Themen Übersicht der PC A Klausur | Wolframblau - Chemie. Forschung. Umwelt.

- Mittwoch

Themen Übersicht der PC A Klausur

Diese Übersicht bezieht sich auf die Doppelklausur der Physikalischen Chemie im 4. Semester an der RWTH Aachen. Zuvor gab es bereits meine Übersichten zur Organischen Chemie und zur Technischen Chemie im 3. Semester.

Wichtig: Ich habe eine Formelsammlung zur Klausur geschrieben. Schickt mir einfach eine Mail an wolframblau@gmail.com und ich schicke sie euch zu. Keine Garantie für Richtigkeit oder Vollständigkeit!
Für eine Klausur lernen
Hauptthemen sind Thermodynamik und Elektrochemie
Themen Übersicht
Thermodynamik
1. Grundlegendes
• Definitionen: System (abgeschlossen, geschlossen, offen), Ideales Gas, Extensive und Intensive Zustandsgrößen, Reversible und Irreversible Prozesse (z.B. Expansion), Arbeit, 0. Hauptsatz der Thermydynamik

2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik
• Beweis, dass Funktion eine Zustandsfunktion ist mit Hilfe vom Schwarz'schen Satz (Beispiel ideales Gasgesetz gerechnet)
• Wärmekapazität cv bei dV = 0. Auch als differentielle Definition.
• Beispiel: Wie groß ist umgesetze Wärme, wenn an idealem Gas isotherm und reversibel Volumenarbeit geleistet wird? Q = nRT ln(V2 / V1). Gleiche Frage für isochor oder isobar.
• Enthalpie H = U + pV und Wärmekapazität cp bei dp=0. Auch als differentielle Gleichungen.
• Weitere Formeln: Innere Energie U = W + Q, Arbeit als Volumenarbeit, Innere Energie und Enthalpie für ideales Gas
• Freiheitsgerade von Molekülen, harmonische Schwingungen, Gleichverteilungssatz

3. Adiabatische Prozesse
• Definition dQ=0
• Expansion und Kompression: Vergleich adiabatisch und isotherm
• Joule-Thompson-Effekt: allgemein und im Zusammenhang mit cp, Inversionstemperatur, T-p-Diagramm, isenthalp (dH=0), Joule-Thompson-Koeffizient für ideales Gas
• Adiabatengleichung (pV^ɣ=konst.) im p-V-Diagramm im Vergleich zur Isothermen (pV=konst.), V-T-Diagramm, Definition von ɣ (Gamma)

4. Thermochemie
• Phasenumwandlungen: Formel für dH, dQ und dU für flüssig und gasförmig
• Enthalpiediagramm H gegen T: H ändert sich am Phasenübergang sprunghaft
• Kirchhoffscher Satz: Angewendet auf die Enthalpieänderung, also wie ΔvapH von T abhängt, und allgemein für ΔrH (ΔrH=Enthalpieänderung bei chem. Reaktionen)
• Kritische Temperatur, bei der ΔvapH=0 ist
• Troutonsche Regel, Satz von Hess, Definition der Standardbedingungen (reiner Stoff, p=1 bar)
• Chemische Reaktionen: Exotherm, Endotherm, Zusammenhänge von Q, U und H, Kreisprozess für eine Reaktion, Standardbildungsenthalpie, Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität

5. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 
• Definition des 2. HS der Thermodynamik
• Formel der Entropie S: Thermodynamische und statistische Definition
• Entropieänderung für Isotherme Expansion, T-S-Diagramm
• Kreisprozess: Carnot-Prozess, Wirkungsgrad, jeder Prozess kann in einen Carnot-Prozess zerlegt werden  

6. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
• Definition des 3. HS der Thermodynamik
• Nernstsches Wärmetheorem
• Absolute Entropieberechnung

7. Gleichgewichtsbedingungen und thermodynamische Potentiale
• Isoliertes System: dU=0, dV=0: dS nimmt zu
• Geschlossenes System: Drei verschiedene Fälle
1. dS=0, dV=0: dU nimmt ab
2. dT=0, dV=0: Zusammenhang mit der freien Energie A=U-TS
3. dT=0, dp=0: Zusammenhang mit der freien Enthalpie/Gibbs Enthalpie G=H-TS
• Definitionen: Arbeitsfunktion (maximale Arbeit, die möglich ist), Standard freie Reaktionsenthalpie, Standard freie Bildungsenthalpie, Bildung aus den Elementen
• Formale Beziehungen für die thermodynamischen Potentiale U, H, A und G
• Maxwell-Beziehungen als Folgen des Schwarz'schen Satzes, Guggenheim-Schema
• Gibbs Enthalpie in fest/flüssig und im Gas, Gibbsche Fundamentalgleichung, chemisches Potential μ im Gleichgewicht (μ=konst. im Ort)

