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| Inhaltsverzeichnis | ||
| Vorwort | XV | |
| Die Arbeit mit diesem Buch | XIX | |
| Die Autoren | XXIX | |
| Danksagungen | XXXI | |
| C Grundlagen | 1 | |
| G.l Atome | 1 | |
| G.2 Moleküle | 2 | |
| G.3 Makroskopische Materie | 4 | |
| G.4 Energie | 6 | |
| G.5 Die Beziehung zwischen molekularen und makroskopischen | ||
| Eigenschaften | 7 | |
| G.5.1 Die Boltzmannverteilung | 8 | |
| G.5.2 Der Gleichverteilungssatz | 9 | |
| G.6 Das elektromagnetische Feld | 10 | |
| G.7 Einheiten | 11 | |
| Teil 1 Gleichgewicht | 17 | |
| 1 | Die Eigenschaften der Gase | 19 |
| 1.1 | Das ideale Gas | 19 |
| 1.1.1 | Die Zustände der Gase | 19 |
| 1.1.2 | Die Gasgesetze | 23 |
| 1.2 | Reale Gase | 29 |
| 1.2.1 | Zwischenmolekulare Wechselwirkungen | 29 |
| 1.2.2 | Die Van-der-Waals-Gleichung | 32 |
| ME 1 Mathematischer Exkurs 1: Differenziation und Integration | 42 | |
| 2 | Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik | 45 |
| 2.1 | Grundbegriffe | 45 |
| 2.1.1 | Arbeit, Wärme und Energie | 46 |
| 2.1.2 | Die Innere Energie | 48 |
| 2.1.3 | Volumenarbeit | 50 |
| 2.1.4 | Wärmeübergänge | 55 |
| 2.1.5 | Die Enthalpie | 57 |
| 2.1.6 | Adiabatische Änderungen | 64 |
| 2.2 | Thermochemie | 66 |
| 2.2.1 | Standardenthalpien | 67 |
| 2.2.2 | Standardbildungsenthalpien | 73 |
| 2.2.3 | Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpien | 75 |
| 2.3 | Zustandsfunktionen und totale Differenziale | 76 |
| 2.3.1 | Totale und nicht totale Differenziale | 76 |
| 2.3.2 | Änderungen der Inneren Energie | 78 |
| 2.3.3 | Der Joule-Thomson-Effekt | 81 |
| ME 2 Mathematischer Exkurs 2: Differenzialrechnung von Funktionen | ||
| mehrerer Variablen | 94 | |
| ME2.1 Partielle Ableitungen | 94 | |
| ME2.2 Exakte Differenziale | 94 | |
| 3 | Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik | 97 |
| 3.1 | Die Richtung freiwilliger Prozesse | 98 |
| 3.1.1 | Die Dissipation der Energie | 98 |
| 3.1.2 | Die Entropie | 99 |
| 3.1.3 | Entropieänderungen bei speziellen Prozessen | 107 |
| 3.1.4 | Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik | 113 |
| 3.2 | Die Beschränkung auf das System | 116 |
| 3.2.1 | Freie Energie und Freie Enthalpie | 116 |
| 3.2.2 | Freie Standardreaktionsenthalpien | 122 |
| 3.3 | Die Verbindung von Erstem und Zweitem Hauptsatz | 124 |
| 3.3.1 | Die Fundamentalgleichung | 124 |
| 3.3.2 | Eigenschaften der Inneren Energie | 125 |
| 3.3.3 | Eigenschaften der Freien Enthalpie | 127 |
| 4 | Physikalische Umwandlungen reiner Stoffe | 141 |
| 4.1 | Phasendiagramme | 141 |
| 4.1.1 | Die Stabilität von Phasen | 141 |
| 4.1.2 | Phasengrenzen | 144 |
| 4.1.3 | Drei typische Phasendiagramme | 146 |
| 4.2 | Thermodynamische Betrachtung von Phasenübergängen | 149 |
