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Erich Meister

Grundpraktikum Physikalische Chemie

Theorie und Experimente

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EAN/ISBN
9783838584898
2. 2012
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Details

Die Publikation richtet sich an Dozierende und Studierende naturwissenschaftlicher Fächer mit physikalischer Chemie im Grund- oder Fachstudium. Sie vermittelt das Basiswissen, um typische Experimente zu verstehen und durchzuführen. In 23 Kapiteln werden die theoretischen Hintergründe vorgestellt, verschiedene Messgeräte und -methoden erläutert, ausgewählte Experimente beschrieben und die gemessenen Daten ausgewertet. Die Experimente werden mit konkreten
Resultaten aus dem Praktikumslabor illustriert. In der Neuauflage wurde die bisherige Struktur aus sechs Teilen beibehalten: Chemische Gleichgewichte, Kinetik, Thermochemie, Spektroskopie, Elektrochemie und Elektronik, Transport- und Grenzflächenphänomene. Dazu kommen vier neue Kapitel zur Thermodynamik und Spektroskopie. Das Buch eignet sich besonders für den Einsatz in einem Praktikumskurs, da die Kapitel unabhängig voneinander und in beliebiger Reihenfolge bearbeitet werden können.
  • Grundpraktikum Physikalische Chemie1
  • Vorwort5
  • Inhaltsverzeichnis9
  • Einleitung13
  • Teil I CHEMISCHE GLEICHGEWICHTE17
  • Experiment 1 Löslichkeit19
  • 1.1 Theoretische Grundlagen20
  • 1.1.1 Löslichkeit fester Stoffe20
  • 1.1.2 Mischungslücken in binären flüssigen Systemen29
  • 1.1.3 Umrechnung zwischen verschiedenen Konzentrationsmassen31
  • 1.2 Experiment32
  • 1.2.1 Die Löslichkeitsapparatur32
  • 1.2.2 Messungen32
  • 1.2.3 Auswertung der Messdaten34
  • Kapitel 2 Dampfdruck39
  • 2.1 Theoretische Grundlagen40
  • 2.1.1 Gibbssche Phasenregel40
  • 2.1.2 Einkomponentensysteme40
  • 2.2 Experiment48
  • 2.2.1 Die Dampfdruckapparatur48
  • 2.2.2 Messung des Dampfdrucks reiner Stoffe49
  • 2.2.3 Auswertung der Messdaten50
  • Kapitel 3 Siedediagramm53
  • 3.1 Theoretische Grundlagen54
  • 3.1.1 Die Phasenregel für ein 2-Phasen-2-Komponenten-System54
  • 3.1.2 Ideale Zweiphasensysteme54
  • 3.1.3 Nichtideale Zweiphasensysteme58
  • 3.2 Experiment64
  • 3.2.1 Die Siedeapparatur64
  • 3.2.2 Analyse der binären Mischungen65
  • 3.2.3 Messung und Auswertung der Gleichgewichtsdaten67
  • Kapitel 4 Henry-Gesetz71
  • 4.1 Theoretische Grundlagen72
  • 4.1.1 Das Phasengleichgewicht flüssig/gasförmig72
  • 4.1.2 Das Henry-Gesetz72
  • 4.1.3 Verteilung einer Substanz zwischen Flüssigkeit und Gasphase77
  • 4.1.4 Bestimmung der Henry-Konstante78
  • 4.2 Experiment82
  • 4.2.1 Apparatives82
  • 4.2.2 Experimentelle Bestimmung der Henry-Konstante83
  • 4.2.3 Der Einfluss des Lösungsmittels auf die Headspace-Zusammensetzung84
  • 4.2.4 Auswertung der Chromatogramme86
