Physikalische Chemie für Biologen

Titel: Physikalische Chemie für Biologen
Organisation: UNI WUERZBURG
Seitenzahl: 50

Inhalt

PW Atkins Physikalische Chemie VCH Weinheim
GRUNDBEGRIFFE DER THERMODYNAMIK
Grundbegriffe der Thermodynamik
Systeme ordnet man in drei Klassen ein
Art Volumenaustausch mit Umgebung Wärmeaustausch mit Umgebung Beispiel
Offenes System ja ja offener Kochtopf
Geschlossenes System nein ja Dampfkochtopf
Abgeschlossenes System nein nein Thermoskanne
heterogenen Systemen mehrphasig
Systemart homogen homogen heterogen heterogen mikroheterogen
F EBBB GDDDC
konstant bleibt kann man folglich auch
Wärme und Temperatur
starke Temperaturerhöhung in einem Wasserbad
geringe Temperaturerhöhung in einer Badewanne
keine Temperaturänderung in einem EisWasserGemisch
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
zu einem Zustand
Isotherme Adiabat Isotherme
p Isotherme T Adiabat Isotherme T p
TK pV kPa TK
dh parallel zur Achse
Die Isothermen des
bei verschiedenen Temperaturen zeigen sich somit unstetig
als van der WaalsKonstanten und
als molarem Volumen
TK B TK K TK
als zweiter dritter vierter usw Virialkoefzent
HAUPTSÄTZE DER THERMODYNAMIK
Hauptsätze der Thermodynamik
Innere Energie eines Systems
Aus Gleichung folgt für ein ideales Gas
Der erste Hauptsatz
Für abschlossene Systeme gilt der Energieerhaltungssatz das heißt
die Notation mit
bedeutet dass kein funktioneller Zusammenhang zwischen
Schlussfolgerungen für Zustandsänderungen Prozess Adiabatisch Isochor Isobar Isotherm
Überführung eines idealen Gases von
p Isotherme T Adiabat Isotherme T
rot Wärme blau Arbeit
Wir bezeichnen eine Reaktion als
Die Wegunabhängigkeit der Reaktionsenthalpie
Beispiel Ethin verbrennt gemäß der Gleichung
Die molare Standardreaktionsenthalpie beträgt also
Somit ergibt sich nach dem Satz von Hess
Entropie und der Zweite Hauptsatz
die miteinander in Konab wohingegen sich der
Bei chemischen Reaktionen berechnet man die molare Standardreaktionsentropie
Beispiel Für Wasser Eis bei
Die Entropie von
als Funktion der Temperatur verläuft stufenweise
Der dritte Hauptsatz
mit rein kristallin fehlerfrei
und führt zu
THERMODYNAMISCHE POTENTIALE UND GLEICHGEWICHTE
Thermodynamische Potentiale und Gleichgewichte
können wir aus der GibbsHelm
H R G R T SR
Bei allen Fall
Temperatur und Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie
GuggenheimSchema Das GuggenheimSchema ermöglicht
S H P G U V A T
Heute singt unser Vampir auch tagsüber ganz prächtig
Die Enthalpie man
Phasengleichgewichte im Einkomponentensystem
Bei Druckerhöhung steigen Schmelzpunkte und Siedepunkte
die Siedepunkte bei
Bei einem Phasengleichgewicht
und der Relation
erhalten wir für
und der Änderung der freien Enthalpie
Gleichgewicht zwischen zwei Phasen und wicht
bei bei bei
Partielle molare Größen
Chemisches Potential eines idealen bzw realen Gases
Man in integriert nun über Z
und erhält folgende Darstellung Z
ergibt sich aus der Gleichung die folgende Form
Wir betrachten gelten
Für eine Komponente
In der Mischphase gilt
Nach Integration erhält man unter den Annahmen
Für ein reales Gas gilt
Chemisches Potential einer verdünnten bzw konzentrierten Lösung
In einem realem Gas gilt
mit als Nernstschem Verteilungskoefzenten
Ein spontaner Ablauf
ndet statt wenn
als Aktivitätskoefzenten und
als chemischem Potential bei
als Fugazitätskoefzent und
Löslichkeitsgleichgewicht von Gasen in Flüssigkeiten
Index Gelöster Stoff G
Zum Beispiel Luft über Wasser
Beispiel Sauerstoff bei
als Henryschem Löslichkeitskoefzenten
von A in der üssigen
Analog gilt für die Komponente Lösungsmittel der Lösung
Wegen der Voraussetzung
als ebullioskopische bzw mit des gelösten Stoffes
als kryoskopische Konstante und
reines Lösungsmittel x
Unter Abschluss hat die Lösung ein unausgeglichenes Potential
Im Gleichgewicht gilt
mit als Dissoziationsgrad zerfällt
als Anzahl der Ionen in die ein Teilchen
Im chemischen Gleichgewicht gilt dass
ist Damit folgt ein und
Die freie Reaktionsenthalpie beträgt
Ein einem heterogenen Gleichgewicht
Also für unser Beispiel mit Silberchlorid
Ionenprodukt des Wassers
Wasser bildet mit Protonen und Hydroxidionen ein Gleichgewicht
Die Gleichgewichtskonstante ist somit
Das Ionenprodukt ist wie das Löslichkeitsprodukt temperaturabhängig
Schreibt man das Ionenprodukt logarithmisch erhält man
Protolytische Gleichgewichte von Aminosäuren
Der isoelektrische Punkt liegt also bei
Für Glycin ist dies
Konzentration in Pufferlösung Zugabe von Zugabe von
die Lösung nach Zugabe von
Beispiel Eine Pufferlösung enthält Natriumacetat Welchen Wert hat
Äquivalente HCl NaOH
Elektrolyse von NaCl und galvanische Zelle DaniellElement
Zn Zn Na Cl
Kathode Kationen in die Zelle Reduktion
Anode Anionen aus der Zelle Oxidation
Faradaysches Gesetz der Elektrolyse
Daraus folgt die Größengleichung für elektrochemische Berechnungen
Die elektromotorische Kraft EMK
Die Nernstsche Gleichung
Berechnung der EMK
wenn beteiligte Stoffe nicht in Standardzuständen vorliegen
läuft die Reaktion
Beispiel Welche EMK hat die Zelle
Oberächenspannung von Flüssigkeiten
Die Einheit ist Mediums
ist eine Funktion der Temperatur und des umgebenden
sind hier die Tropfenzahlen
Benetzende und nichtbenetzende Flüssigkeiten
Benetzend zB WasserGlas Kapillare
Nichtbenetzend zB QuecksilberGlas Kapillare
und turbulenter Strömung unregelmäßige Geschwindigkeitsverteilung Wirbel
Die kinematische Viskosität berechnet sich nun folgendermaßen
Flüssigkeit H O Tp Flüssig keit T p
Fläche A Lösung cc c t t
Ficksches Gesetz Erstes Ficksches Gesetz
Zweites Ficksches Gesetz
Messgrößen sind und Durchtrittszeiten dann gilt
Mit als BoltzmannKonstante als Radius des Moleküls
als dynamische Viskosität des Lösungsmittels und