| 4.2.1 | Die Abhängigkeit der Stabilität von den Bedingungen | 150 |
| 4.2.2 | Die Lage der Phasengrenzlinien | 153 |
| 4.2.3 | Die Klassifikation der Phasenübergänge nach Ehrenfest | 156 |
| 5 | Die Eigenschaften einfacher Mischungen | 163 |
| 5.1 | Die thermodynamische Beschreibung von Mischungen | 163 |
| 5.1.1 | Partielle molare Größen | 164 |
| 5.1.2 | Thermodynamik von Mischphasen | 169 |
| 5.1.3 | Das chemische Potenzial flüssiger Phasen | 171 |
| 5.2 | Die Eigenschaften von Lösungen | 175 |
| 5.2.1 | Flüssige Mischungen | 175 |
| 5.2.2 | Kolligative Eigenschaften | 177 |
| 5.3 | Phasendiagramme von Zweikomponentensystemen | 185 |
| 5.3.1 | Dampfdruckdiagramme | 185 |
| 5.3.2 | Siedediagramme | 188 |
| 5.3.3 | Flüssig/Flüssig-Phasendiagramme | 190 |
| 5.3.4 | Flüssig/Fest-Phasendiagramme | 194 |
| 5.4 | Aktivitäten | 198 |
| 5.4.1 | Die Aktivität des Lösungsmittels | 199 |
| 5.4.2 | Die Aktivität des gelösten Stoffs | 200 |
| 5.4.3 | Aktivitäten in regulären Lösungen | 203 |
| 5.4.4 | Aktivitäten von Ionen in Lösung | 204 |
| 6 | Das Chemische Gleichgewicht | 221 |
| 6.1 | Freiwillig ablaufende chemische Reaktionen | 221 |
| 6.1.1 | Das Minimum der Freien Enthalpie | 222 |
| 6.1.2 | Die Beschreibung des chemischen Gleichgewichts | 224 |
| 6.2 Die Verschiebung des Gleichgewichts bei Änderung | ||
| der Reaktionsbedingungen | 233 | |
| 6.2.1 | Der Einfluss des Drucks auf das Gleichgewicht | 233 |
| 6.2.2 | Der Einfluss der Temperatur auf das Gleichgewicht | 234 |
| 6.3 | Elektrochemie im Gleichgewicht | 239 |
| 6.3.1 | Elektrodenreaktionen und Elektroden | 240 |
| 6.3.2 | Zelltypen | 241 |
| 6.3.3 | Die Zellspannung | 242 |
| 6.3.4 | Standard-Elektrodenpotenziale | 245 |
| 6.3.5 | Anwendungen der Standardpotenziale | 248 |
| Teil 2 Struktur | 261 | |
| 7 | Quantentheorie: Einführung und Grundlagen | 263 |
| 7.1 | Die Anfänge der Quantenmechanik | 263 |
| 7.1.1 | Die Quantisierung der Energie | 265 |
| 7.1.2 | Der Welle-Teilchen-Dualismus | 270 |
| 7.2 | Die Dynamik mikroskopischer Systeme | 274 |
| 7.2.1 | Die Schrödingergleichung | 274 |
| 7.2.2 | Die bornsche Interpretation der Wellenfunktion | 276 |
| 7.3 | Prinzipien der Quantenmechanik | 280 |
| 7.3.1 | Die Informationen in der Wellenfunktion | 280 |
| 7.3.2 | Die Unbestimmtheitsrelation | 290 |
| 7.3.3 | Die Postulate der Quantenmechanik | 293 |
| ME 3 Mathematischer Exkurs 3: Komplexe Zahlen | 301 | |
| ME3.1 Definitionen | 301 | |
| ME3.2 Polarform | 301 | |
| ME 3.3 Operationen | 302 | |
| 8 | Quantentheorie: Methoden und Anwendungen | 303 |
| 8.1 | Translation | 303 |
| 8.1.1 | Das Teilchen im Kasten | 304 |
| 8.1.2 | Bewegung in zwei und mehr Dimensionen | 308 |
| 8.1.3 | Der Tunneleffekt | 312 |
| 8.2 | Schwingung | 315 |
