Basiswissen physikalische Chemie

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Author: Claus Czeslik | Heiko Seeman | Roland Winter

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Claus Czeslik | Heiko Seemann | Roland Winter Basiswissen Physikalische Chemie

Studienbücher Chemie

Herausgegeben von Prof. Dr. rer. nat Christoph Elschenbroich, Marburg Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Friedrich Hensel, Marburg Prof. Dr. phil. Henning Hopf, Braunschweig Die Studienbücher der Reihe Chemie sollen in Form einzelner Bausteine grundlegende und weiterführende Themen aus allen Gebieten der Chemie umfassen. Sie streben nicht die Breite eines Lehrbuchs oder einer umfangreichen Monographie an, sondern sollen den Studierenden der Chemie – aber auch den bereits im Berufsleben stehenden Chemiker – kompetent in aktuelle und sich in rascher Entwicklung befindende Gebiete der Chemie einführen. Die Bücher sind zum Gebrauch neben der Vorlesung, aber auch anstelle von Vorlesungen geeignet. Es wird angestrebt, im Laufe der Zeit alle Bereiche der Chemie in derartigen Lehrbüchern vorzustellen. Die Reihe richtet sich auch an Studierende anderer Naturwissenschaften, die an einer exemplarischen Darstellung der Chemie interessiert sind.

www.viewegteubner.de

Claus Czeslik | Heiko Seemann | Roland Winter

Basiswissen Physikalische Chemie 3., überarbeitete und erweiterte Auflage STUDIUM

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Claus Czeslik Geboren 1968 in Oberhausen, Chemiestudium an der Ruhr-Universität Bochum, 1997 Promotion in Physikalischer Chemie an der Universität Dortmund bei Prof. Dr. R. Winter, 1998 –1999 Post-Doktorand an der University of Illinois at Urbana-Champaign bei Prof. Dr. J. Jonas, 2006 Habilitation in Physikalischer Chemie in Dortmund, seit 2008 Akademischer Oberrat an der Fakultät Chemie der Technischen Universität Dortmund bei Prof. Dr. R. Winter. Hauptarbeitsgebiete: Biophysikalische Chemie (Chemisch-biologische Grenzflächen, Proteinadsorption) Dr. rer. nat. Heiko Seemann Geboren 1969 in Dortmund, Chemiestudium an der Universität Dortmund, 2000 Promotion in Physikalischer Chemie bei Prof. Dr. R. Winter, 1996 – 2001 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbereich Chemie der Technischen Universität Dortmund. Prof. Dr. rer. nat. Roland Winter Geboren 1954 in Offenbach/Main, Chemiestudium an der Universität (TH) Karlsruhe, Promotion in Physikalischer Chemie bei Prof. Dr. U. Schindewolf, 1983 –1991 wissenschaftlicher Angestellter am Fachbereich Physikalische Chemie der Philipps-Universität Marburg bei Prof. Dr. F. Hensel, 1987–1988 Forschungsaufenthalt an der School of Chemical Sciences in Urbana-Champaign bei Prof. Dr. J. Jonas, 1991 Habilitation in Physikalischer Chemie in Marburg. 1992 Ruf auf eine Professur für Physikalische Chemie an der Ruhr-Universität in Bochum,1993 Ruf auf einen Lehrstuhl für Physikalische Chemie an der Technischen Universität Dortmund. Hauptarbeitsgebiete: Biophysikalische Chemie (Membranbiophysik, Proteinfaltung und -missfaltung, Hochdruckeffekte in der molekularen Biophysik), Struktur und Dynamik von Flüssigkeiten, Hochdruckchemie

1. Auflage 2001 2. Auflage 2007 3., überarbeitete und erweiterte Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Ulrich Sandten | Kerstin Hoffmann Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8351-0253-8 Compiled by Matt Pretender

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1.1 Ideale Gase

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Abbildung 1.13: Stromt ein Gas oder eine Fliissigkeit dur ch ein Rohr, bildet sich eine para bolische Geschwind igkeitsver teilung vCr) aus. Pa s verwend et ). A = 2rrr L ist die zylindrische Flache zwischen zwei un t erschiedlich schnellen Gas- bzw. Fliissigkeit sschichten. Der Reibungskr aft F R eib wirkt eine Kr aft aufgru nd der Druckdifferen z 6.p = PI - pz entgegen:

dv 2 ry. (2rrrL) . - = - 6.prrr dr Diese Gleichung gilt am Radi us r . Welche Geschwindi gkeit die Teilchen dort haben , erha lten wir durch Integr ation von dv (nach Trenn ung der Var iab len v und r ): v

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Man erha lt somit ein parabo lisches Geschwindigkeit sprofi l v Cr ). In der Zeit T st romt eine einzelne Gas- oder Fliissigkeit sschicht mit dem Umfang 2rrr , der Dicke dr und der Strom un gsgeschwindi gkeit v um die Weglange V T aus dem Rohr heraus. Das ausge t rete ne Volumen ist dan n: dV = (vr) . (2rrr ) . dr Dur ch Integration dieser Gleichung iiber aile Radien r ergibt sich fiir den gesa mten Volumenstrom V /T das HAGEN-P OISEUILLEsche Geset z: R

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(1.57)

Mit Hilfe dieser Gleichung kann man die Viskosit at von Fliissigkeit en experimente ll bestimmen . Gase expandieren im Rohr wegen des Druckabfalls von PI nach pz und haben einen mittler en Dru ck (PI + pz)/2. Wird das Volum en V beim Druck PV gemessen, muss das HAGEN-P OISEUILLEsche Geset z um den Faktor (PI +p2)/(2pv) erg anzt wer den, dam it es zur Messung der Viskosita t von Gasen herangezogen werden kann .

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Abbildung 8.22 : Die spekt roskopische Dissoziationsenergie D~ des angeregte n hMolekiils kann mit Hilfe der Elekt ronen-Schwingungsspektroskopie bestimmt werden. Die Auftr agung von tl ii(v' ) gegen (v' + 1) liefert als Ordinatenab schnitt ii~ = 11, 37 ' 103 m-I . Die Anh arrnonizit atskonstante x~ wird aus der Steigung zu 0,008 berechnet. Die spektroskopische Dissoziationsenergie betr agt damit D~ = 43 kJ mol" ".

und aus der Steigung der Kurve somit

x~.

Mit (8.54)

erhalt man die Kraftkonstante des angeregten Schwingungszustan ds. Mit wachsender Schwingungsqu antenzahl v' wird ii kleiner und verschwindet fiir n ax = ( 2X~) -1 1. Bei hoheren Anregungsenergien trit t Dissoziation ein, und man beobachtet ein Kontinuum anstelle eines Ban densp ektrums. Wegen D~ /h c = G (v:"a x ) - G(v' = 0) gilt :

v:

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(8.55)

D' = hcii~

(8.56)

bzw. e

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( D~ = D~ - ! hcii~) . Wir erhalten so die Dissoziationsenergie des Molekiils im angeregten Zustand . Die chemische Dissoziationsenergie im elekt ronischen Gru ndzustand D~ bekomm en wir aus:

(8.57)

Hier ist

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die Frequenz des (0 +- O)-Obergan gs.

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