Vorschau

Skript zur Vorlesung „Physikalische Chemie für Biologen” (Akad. Oberrat Colditz)

Christopher Stapf christopher.stapf@stud-mail.uni-wuerzburg.de Christian Selig christian.selig@stud-mail.uni-wuerzburg.de November 2004

Wichtiger Hinweis: Diese Mitschrift wurde nach persönlichen Gesichtspunkten erstellt. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und kann zahlreiche Fehler enthalten. Sie ist darüber hinaus nicht von Herrn Dr. Colditz authorisiert oder korrigiert. Diese Mitschrift ersetzt unter keinen Umständen das Hören der Vorlesung, eine eigene Mitschrift bzw. das Erstellen von Anmerkungen sowie ein gutes Buch zur Physikalischen Chemie. Dauerhafte Adresse dieses Dokuments: http://www.stud.uni-wuerzburg.de/s181578/ Letzte Aktualisierung: 17.11.2004

Inhaltsverzeichnis

0. Empfohlene Literatur 1. Grundbegriffe der Thermodynamik 1.1. Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. ustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . 1.4. ustandsfunktionen . . . . . . . . . . . . 1.5. Größenbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. ustandsänderungen . . . . . . . . . . . 1.7. Wärme und Temperatur . . . . . . . . . 1.8. Nullter Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 5 6 7 7 8 11 11 11 11 12 12 12 12 13 14 16

2. Gase 2.1. Ideale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Isotherme ustandsänderung . . . . . . 2.1.2. Isobare ustandsänderung . . . . . . . . 2.1.3. Isochore ustandsänderung . . . . . . . 2.1.4. Adiabatische ustandsänderung . . . . 2.1.5. ustandsgleichung eines idealen Gases 2.2. Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Hauptsätze der Thermodynamik 3.1. Innere Energie eines Systems . . . . . . . . . . . . . 3.2. Der erste Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Volumenarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Formulierung des ersten Hauptsatzes . . . . 3.2.3. Schlussfolgerungen für ustandsänderungen 3.2.4. Überführung eines idealen Gases von ! 3.2.5. Chemische Reaktionen . . . . . . . . . . . . . 3.3. Die Wegunabhängigkeit der Reaktionsenthalpie . . 3.4. Entropie und der weite Hauptsatz . . . . . . . . . . 3.5. Der dritte Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Thermodynamische Potentiale und Gleichgewichte 4.1. Freie Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Die freie Reaktionsenthalpie als Funktion von Reaktionsenthalpie, Reaktionsentropie und Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Berechnung molarer freier Standardreaktionsenthalpien . . . . . 4.2. Temperatur- und Druckabhängigkeit der Freien Enthalpie . . . . . . . . 4.3. Phasengleichgewichte im Einkomponentensystem . . . . . . . . . . . . .

5. Mehrkomponentensysteme 5.1. Partielle molare Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Chemisches Potential eines idealen bzw. realen Gases . . . . . . . . . . . . 5.3. Chemisches Potential einer verdünnten bzw. konzentrierten Lösung . . .

£ ¤

¡ ¢

17 . 17 . . . . 18 18 19 20 23 23 23 24

5.4. Nernstsches Verteilungsgleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Löslichkeitsgleichgewicht von Gasen in Flüssigkeiten . . . . . 5.6. Kolligative Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1. Dampfdruckerniedrigung . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2. Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung 5.6.3. Osmotischer Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Chemisches Gleichgewicht 6.1. Massenwirkungsgesetz (MWG) . . . . . . . . . 6.1.1. Eigenschaften eines Gleichgewichts . . 6.2. Löslichkeitsprodukt . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Ionenprodukt des Wassers . . . . . . . . . . . . 6.4. Pufferlösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5. Protolytische Gleichgewichte von Aminosäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

24 25 25 26 27 28 30 30 30 31 32 32 33 35 35 35 36 36

7. Elektrochemie 7.1. Elektrolyse (von NaCl) und galvanische elle (Daniell-Element) 7.2. Faradaysches Gesetz der Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Die elektromotorische Kraft (EMK) . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Die Nernstsche Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8. Grenzﬂächenerscheinungen 38 8.1. Oberﬂächenspannung von Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 8.2. Benetzende und nichtbenetzende Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . 40 9. Transporterscheinungen 41 9.1. Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 9.2. Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 10.Miszellaneen 44