| 8.2.1 | Die Energieniveaus | 316 |
| 8.2.2 | Die Wellenfunktionen | 317 |
| 8.3 | Rotation | 321 |
| 8.3.1 | Rotation in zwei Dimensionen: Teilchen auf einem Ring | 321 |
| 8.3.2 | Rotation in drei Dimensionen: Teilchen auf einer Kugel | 325 |
| 8.3.3 | Der Spin | 331 |
| ME 4 Mathematischer Exkurs 4: Differenzialgleichungen | 339 | |
| ME4.1 Die Struktur von Differenzialgleichungen | 339 | |
| ME4.2 Die Lösung von gewöhnlichen Differenzialgleichungen | 339 | |
| 9 | Atomstruktur und Atomspektren | 341 |
| 9.1 | Struktur und Spektren wasserstoffähnlicher Atome | 341 |
| 9.1.1 | Die Struktur wasserstoffähnlicher Atome | 342 |
| 9.1.2 | Atomorbitale und ihre Energien | 347 |
| 9.1.3 | Spektroskopische Übergänge und Auswahlregeln | 356 |
| 9.2 | Die Struktur von Mehrelektronenatomen | 358 |
| 9.2.1 | Die Orbitalnäherung | 358 |
| 9.2.2 | Selbstkonsistente Orbitale | 368 |
| 9.3 | Die Spektren komplexer Atome | 369 |
| 9.3.1 | Die Breite von Spektrallinien | 369 |
| 9.3.2 | Quantendefekte und Ionisierung | 371 |
| 9.3.3 | Singulett- und Triplettzustände | 372 |
| 9.3.4 | Spin-Bahn-Kopplung | 373 |
| 9.3.5 | Termsymbole und Auswahlregeln | 376 |
| ME 5 Mathematischer Exkurs 5: Vektoren | 389 | |
| ME5.1 Addition und Subtraktion | 389 | |
| ME5.2 Multiplikation | 390 | |
| ME5.3 Differenziation | 390 | |
| 10 | Molekülstruktur | 391 |
| 10.1 | Die Born-Oppenheimer-Näherung | 392 |
| 10.2 | Die Valenzbindungstheorie | 392 |
| 10.2.1 | Homoatomare zweiatomige Moleküle | 393 |
| 10.2.2 | Vielatomige Moleküle | 394 |
| 10.3 | Die Molekülorbitaltheorie | 398 |
| 10.3.1 | Das Wasserstoff-Molekülion | 399 |
| 10.3.2 | Homoatomare zweiatomige Moleküle | 403 |
| 10.3.3 | Heteroatomare zweiatomige Moleküle | 409 |
| 10.4 | Mehratomige Moleküle | 416 |
| 10.4.1 | Die Hückelnäherung | 416 |
| 10.4.2 | Quantenchemie mit Computern | 422 |
| 10.4.3 | Die Vorhersage molekularer Eigenschaften | 425 |
| ME 6 Mathematischer Exkurs 6: Matrizen | 435 | |
| ME6.1 Definitionen | 435 | |
| ME6.2 Addition und Multiplikation von Matrizen | 435 | |
| ME 6.3 Eigen wertgleichungen | 436 | |
| 11 | Molekülsymmetrie | 439 |
| 11.1 | Die Symmetrieelemente von Körpern | 439 |
| 11.1.1 | Symmetrieoperationen und Symmetrieelemente | 440 |
| 11.1.2 | Die Klassifikation von Molekülen nach ihrer Symmetrie | 442 |
| 11.1.3 | Konsequenzen der Molekülsymmetrie | 447 |
| 11.2 | Symmetrie in der MO-Theorie und der Spektroskopie | 449 |
| 11.2.1 | Charaktertafeln und Symmetriebezeichnungen | 449 |
| 11.2.2 | Verschwindende Integrale und Orbitalüberlappung | 455 |
| 11.2.3 | Verschwindende Integrale und Auswahlregeln | 461 |
| 12 | Molekülspektroskopie 1: Rotations- und Schwingungsspektren | 467 |
| 12.1 | Allgemeine Merkmale spektroskopischer Methoden | 468 |
