Die physikalische Chemie kann als Bindeglied zwischen der Physik und der Chemie verstanden werden. Vielen Studierenden fällt sie schwer und häufig ist zu hören, sie sei zu mathematisch, zu formal oder wirke fremd. Aber warum ist das so? Eines ist sicher, sie ist nicht die leichteste Disziplin, trotzdem mit alltäglichen Phänomenen anschaulich darzustellen. Sie gilt als Grenzwissenschaft, hat sich aber im Laufe der Zeit  auch aufgrund wichtiger Errungenschaften und Optimierungen zu einer eigenständigen Wissenschaft emanzipiert.

Wir wollen die Theorie mit anschaulichen Beispielen ergänzen, um Euer Interesse zu wecken,  zugleich aber auch zeigen, wie wichtig diese Wissenschaft noch sein wird und wie alltäglich sie uns begegnet. Bleibt interessiert und lernt die spannende  physikalische Chemie kennen. Die Geschichte der Chemie und im speziellen die der physikalischen Chemie steht und fällt mit den Pionieren, die sie entwickelt haben.

Die besten verfügbaren Lehrkräfte für Chemie
1. Unterrichtseinheit gratis!
Tobias
5
5 (9 Bewertungen)
Tobias
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mahan
5
5 (11 Bewertungen)
Mahan
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Markus
5
5 (28 Bewertungen)
Markus
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mary
5
5 (12 Bewertungen)
Mary
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Sani
5
5 (19 Bewertungen)
Sani
15€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Aaron
4,9
4,9 (12 Bewertungen)
Aaron
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Lucas
5
5 (6 Bewertungen)
Lucas
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Dominik
5
5 (11 Bewertungen)
Dominik
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Tobias
5
5 (9 Bewertungen)
Tobias
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mahan
5
5 (11 Bewertungen)
Mahan
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Markus
5
5 (28 Bewertungen)
Markus
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mary
5
5 (12 Bewertungen)
Mary
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Sani
5
5 (19 Bewertungen)
Sani
15€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Aaron
4,9
4,9 (12 Bewertungen)
Aaron
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Lucas
5
5 (6 Bewertungen)
Lucas
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Dominik
5
5 (11 Bewertungen)
Dominik
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis>

Geschichte der physikalischen Chemie

Die ersten Lehrgänge zu Themen aus der physikalischen Chemie wurden um 1752 in Moskau von Michail Lomonossow gehalten. Im angelsächsischen Raum galt Josiah Willard als Begründer der physikalischen Chemie. Um 1867 veröffentlichte er den Artikel "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" , in dem er die grundlegenden Konzepte freie Energie, chemisches Potential und Phasenregel erklärte.

Willard Gibbs Begründer der physikalischen Chemie | Quelle: unsplash
J.W. Gibbs gilt als Pionier der Physikalischen Chemie | Quelle: unsplash

 

Die Herren Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van ’t Hoff und Walther Nernst galten ebenso als Pioniere der physikalischen Chemie und führten  um 1890 die physikalische Chemie als eigenständiges Lehrfach an Hochschulen ein. Das erste eigenständige Institut für physikalische Chemie wurde 1895 von Walther Nernst gegründet, der bei Wilhelm Ostwald habilitiert hatte. Jener Wilhelm Ostwald, der 1887 gemeinsam mit van 't Hoff das erste Fachblatt  Zeitschrift für physikalische Chemie herausgab.

Entwicklung der physikalischen Chemie

Auf Anregung von Walther Nernst folgten in rascher Folge in vielen Städten Deutschlands weitere Institute, die sich im Besonderen um die physikalische Chemie kümmerten. In England wurde 1903 die Faraday Division der Royal Society of Chemistry gegründet. Mit der physikalischen Chemie beschäftigen sich heute unzählige Universitäts- und mehrere Max-Planck-Institute .