8. Phasenumwandlungen reiner Stoffe
• Stoff A in den zwei Phasen α und β
• Formel für chemisches Potential μ, Druckabhängigkeit von μ, Graph μ gegen T mit den Punkten Tmelt und Tvap
• im selben Graph μ gegen T: unterkühlte Schmelze, überhitzter Festkörper, unterkühltes Gas, überhitzte Flüssigkeit
• Druckabhängigkeit von Tmelt und Tvap: Beim Schmelzen und Verdampfen
• Phasendiagramm: Anormale Flüssigkeit, Tripelpunkt
• Formeln: Herleitung Clausius-Clapeyron-Gleichung für Phasenumwandlungen reiner Stoffe von
1. feste/flüssige Umwandlung
2. flüssige/gasförmige Umwandlung
• Clausius-Clapeyron-Gleichung mit den Näherungen: ideales Gas und Umwanndlung ist weit weg vom kritischen Punkt

9. Partielle Molare Größen und Mischungen
• Mehrkomponentensystem aus Stoffen A und B als Ausgangssituation
• Definition des partiellen Molvolumens (analog dazu alle extensiven Größen H, S, U, G), totales Differential von V
• Graphische Bestimmung der partiellen Molvolumina, Wie ändert sich das Volumen beim Mischen von A und B?
• Gibbs-Duhemsche Beziehung, auch Graphisch
• Partielle, molare Gibbs Energie
• Mischung von idealen Gasen: freie Mischungsenthalpie, Mischentropie und Mischenthalpie
• Mischung von Flüssigkeiten: Ideale Mischungen, Chemisches Potential, Raoultsches Gesetz (auch graphisch)
• Ideal verdünnte Lösungen: Henry'sches Gesetz (auch graphisch)
• chemische Aktivität, Aktivitätskoeffizienten

10. Kolligative Eigenschaften
• Dampfdruckerniedrigung: getroffene Annahmen, Raoult'sches Gesetz, chemisches Potential μ in idealer Lösung/Mischung
• Siedepunktserhöhung und Schmelzpunkterniedrigung: Herleitung der Formel für ΔTvap, μ-T-Diagramm
• Molalität, Ebullioskopische Konstante, Molmassenbestimmung vom gelösten Stoff
• Gefierpunktserniedrigung: Kryoskopische Konstante
• Osmose: Herleitung für den Osmotischen Druck, Van't Hoffsche Gleichung

11. Gibbsche Phasenregel und Phasendiagramme
• Koexistierende Phasen im Gleichgewicht
• Anzahl thermodynamischer Freiheitsgrade, Gibbsche Phasenregel
• Flüssig-Gas-Gleichgewicht:
1. Dampfdruckdiagramm: Siedekurve und Kondensationskurve kombiniert, graphisch und mit Formeln beschreiben
2. Siedediagramm: Formeln für den Zusammenhang von den Molenbrüchen x und ΔvapGm bzw. mit ΔvapHm und ΔvapSm
3. Abweichungen von der Idealität: Hochsiedendes Azeotrop im Dampfdruckdiagramm, Siedelinse, Schmelzlinse, Siedediagramm mit idealer Mischung in g/l/s, Mischungsenthalpie
• Verbindungsbildung: Kongruent und Inkongruent Schmelzend

12. Das Chemische Gleichgewicht
• Definition des chemischen Gleichgewichts: Massenerhaltungssatz
• Reaktionslaufzahl, Gibbs'sche Fundamentalgleichung mit der Reaktionslaufzahl
• Differentielle Reaktions-Gibbs-Energie: als Formel und graphisch
• Thermodynamische Gleichgewichtskonstante: Gasreaktionen, Reaktionen in Lösung, Heterogene Gleichgewichte (Kalksteinzersetzung, Metalloxidation)
• Dreiphasengleichgewicht: Koexistenzpartialdrücke, Richardson-Jeffes-Diagramm
• Van't Hoffsche Reaktionsisobare: Gibt Steigung der Gleichgewichtskonstante als Funktion der Temperatur bei p=konst.
  