| 12.1.1 | Experimentelle Grundlagen | 468 |
| 12.1.2 | Auswahlregeln und Übergangsmomente | 469 |
| 12.2 | Reine Rotations Spektren | 471 |
| 12.2.1 | Das Trägheitsmoment | 471 |
| 12.2.2 | Die Energieniveaus der Rotation | 474 |
| 12.2.3 | Rotationsübergänge | 478 |
| 12.2.4 | Rotations-Ramanspektren | 481 |
| 12.2.5 | Kernstatistik und Rotations zustände | 483 |
| 12.3 | Die Schwingung zweiatomiger Moleküle | 485 |
| 12.3.1 | Molekülschwingungen | 485 |
| 12.3.2 | Auswahlregeln für Schwingungsübergänge | 486 |
| 12.3.3 | Anharmonizität | 488 |
| 12.3.4 | Rotationsschwingungsspektren | 490 |
| 12.3.5 | Schwingungs-Ramanspektren zweiatomiger Moleküle | 492 |
| 12.4 | Die Schwingungen mehratomiger Moleküle | 493 |
| 12.4.1 | Normalschwingungen | 493 |
| 12.4.2 | Infrarot-Absorptionsspektren mehratomiger Moleküle | 495 |
| 12.4.3 | Schwingungs-Ramanspektren mehratomiger Moleküle | 497 |
| 12.4.4 | Die Symmetrie von Normalschwingungen | 499 |
| 13 | Molekülspektroskopie 2: Elektronenübergänge | 513 |
| 13.1 | Die Eigenschaften elektronischer Übergänge | 513 |
| 13.1.1 | Transmission und Absorption | 514 |
| 13.1.2 | Elektronenspektren zweiatomiger Moleküle | 515 |
| 13.1.3 | Elektronenspektren mehratomiger Moleküle | 522 |
| 13.2 | Das Schicksal angeregter Zustände | 528 |
| 13.2.1 | Fluoreszenz und Phosphoreszenz | 528 |
| 13.2.2 | Dissoziation und Prädissoziation | 533 |
| 13.2.3 | Laser | 533 |
| 14 | Molekülspektroskopie 3: Magnetische Resonanz | 547 |
| 14.1 | Elektronen und Kerne in Magnetfeldern | 547 |
| 14.1.1 | Die Energien von Elektronen in Magnetfeldern | 548 |
| 14.1.2 | Die Energien von Kernen in Magnetfeldern | 549 |
| 14.1.3 | Magnetresonanzspektroskopie | 550 |
| 14.2 | Kernspinresonanz | 551 |
| 14.2.1 | Das NMR-Spektrometer | 551 |
| 14.2.2 | Die chemische Verschiebung | 553 |
| 14.2.3 | Die Feinstruktur des Spektrums | 559 |
| 14.2.4 | Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse | 567 |
| 14.3 | Pulstechniken in der NMR | 568 |
| 14.3.1 | Der Vektor der Magnetisierung | 568 |
| 14.3.2 | Spinrelaxation | 571 |
| 14.3.3 | Die Entkopplung von Spins | 577 |
| 14.3.4 | Der Kern-Overhaus er effekt | 577 |
| 14.3.5 | Zweidimensionale NMR | 579 |
| 14.3.6 | NMR in Festkörpern | 581 |
| 14.4 | Elektronenspinresonanz | 583 |
| 14.4.1 | Das E S R-Spektrometer | 583 |
| 14.4.2 | Der g-Faktor | 584 |
| 14.4.3 | Die Hyperfeinstruktur | 585 |
| 15 | Statistische Thermodynamik 1: Grundlagen | 595 |
| 15.1 | Die Verteilung von Molekülzuständen | 596 |
| 15.1.1 | Konfigurationen und Gewichte | 596 |
| 15.1.2 | Die molekulare Zustandssumme | 599 |
| 15.2 | Innere Energie und Entropie | 605 |
| 15.2.1 | Die Innere Energie | 605 |
| 15.2.2 | Die statistische Definition der Entropie | 607 |