Womit sich diese Institute beschäftigen wird klar, wenn man sich die wichtigsten Teilgebiete der physikalischen Chemie anschaut. Die Thermodynamik, die Kinetik, Spektroskopie, Elektrochemie und die theoretische Chemie sind alle für sich gesehen sehr umfangreiche Themen und erfordern deshalb auch eine Spezialisierung. Lasst uns mit der Thermodynamik beginnen!

Thermodynamik

Den Grundstein für die Thermodynamik legte um 1824 Sadi Carnot. Er formulierte die physikalischen Grundlagen und mithilfe des carnotischen Kreisprozesses erklärte er uns, warum Dampfmaschinen mechanische Arbeit verrichten können und wodurch der Wirkungsgrad bestimmt wird.  Bemerkenswert war, dass bis zu diesem Zeitpunkt die Dampfmaschine zu den technischen Anordnungen gehörte, die aufgrund von Erfahrungen gebaut und genutzt wurde, ohne die physikalischen Gegebenheiten genau zu kennen.

In der Thermodynamik oder Wärmelehre geht es um die Beschreibung chemischer Reaktionen aus energetischer Sicht. Sie gibt Antworten welche Energien sich bei einer Reaktion entwickeln oder zugeführt werden müssen, welche Stoffkonzentrationen bezüglich Produkten zu Ausgangsstoffen entsprechend dem Massenwirkungsgesetz zu erwarten sind. Welche  Temperatur- oder Druckerhöhung für den Stoffumsatz notwendig ist, oder welches Redoxpotential bzw. welche Ionenkonzentrationen einzelner Stoffe zu erwarten sind.

Die Hauptsätze der Thermodynamik

Die theoretische Grundlage bilden die vier Hauptsätze der Thermodynamik. Der nullte Hauptsatz wurde erst nach den anderen entdeckt. Da er aber grundlegend für die Thermodynamik und die anderen Hauptsätze ist, wurde er an den Anfang gestellt. Der nullte Hauptsatz macht eine Aussage zu  Systemen, die im thermischem Gleichgewicht stehen und was sich daraus folgern lässt.

Der erste Hauptsatz ist eine spezielle Formulierung des Energieerhaltungssatzes. Begriffe wie die innere Energie, also die Gesamtenergie aller Atome und Moleküle eines Körpers oder die Enthalpie, auch Reaktionswärme genannt, werden dort näher beschrieben. Die innere Energie kann durch Übertragen von Arbeit oder Wärme geändert werden, wird dabei nicht vernichtet, sondern lediglich in andere Energieformen umgewandelt.

Eine Dampflokomotive Sinnbild einer Dampfmaschine | Quelle: unsplash
Die Dampf Lokomotive - Bewegung durch die Wandlung von Energien | Quelle: unsplash

Stelle man sich vor dass ein Gas unter starkem Druck zusammengepresst wird, so steigt die Temperatur und innere Energie des Gases. Diese innere Energie eines Gases kann auch Arbeit erledigen, indem sich das Gas ausdehnt und einen Kolben antreibt. Den Effekt der spontanen Ausdehnung und der resultierenden Abkühlung des Mediums nutzt man, um Kühlschränke oder Luftverflüssigungsanlagen zu betreiben.

Ein wichtiger Fachbegriff, der bei diesen Vorgängen eine Rolle spielt ist die Enthalpie, die ein Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems darstellt. Sie wird in Joule, J, gerechnet und ist negativ, wenn bei der Bildung der Substanz aus den Elementen Energie frei wird. Der Wert ist positiv, wenn Energie zur Bildung der Substanz aus ihren Ausgangselementen aufgewendet werden muss.