  • Kapitel 5 Schmelzdiagramm89
  • 5.1 Theoretische Grundlagen90
  • 5.1.1 Phasenregel90
  • 5.1.2 Phasengleichgewicht und Phasendiagramme90
  • 5.1.3 Schmelzdiagramme91
  • 5.1.4 Messverfahren zur Bestimmung von Schmelzdiagrammen100
  • 5.1.5 Thermische Analyse: Erstarrungskurven103
  • 5.2 Experiment104
  • 5.2.1 Die Messapparatur104
  • 5.2.2 Kältemischungen106
  • 5.2.3 Temperaturmessung106
  • 5.2.4 Aufnahme von Erstarrungskurven107
  • 5.2.5 Auswertung der Messdaten108
  • Kapitel 6 Kryoskopie111
  • 6.1 Theoretische Grundlagen112
  • 6.1.1 Phasengleichgewicht zwischen flüssiger Mischphase und reiner Festphase112
  • 6.1.2 Gefrierpunktserniedrigung113
  • 6.1.3 Bestimmung von molaren Massen115
  • 6.1.4 Bestimmung der Dissoziationskonstanten von schwachen Säuren116
  • 6.2 Experiment117
  • 6.2.1 Die Messapparatur117
  • 6.2.2 Bestimmung von Gefrierpunkten121
  • 6.2.3 Temperaturabhängigkeit des Thermistor-Widerstands121
  • 6.2.4 Kalibration der Anzeigenskala für kleine Temperaturänderungen123
  • 6.2.5 Spezielle Hinweise125
  • 6.2.6 Aufgabenstellungen und Auswertung der Messdaten126
  • Kapitel 7 Verteilung131
  • 7.1 Theoretische Grundlagen132
  • 7.1.1 Einfache Verteilung: Der Nernstsche Verteilungssatz132
  • 7.1.2 Die pH-Abhängigkeit des Verteilungsgleichgewichts bei Säuren und Basen:Der Einfluss des Dissoziationsgleichgewichts134
  • 7.1.3 Der Einfluss von Dissoziation und Dimerisation auf das Verteilungsgleichgewicht137
  • 7.2 Experiment139
  • 7.2.1 Allgemeines139
  • 7.2.2 pH-abhängige Verteilung139
  • 7.2.3 Verteilung mit Dissoziation und Dimerisation140
  • Teil II KINETIK145
  • Kapitel 8 Kinetik147
  • 8.1 Theoretische Grundlagen148
  • 8.1.1 Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung148
  • 8.1.2 Kinetik der Hydrolysereaktion von Triphenylmethan-Farbstoffen149
  • 8.1.3 Primärer Salzeffekt151
  • 8.1.4 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit153
  • 8.1.5 Messung der Farbstoffkonzentration155
  • 8.1.6 Bestimmung der effektiven Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten156
  • 8.1.7 Wahl der Messwellenl¨ange157
  • 8.2 Experiment158
  • 8.2.1 Messungen mit dem Einwellenlängen-Spektrometer158
  • 8.2.2 Messungen mit dem CCD-Array-Spektrometer161
  • 8.2.3 Aufgaben und Auswertung165
  • Kapitel 9 Blitzlicht-Photolyse169
  • 9.1 Theoretische Grundlagen170
  • 9.1.1 Organische Photoreaktionen170
  • 9.1.2 Bestimmung der transienten (kurzzeitigen) Absorbanzänderung173
  • 9.1.3 Spektrophotometrische Messung der Reaktionsgeschwindigkeit176
  • 9.1.4 Kinetik photochromer Reaktionen178
  • 9.1.5 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten181
  • 9.2 Experiment182
  • 9.2.1 Aufbau des Blitzlichtspektrometers182
  • 9.2.2 Messung184
  • 9.2.3 Auswertung187
  • Teil III THERMOCHEMIE189