| 15.3 | Die kanonische Zustandssumme | 610 |
| 15.3.1 | Das kanonische Ensemble | 610 |
| 15.3.2 | Die thermodynamische Information in der Zustandssumme | 612 |
| 15.3.3 | Unabhängige Moleküle | 613 |
| 16 | Statistische Thermodynamik 2: Anwendungen | 625 |
| 16.1 | Grundlegende Beziehungen | 625 |
| 16.1.1 | Die Berechnung thermodynamischer Funktionen | 625 |
| 16.1.2 | Die molekulare Zustandssumme | 627 |
| 16.2 | Anwendungen der statistischen Thermodynamik | 635 |
| 16.2.1 | Mittlere Energien | 635 |
| 16.2.2 | Wärmekapazitäten | 636 |
| 16.2.3 | Zustandsgieichungen | 638 |
| 16.2.4 | Wechselwirkungen in Flüssigkeiten | 640 |
| 16.2.5 | Nullpunkts entropien | 643 |
| 16.2.6 | Gleichgewichtskonstanten | 644 |
| 17 | Wechselwirkungen zwischen Molekülen | 657 |
| 17.1 | Elektrische Eigenschaften | 657 |
| 17.1.1 | Elektrische Dipolmomente | 657 |
| 17.1.2 | Relative Permittivitäten | 664 |
| 17.2 | Wechselwirkungen zwischen Molekülen | 666 |
| 17.2.1 | Wechselwirkungen zwischen Dipolen | 666 |
| 17.2.2 | Abstoßende Beiträge: Die Gesamtwechselwirkung | 678 |
| 17.3 | Gase und Flüssigkeiten | 679 |
| 17.3.1 | Wechselwirkungen in Gasen | 680 |
| 17.3.2 | Die Grenzfläche Flüssigkeit-Gas | 682 |
| 17.3.3 | Oberflächenschichten | 685 |
| 17.3.4 | Kondensation | 689 |
| 18 | Materialien 1: Makromoleküle und Selbstorganisation | 697 |
| 18.1 | Struktur und Dynamik | 697 |
| 18.1.1 | Die Hierarchie der Strukturen | 698 |
| 18.1.2 | Statistische Knäuel | 699 |
| 18.1.3 | Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren | 703 |
| 18.1.4 | Die elektrischen Eigenschaften von Polymeren | 705 |
| 18.1.5 | Die Strukturen von biologischen Makromolekülen | 706 |
| 18.2 | Aggregation und Selbstorganisation | 709 |
| 18.2.1 | Kolloide | 709 |
| 18.2.2 | Mizellen und biologische Membranen | 713 |
| 18.3 | Größe und Form von Makromolekülen | 716 |
| 18.3.1 | Mittlere Molmassen | 716 |
| 18.3.2 | Experimentelle Methoden | 719 |
| 19 | Materialien 2: Festkörper | 735 |
| 19.1 | Kristallografie | 735 |
| 19.1.1 | Gitter und Elementarzellen | 735 |
| 19.1.2 | Die Identifikation von Gitterebenen | 738 |
| 19.1.3 | Strukturuntersuchungen | 740 |
| 19.1.4 | Neutronen-und Elektronenbeugung | 749 |
| 19.1.5 | Metallische Festkörper | 750 |
| 19.1.6 | Ionische Festkörper | 752 |
| 19.1.7 | Molekulare und kovalente Festkörper | 756 |
| 19.2 | Die Eigenschaften von Festkörpern | 759 |
| 19.2.1 | Mechanische Eigenschaften | 759 |
| 19.2.2 | Elektrische Eigenschaften | 762 |
| 19.2.3 | Optische Eigenschaften | 767 |
| 19.2.4 | Magnetische Eigenschaften | 771 |
| 19.2.5 | Supraleiter | 774 |
| ME 7 Mathematischer Exkurs 7: Fourierreihen und Fouriertransformationen | 785 | |
| ME 7.1 Fourierreihen | 785 | |
| ME 7.2 Fouriertransformationen | 786 | |