Zweiter Hauptsatz

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist nur eine statistisch gerechtfertigte Behauptung und besagt, dass alle Prozesse, die innerhalb eines Systems spontan ablaufen oder bei denen Wärme oder Materie zugeführt wird, eine Zunahme seiner Entropie bewirken. Prozesse wie Vermischung, Wärmeleitung, chemische Reaktion  oder Umwandlung von mechanischer in thermische Energie bewirken die Zunahme der Unordnung bei einer Zustandsänderung. Dies führt dann zu irreversiblen Vorgängen, bei denen der Prozess  nicht freiwillig in die umgekehrte Richtung zurücklaufen kann.

Die gute, alte Glühbirne wandelte elektrische Energie und spendete Licht und ungewollt auch Wärme, die ungenutzt an die Umgebung abgegeben wurde.  Die Entropie ist der Quotient  aus Wärmeenergieanteil zur Temperatur, der bei diesem Prozess quasi an die Umgebung "vergeudet" wird. Auch das Ausströmen eines Gases in ein Vakuum ist mit einer Entropiezunahme verbunden.

Dritter und nullter Hauptsatz der Thermodynamik

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik  spricht von Annäherung an den absoluten Temperatur Nullpunkt, bei dem die Entropie gegen Null tendiert und Molekülbewegung kaum vorstellbar ist. Fehlt nur noch der vierte oder nullte Hauptsatz der bekanntlich  nachträglich hinzukam. Stehen zwei Systeme mit einem dritten energetisch im Gleichgewicht haben z.B. die gleiche Temperatur, so stehen sie auch zueinander in einem Gleichgewicht. Das Wesentliche kurz und bündig.

Makroskopische Größe

Wenn man sich überlegt wie viele Effekte aufgrund der großen Anzahl von Teilchen in Alltagssystemen eine Rolle spielen, ist es sinnvoll sie makroskopisch zu beschreiben. Das hat den Vorteil, dass sich statistische Verfahren mit sehr hoher Präzision anwenden lassen. Die Physik ist dort sehr erfolgreich und allgemein gültig, wo sie entweder einfache, mikroskopische Systeme oder sehr große, makroskopische Systeme beschreibt und die uns schon aus der Alltagswelt vertrauten makroskopische Größen wie Temperatur, Druck, Dichte verwendet.

Dies ist auch deshalb gerechtfertigt, weil sich die Energie statistisch gleichmäßig verteilt und diese Annahme der Gleichverteilung mit zunehmender Anzahl von Teilchen immer besser und im Idealfall von unendlich vielen Teilchen sogar perfekt erfüllt ist. Die Atmosphäre der Erde besteht aus unzähligen, einzelnen Molekülen, deren individuelle Wechselwirkung aber aufgrund der großen Anzahl der Wirkungen unbedeutend wird.

Die besten verfügbaren Lehrkräfte für Chemie
1. Unterrichtseinheit gratis!
Tobias
5
5 (9 Bewertungen)
Tobias
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mahan
5
5 (11 Bewertungen)
Mahan
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Markus
5
5 (28 Bewertungen)
Markus
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mary
5
5 (12 Bewertungen)
Mary
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Sani
5
5 (19 Bewertungen)
Sani
15€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Aaron
4,9
4,9 (12 Bewertungen)
Aaron
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Lucas
5
5 (6 Bewertungen)
Lucas
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Dominik
5
5 (11 Bewertungen)
Dominik
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Tobias
5
5 (9 Bewertungen)
Tobias
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mahan
5
5 (11 Bewertungen)
Mahan
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Markus
5
5 (28 Bewertungen)
Markus
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Mary
5
5 (12 Bewertungen)
Mary
30€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Sani
5
5 (19 Bewertungen)
Sani
15€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Aaron
4,9
4,9 (12 Bewertungen)
Aaron
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Lucas
5
5 (6 Bewertungen)
Lucas
25€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis!
Dominik
5
5 (11 Bewertungen)
Dominik
20€
/h
1. Unterrichtseinheit gratis>

Kinetik

Hatten wir bisher viel über Energieübertragungen gehört, so behandelt die Kinetik die Gesetzmäßigkeiten, die sich mit der Geschwindigkeit von Reaktionen befassen, der Reaktionskinetik. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist gekennzeichnet durch den  Stoffumsatz pro Zeiteinheit. Einflussgrößen sind die  Konzentrationen, da mehr Moleküle mehr reagieren je öfter sie zusammenstoßen.