  • Kapitel 10 Verbrennungswärme191
  • 10.1 Theoretische Grundlagen192
  • 10.1.1 Definition und Messung von Verbrennungsreaktionen und -wärmen192
  • 10.1.2 Berechnung der Verbrennungsenthalpie195
  • 10.1.3 ”Kalorien“ in Lebensmitteln196
  • 10.1.4 Ermittlung von Bildungsenthalpien197
  • 10.2 Experiment198
  • 10.2.1 Das Bombenkalorimeter198
  • 10.2.2 Durchführung von Messungen199
  • 10.2.3 Auswertung der Thermogramme201
  • 10.2.4 Nebenreaktionen und Korrekturen202
  • 10.2.5 Kalibration des Kalorimeters204
  • 10.2.6 Auswertung der Temperatursprünge205
  • 10.2.7 Experimente206
  • 10.2.8 Thermodynamische Daten206
  • Kapitel 11 Kalorimetrie209
  • 11.1 Theoretische Grundlagen210
  • 11.1.1 Allgemeine Beziehungen210
  • 11.1.2 Mischungsenthalpien211
  • 11.1.3 Lösungsenthalpien212
  • 11.1.4 Reaktionsenthalpien214
  • 11.2 Experiment215
  • 11.2.1 Das Lösungskalorimeter215
  • 11.2.2 Messungen im Batch-Betrieb215
  • 11.2.3 Das Thermogramm216
  • 11.2.4 Kalibration des Kalorimeters217
  • 11.2.5 Auswertung der Temperatursprünge219
  • 11.2.6 Thermometrische Titrationen220
  • 11.2.7 Besonderes221
  • Teil IV SPEKTROSKOPIE225
  • Kapitel 12 Lichtbeugung und -brechung227
  • 12.1 Theoretische Grundlagen228
  • 12.1.1 Atomspektren228
  • 12.1.2 Grundlagen der geometrischen Optik und der Dispersion233
  • 12.2 Experiment244
  • 12.2.1 Das Prismenspektroskop244
  • 12.2.2 Beugungsexperimente247
  • 12.2.3 Das Gitterspektrometer249
  • Kapitel 13 Optische Polarisationsphänomene255
  • 13.1 Theoretische Grundlagen256
  • 13.1.1 Elektromagnetische Strahlung256
  • 13.1.2 Polarisation260
  • 13.1.3 Dichroismus264
  • 13.1.4 Lichtstreuung und Reflexion265
  • 13.1.5 Doppelbrechung270
  • 13.2 Experiment276
  • 13.2.1 Durchlassrichtung eines Polarisationsfilters276
  • 13.2.2 Polarisation durch Lichtstreuung276
  • 13.2.3 Gesetz von Malus277
  • 13.2.4 Doppelbrechung279
  • Kapitel 14 Reflexionsspektroskopie285
  • 14.1 Theoretische Grundlagen286
  • 14.1.1 Interferenz286
  • 14.1.2 Weisslicht-Reflexionsspektrum288
  • 14.1.3 Selektive Reflexion bei chiralen nematischen Flüssigkristallen289
  • 14.2 Experiment292
  • 14.2.1 Messapparatur292
  • 14.2.2 Messungen294
  • Kapitel 15 Spektrophotometrie301
  • 15.1 Theoretische Grundlagen302
  • 15.1.1 ¨Ubersicht ¨uber das elektromagnetische Spektrum302
  • 15.1.2 Elektronische Absorptionsspektren von Molek¨ulen302
  • 15.1.3 Absorption von Licht: Transmission und Absorbanz305
  • 15.1.4 Mehrkomponentenanalyse307
  • 15.1.5 Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten309
  • 15.1.6 Isosbestische Punkte314
  • 15.2 Experiment315
  • 15.2.1 Aufbau eines scannenden UV/VIS-Spektrophotometers315
  • 15.2.2 Aufbau eines CCD-Array-Spektrometers316
  • 15.2.3 Apparative Parameter317
  • 15.2.4 Küvetten320