Elektrochemie
1. Grundlegendes
• Unterschied Batterie vs. Elektrolyse in Bezug auf ΔG
• Grundbegriffe mit Formel und Einheit: Stromstärke (dQ/dt), Ladung, Widerstand (Ohm'sches Gesetz), spezifischer elektrischer Widerstand, spezifische elektrische Leitfähigkeit, Faraday-Konstante, elektrische Stromdichte i
• elektrische Ladung: Kraft auf Ladung, Coulomb-Gesetz, elektrisches Feld, elektrisches Potential
• Gibbsche Fundamentalgleichung mit elektrischem Potential

2. Elektrochemische Zellen
• Aufbau einer chemischen Zelle, Schreibweise, Strom- und Ionenfluss
• Strom-Spannungs-Kennlinie
• Zellspannung: Definition, Halbzellenreaktionen, Galvani-Potentiale der Halbzellen, Nernst-Gleichung/EMK, Potentialsprünge
• Standard-Wasserstoffelektrode als Referenz, Standardpotential
• elektrische Arbeit, Gibbs-Enthalpie ΔG und der Zusammenhang mit der Gleichgewichtskonstante, läuft die Reaktion spontan ab: ΔG > 0 oder ΔG < 0
• Ionenaktivität, Aktivitätskoeffizient
• Definitionen: Redoxelektroden (wie Platin), Primär- und Sekundärelemente, Überspannung η, Elektrolyse

3. Ionenwanderung im Elektrolyten
• Solvatation, Größe der Hydrathülle
• Definition und Formel mit Einheit: elektrische Feldstärke, elektrochemische Ionenbeweglichkeit, spezifische elektrische Leitfähigkeit, molare Leitfähigkeit, Äquivalentleitfähigkeit
• Wanderungsgeschwindigkeit eines Ions: Durch Kraft eines elektrischen Feldes auf Ion und Reibungskraft nach Stokes-Gleichung -> Durch Gleichsetzen nach Wanderungsgeschwindigkeit (siehe Ionenbeweglichkeit auf Chemgapedia)
• Überführungszahl
• Schwache Elektrolyte: Dissoziationsgrad α, Gleichgewichtskonstante in Abhängigkeit von α, Ostwaldsches Verdünnungsgesetz (auch graphisch), molare Leitfähigkeit und molare Grenzleitfähigkeit (also bei unendlicher Verdünnung) für schwache Elektrolyten, Gesetz der unabhängigen Ionenwanderung
• Starke Elektrolyte: Kohlrausch'sche Quadratwurzelgesetz, Grenzleitfähigkeit für starke Elektrolyte, Coulomb-Wechselwirkung
• Debye-Hückel-Theorie für Elektrolyte

4. Die elektrische Doppelschicht
• Bild der starren und der diffusen Doppelschicht,
• ideal polarisierbare Elektrode: Verhalten wie ein Plattenkondensator (negativ geladene Platte mit Elektronenüberschuss, durch Kationen wird die Ladung kompensiert), Aufladung des Kondensators, Kapazität der Doppelschicht
• Helmholtz-Modell: getroffene Annahmen, Kapazität, elektrische Potentialkurve in Abhängigkeit des Ortes x (bzw. Entfernung zur Doppelschicht)
• Guy-Chapman-Modell: Poisson-Gleichung mit Boltzmann-Ansatz und Lösung, Formel für Dicke der diffusen Doppelschicht, Ladung pro Fläche, Kapazität, elektrische Potentialkurve in Abhängigkeit des Ortes x
• Sternmodell: Kombination der Kapazitäten aus Herlmholtz- und Guy-Chapman-Modell, elektrische Potentialkurve in Abhängigkeit des Ortes x, elektrische Feldstärke, Dicke der diffusen Doppelschicht, experimentelle Messung der Kapazität durch Impedanzspektroskopie oder Elektrokapillarität

5. Elektrodenkinetik
• Überspannung, Stromdichte und Butler-Volmer-Gleichung für die Strom-Spannungs-Kennlinie
Literatur für die Klausur 
Für die Grundlagen der Physikalischen Chemie empfiehlt sich der große Atkins , der auch in der Lehrbuchsammlung ausgeliehen werden kann. Er enthält auch einige Übungen und Herleitungen.

Wer mehr zu den einzelnen Themen wissen will und ausführliche Herleitungen sucht, sollte im Wedler nachschlagen.
Anmerkungen zu dieser Übersicht
Diese Übersicht wird zwar laufend aktualisiert, kann aber trotzdem unvollständig sein. Falls ihr merkt, dass in dieser Übersicht etwas fehlt oder falsch ist, dann schreibt mir bitte.

Einfach eine kurze Mail an wolframblau@gmail.com, eine Nachricht bei Facebook oder ein Kommentar unter diesem Post. Danke!

Bild: Robert S. Donovan

Keine Kommentare :

Kommentar veröffentlichen