Die treibende Kraft vieler chemischer und physikalischer Vorgänge ist das Streben nach dem Gleichgewichtszustand, der sich bei gleicher Geschwindigkeit der Hin- und Rückreaktion einstellt. Bestimmte Bedingungen wie Druck , Temperatur und die schon erwähnte Konzentration  der beteiligten Stoffe nehmen maßgeblich Einfluss, wann dieser Punkt erreicht ist.

Im Alltag erleben wir beim Kuscheln, dass der wärmere Körper an den kälteren Körper Wärme abgibt. Strom fließt von dem höheren zum niedrigeren Potential bis zum Ausgleich und bei der Diffusion wirkt eine Kraft, die mit der Zeit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe durch die gleichmäßige Verteilung der beweglichen Teilchen führt. Dabei erhöht sich auch die Entropie des Systems. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Schnelligkeit der Teilchen, die den Konzentrationsausgleich erzielen. Entscheidende Einflussgrößen sind der Durchmesser der Moleküle/Ionen, die Temperatur, der Konzentrationsunterschied und die Distanz.

Diffusion ist von Konzentrationen abhängig | Quelle: unsplash
Diffusion- die unsichtbare Kraft der Konzentrationsunterschiede | Quelle: unsplash

Spektroskopie

Historisch bezeichnet der Begriff in erster Linie solche Verfahren, die mit Lichtaufnahme, der Absorption,  oder Lichtabgabe ,der Emission  zu tuen haben. Sie ist der Oberbegriff für eine Klasse experimenteller Verfahren, die untersuchen, wie eine Probe z. B. eine Wasserprobe Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung also Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, UV, Röntgen aufnehmen oder abgeben kann. Ziel der Spektroskopie ist es, aus dem erzielten Spektrum Rückschlüsse auf die Probe zu ziehen, zum Beispiel auf deren Struktur, stoffliche Zusammensetzung  oder Dynamik.

J.H. Lambert und August Beer postulierten, dass ein Lichtstrahl, der durch eine homogene Probelösung dringt infolge von Lichtabsorption Intensität verliert. Die Intensitätsabnahme ist  proportional zur Konzentration der Lösung und der Schichtdicke der Probe, die das Licht durchdringen muss.

Wie wir in unserem Artikel über Atomphysik darstellen, kann die Energie eines Lichtquants, soweit die Frequenz der elektromagnetischen Welle passt, Atome oder Moleküle anregen und so in einen höheren quantenmechanischen Zustand versetzen. Diese Licht - oder Energieabsorption in Abhängigkeit der Wellenlänge wird registriert und zur quantitativen Bestimmung genutzt. Die höchste Empfindlichkeit der Messung wird mithilfe des Monochromators erreicht, der das weiße Licht der Lampe spektral zerlegt und nur die gewünschte Wellenlänge durch den Spalt auf die Probe schickt.

Elektrochemie

Lithium Ionen Akkus sind eine aktuelle Batterietechnologie | Quelle: unsplash
Lithium Ionen Akku - State of the Art der aktuellen Batterien Technologie | Quelle: unsplash

Bei der Betrachtung chemischer Reaktionen, unabhängig ob organischer oder anorganischer Natur, stellen wir fest, dass sie stets mit einem Energieumsatz verbunden sind und meistens tritt dabei Wärme auf. Die Wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie nennt man Galvanismus und die bekanntesten Beispiele sind der Bleiakkumulator und herkömmliche Batterien. Die Aufgabe der Batterie besteht darin, elektrische Energie zu speichern und elektrische Komponenten mit Spannung zu versorgen.