  • 15.2.5 Spektraler Nullabgleich321
  • 15.2.6 Falschlichtfehler321
  • 15.2.7 Photometrische Präzision323
  • Kapitel 16 Lumineszenz327
  • 16.1 Theoretische Grundlagen328
  • 16.1.1 Übersicht über molekulare photophysikalische Prozesse328
  • 16.1.2 Absorption, Fluoreszenz und Phosphoreszenz329
  • 16.1.3 Konzentrationsabhängigkeit der Lumineszenz334
  • 16.1.4 Lumineszenzspektrum und Lumineszenzanregungsspektrum335
  • 16.1.5 Zweidimensionale Lumineszenz-Spektroskopie336
  • 16.1.6 Streulichteffekte: Rayleigh- und Raman-Streuung338
  • 16.1.7 Fluoreszenzquantenausbeute339
  • 16.1.8 Fluoreszenz-Quenching340
  • 16.1.9 Lösungsmitteleffekte344
  • 16.2 Experiment346
  • 16.2.1 Das Lumineszenz-Spektrometer346
  • Teil V ELEKTROCHEMIEUND ELEKTRONIK353
  • Kapitel 17 Elektromotorische Kraft355
  • 17.1 Theoretische Grundlagen356
  • 17.1.1 Chemische Reaktion und chemisches Potential356
  • 17.1.2 Aktivitätskoeffizienten360
  • 17.1.3 Galvanische Zellen und Elektrodenpotentiale362
  • 17.1.4 Elektromotorische Kraft (EMK)365
  • 17.1.5 Praktische Definition von Elektrodenpotentialen368
  • 17.1.6 Diffusionspotentiale371
  • 17.2 Experiment372
  • 17.2.1 Messung der EMK372
  • 17.2.2 Temperaturabhängigkeit der EMK von Miniaturzellen372
  • 17.2.3 Konzentrationsabhängigkeit der EMK373
  • Kapitel 18 Säure/Base-Gleichgewichte377
  • 18.1 Theoretische Grundlagen378
  • 18.1.1 Die Gleichgewichtskonstanten der Deprotonierungsreaktionen378
  • 18.1.2 Berechnung von Säure/Base-Gleichgewichten381
  • 18.1.3 Grundlagen der pH-Messtechnik387
  • 18.2 Experiment389
  • 18.2.1 Die Titrationsapparatur389
  • 18.2.2 Berechnung von Titrationskurven391
  • Kapitel 19 Konduktometrie397
  • 19.1 Theoretische Grundlagen398
  • 19.1.1 Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen398
  • 19.1.2 Anwendungen von Leitfähigkeitsmessungen409
  • 19.1.3 Elektrische Beweglichkeit, Leitfähigkeit und Überfährungszahlen409
  • 19.1.4 Debye-Hückel-Onsager-Theorie für starke Elektrolyte411
  • 19.2 Experiment413
  • 19.2.1 Die Messapparatur413
  • 19.2.2 Durchführung von Leitfähigkeitsmessungen413
  • Kapitel 20 Elektronik417
  • 20.1 Theoretische Grundlagen418
  • 20.1.1 Spannung, Strom und Leistung418
  • 20.1.2 Knoten- und Maschenregel422
  • 20.1.3 Lineare Elemente422
  • 20.1.4 Frequenzabhängigkeit von linearen Vierpolen425
  • 20.1.5 Beispiel für die Frequenzanalyse eines Vierpols427
  • 20.1.6 Passive Filter428
  • 20.1.7 Schwingkreise430
  • 20.1.8 Kabel432
  • 20.2 Experiment433
  • 20.2.1 Bauteile433
  • 20.2.2 Mess- und Hilfsgeräte434
  • 20.2.3 Messung von Amplituden- und Phasengängen437
  • 20.2.4 Lissajous-Figuren438
  • 20.3 Anhang: Beschreibung der Messgeräte440
  • 20.3.1 Multifunktionsgerät Metex MS-9140440
  • 20.3.2 Oszilloskop Kikusui DSS-5040 und Kikusui COR-5541u442