| ME7.3 Das Faltungstheorem | 787 | |
| Teil 3 Veränderung | 789 | |
| 20 | Die Bewegung von Molekülen | 791 |
| 20.1 | Die Bewegung von Molekülen in Gasen | 791 |
| 20.1.1 | Die kinetische Gastheorie | 792 |
| 20.1.2 | Stöße mit Wänden und Oberflächen | 800 |
| 20.1.3 | Die Geschwindigkeit der Effusion | 801 |
| 20.1.4 | Transporteigenschaften idealer Gase | 802 |
| 20.2 | Die Bewegung von Molekülen in Flüssigkeiten | 805 |
| 20.2.1 | Experimentelle Ergebnisse | 805 |
| 20.2.2 | Die Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen | 806 |
| 20.2.3 | Ionenbeweglichkeiten | 807 |
| 20.3 | Diffusion | 813 |
| 20.3.1 | Die thermodynamische Sicht | 813 |
| 20.3.2 | Die Diffusionsgleichung | 817 |
| 20.3.3 | Diffusionswahrscheinlichkeiten | 820 |
| 20.3.4 | Eine statistische Betrachtung | 821 |
| 21 | Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen | 831 |
| 21.1 | Empirische Reaktionskinetik | 831 |
| 21.1.1 | Experimentelle Methoden | 832 |
| 21.1.2 | Die Reaktionsgeschwindigkeit | 835 |
| 21.1.3 | Integrierte Geschwindigkeitsgesetze | 840 |
| 21.1.4 | Reaktionen in der Nähe des Gleichgewichts | 845 |
| 21.1.5 | Die Temperaturabhängigkeit von Reaktionsgeschwindigkeiten | 849 |
| 21.2 | Geschwindigkeitsgesetze | 852 |
| 21.2.1 | Elementarreaktionen | 852 |
| 21.2.2 | Aufeinander folgende Elementarreaktionen | 854 |
| 21.3 | Reaktionsmechanismen | 859 |
| 21.3.1 | Unimolekulare Reaktionen | 859 |
| 21.3.2 | Die Kinetik von Polymerisationen | 862 |
| 21.3.3 | Photochemie | 866 |
| 22 | Reaktionsdynamik | 885 |
| 22.1 | Reaktive Stöße | 885 |
| 22.1.1 | Die Stoßtheorie | 886 |
| 22.1.2 | Diffusionskontrollierte Reaktionen | 893 |
| 22.1.3 | Die Stoffbilanzgleichung | 897 |
| 22.2 | Die Theorie des Übergangszustands | 898 |
| 22.2.1 | Die Eyringgleichung | 898 |
| 22.2.2 | Thermodynamische Aspekte | 902 |
| 22.3 | Die Dynamik molekularer Stöße | 905 |
| 22.3.1 | Reaktive Stöße | 905 |
| 22.3.2 | Potenzialhyperflächen | 907 |
| 22.3.3 | Theoretische und experimentelle Ergebnisse | 908 |
| 22.4 | Die Dynamik des Elektronentransfers | 912 |
| 22.4.1 | Elektronentransfer in homogenen Systemen | 912 |
| 22.4.2 | Elektronentransferprozesse an Elektroden | 917 |
| 23 | Katalyse | 933 |
| 23.1 | Homogene Katalyse | 933 |
| 23.1.1 | Merkmale der homogenen Katalyse | 933 |
| 23.1.2 | Enzyme | 935 |
| 23.2 | Heterogene Katalyse | 942 |
| 23.2.1 | Wachstum und Struktur von festen Oberflächen | 942 |
| 23.2.2 | Adsorption | 946 |
| 23.2.3 | Die Geschwindigkeit von Oberflächenprozessen | 953 |
| 23.2.4 | Mechanismen der heterogenen Katalyse | 956 |
| 23.2.5 | Die katalytische Aktivität an Oberflächen | 958 |
| Anhang A Wegweiser | 971 | |
| Anhang B Tabellen | 975 | |
| Anhang C Charaktertafeln | 1013 | |
| Sachregister | 1017 | |
