodukten. Im Allgemeinen ist nur einer der Reaktionsschritte geschwindigkeitsbestimmend, während die anderen deutlich schneller ablaufen. Der Mechanismus einer Reaktion kann meist aufgeklärt werden, indem man den Typ der geschwindigkeitsbestimmenden Teilreaktion durch mathematische Berechnung ihres zeitlichen Verlaufs ermittelt. Dabei werden in Versuchsreihen verschiedene Größen systematisch variiert (z. B. das Lösungsmittel, die Temperatur oder die Gegenwart anderer Substanzen) und ihr Einfluss danach quantitativ bestimmt.

3.3

Der gasförmige Zustand

In der physikalischen Chemie befasst man sich u. a. mit den Eigenschaften der Gase, vor allem mit den Gesetzmäßigkeiten, die zwischen Druck, Volumen, Temperatur und Menge eines Gases bestehen. Eine Formel, die einen solchen Zusammenhang in mathematischer Form beschreibt, nennt man Zustandsgleichung. Ein ideales Gas ist ein hypothetisches Gas, dessen Atome oder Moleküle eine vernachlässigbar kleine Größe haben und keinerlei Anziehungs- oder Abstoßungskräfte aufeinander ausüben. Die Zustandsgleichung für ein solches Gas ist sehr einfach:

pV = nRT

Dabei ist p der Druck, V das Volumen und n die vorliegende Anzahl der Mole der betreffenden Substanz. Ferner ist R die molare Gaskonstante (8,31441 Joule pro Mol und Kelvin) und T die absolute Temperatur, angegeben in Kelvin (abgekürzt: K). Die Zustandsgleichungen realer Gase sind komplizierter; sie enthalten weitere Variablen, durch die die endliche Größe der Teilchen und die zwischenmolekularen Kräfte berücksichtigt werden. Aus den experimentellen Daten eines realen Gases erhält man daher Informationen über die relativen Größen der Moleküle und über die Kräfte, die zwischen ihnen wirken.

3.4

Der flüssige Zustand

In der physikalischen Chemie behandelt man u. a. auch die Eigenschaften von Flüssigkeiten. Hierzu zählen vor allem Parameter wie z. B. Dampfdruck, Siedepunkt, Verdampfungswärme, Wärmekapazität, molares Volumen, Viskosität und Kompressibilität (Quotient aus Volumenabnahme und der sie erzeugenden Druckerhöhung). Auch der Einfluss von Temperatur und Druck auf diese Größen ist interessant und gibt weitere Aufschlüsse über die Art der jeweiligen Substanz.