  • Teil VI TRANSPORT- UNDGRENZFLÄCHENPHÄNOMENE443
  • Kapitel 21 Viskosimetrie445
  • 21.1 Theoretische Grundlagen446
  • 21.1.1 Definition der Viskosität446
  • 21.1.2 Fliess- und Viskositätskurven448
  • 21.1.3 Temperaturabhängigkeit der Viskosität449
  • 21.1.4 Konzentrationsabhängigkeit der Viskosität von Lösungen451
  • 21.1.5 Messmethoden zur Bestimmung von Viskositätskoeffizienten454
  • 21.2 Experiment461
  • 21.2.1 Messungen mit dem Kapillarviskosimeter461
  • 21.2.2 Messungen mit dem Rotationsviskosimeter464
  • 21.2.3 Untersuchung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten467
  • Kapitel 22 Oberflächenspannung471
  • 22.1 Theoretische Grundlagen472
  • 22.1.1 Thermodynamik von Grenzflächen472
  • 22.1.2 Die Gleichung von Young und Laplace474
  • 22.1.3 Die Konzentrationsabhängigkeit der Oberflächenspannung475
  • 22.1.4 Die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung476
  • 22.1.5 Benetzung und Randwinkel477
  • 22.1.6 Methoden zur Bestimmung von Grenzflächenspannungen478
  • 22.1.7 Blasendruckmethode478
  • 22.1.8 Steighöhenmethode478
  • 22.1.9 Ring- und Plattenmethode480
  • 22.1.10 Geometrische Vermessung481
  • 22.1.11 Dynamische Methoden481
  • 22.1.12 Tropfengewichts- und Tropfenvolumenmethode482
  • 22.2 Experiment485
  • 22.2.1 Messungen mit dem Wilhelmy-Tensiometer485
  • 22.2.2 Messungen mit dem Tropfentensiometer487
  • Kapitel 23 Schallgeschwindigkeit495
  • 23.1 Theoretische Grundlagen496
  • 23.1.1 Grundlagen der Wellenlehre496
  • 23.1.2 Schallausbreitung498
  • 23.1.3 Wärmekapazität und Molekülstruktur503
  • 23.2 Experiment508
  • 23.2.1 Apparatur508
  • 23.2.2 Messungen509
  • ANHANG517
  • Anhang A Auswertung von Messdaten519
  • A.1 Verzeichnis statistischer Begriffe und Symbole520
  • A.2 Allgemeines521
  • A.3 Beobachtungsfehler521
  • A.4 Stochastische Variablen. Verteilung522
  • A.5 Parameter-Schätzwerte (Statistiken)524
  • A.6 Statistische Parameter der Grundgesamtheit525
  • A.7 Stichprobe und Schätzwerte532
  • A.8 Resultatangabe534
  • A.9 Fehlerfortpflanzung und Unsicherheitsabschätzung541
  • A.10 Ausgleichsrechnung544
  • Anhang B Graphische Darstellungvon Messdaten557
  • B.1 Vorbemerkungen558
  • B.2 Hinweise und Empfehlungen558
  • B.3 Beispiele559
  • Anhang C Praktikumsberichte567
  • C.1 Vorbemerkungen568
  • C.2 Aufbau eines Praktikumsberichts568
  • C.3 Vorgehen beim Abfassen eines Praktikumsberichts570
  • C.4 Checkliste für Praktikumsberichte571
  • C.5 Titelseite (Beispiel)572
  • Anhang D Verschiedene Tabellen573
  • D.1 SI-Einheiten und Dezimalpräfixe574
  • D.2 Energie- und Druckeinheiten575
  • D.3 Griechisches Alphabet575
  • D.4 Konzentrationsmasse576
  • D.5 Physikalische Konstanten578
  • D.6 Periodisches System der Elemente579
  • D.7 Eigenschaften von Lösungsmitteln580
  • Index581