Bei einem Bleiakkumulator handelt es sich um eine Ausführung eines Akkumulators, der im aufgeladenen Zustand am positiven Pol aus Blei(IV)-oxid (PbO2), am negativen aus fein verteiltem, porösem Blei besteht. Als Elektrolyt wird eine Schwefelsäure (H2SO4) verwendet.

Die Vorgänge sind klassische Redoxreaktionen bei denen Elektronen von einem Pol zum anderen wandern und dabei Strom liefern. An der Kathode geht das Blei in Lösung, wird dabei zum Bleisulfat oxidiert und liefert gleichzeitig Elektronen, die an der Anode das Bleioxid durch Aufnahme zum Bleisulfat reduzieren. Im entladenen Zustand bestehen beide Pole aus Blei(II)-sulfat (PbSO4). Durch das Anlegen eines äußeren Stromes findet die Reaktion umgekehrt statt und lädt den Akku.

Theoretische Chemie

Theorie ist für viele ein Greuel andere wiederum zeigen bei diesen Disziplinen ihre Stärke. Klar ist, dass nicht alle Fragen im Labor zu klären sind. Häufig werden Durchbrüche oder wichtige Erkenntnisse mithilfe des Computers erreicht. Er ist ein wichtiges Instrument für Daten- und Problemanalyse und Simulation.

Die Mathematik hilft durch Computersimulationen und Rechnungen die Eigenschaften von einzelnen Molekülen oder makroskopischen Stoffmengen vorauszusagen. Die Quantenmechanik liefert die Grundlagen zum Verständnis des Aufbaus der Materie und der chemischen Bindung während die Statistische Thermodynamik die Verknüpfung mit der makroskopischen Thermodynamik liefert.

Ein weiteres Themenfeld der theoretischen Chemie  beschäftigt  sich in erster Linie mit der Entwicklung beziehungsweise Weiterentwicklung von Methoden, mit denen die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Materie berechnet werden können, sowie mit deren computertechnischen Implementierung durch Programme ,meist in Fortran oder C.

Diese entwickelten Computerprogramme werden dann im Rahmen der Computerchemie nicht nur von Vertretern der Theoretischen Chemie, sondern auch von anderen Bereichen der Chemie zur Unterstützung bei der Lösung von chemischen Problemstellungen verwendet. Untergeordnet werden auch neue Ansätze zur Interpretation von Ergebnissen erforscht.

Ich beschäftige mich nicht mit dem, was getan worden ist. Mich interessiert, was getan werden muss. | Marie Curie

Aussichten

Wie auch die anderen Teilgebiete der Chemie, ist die physikalische Chemie keine abgeschlossene Wissenschaft, sondern sie entwickelt sich ständig weiter. Für die Zukunft sind Entwicklungen und Optimierungen notwendig, die unseren Energieverbrauch und die Energieversorgung nachhaltig verbessern.

Regenerative Energien scheinen im menschlichen Zeit Horizont für nachhaltige Energieversorgung praktisch unerschöpflich zur Verfügung zu stehen.  Erneuerbare Energiequellen und die effiziente Nutzung dieser Energien gelten als wichtigste Säule einer nachhaltigen Energiepolitik und der Energiewende.

Wichtige Bausteine der Energieversorgung der Zukunft sollten die Bioenergie, Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie und Windenergie sein. Diese wiederum beziehen ihren Saft aus der Kernfusion der Sonne,  der kinetischen Energie der Erddrehung, der Planetenbewegung sowie der Wärme aus dem Inneren der Erde. Die effiziente Wandlung und Speicherung dieser Energie, die nachhaltige Nutzung der Sekundärenergien wie Elektrizität, Wärme und Kraftstoff  dürfte auch die Physikalische Chemie zukünftig beschäftigen.

Auf der Suche nach einer Lehrkraft für Chemie?

Dir gefällt unser Artikel?

5,00/5 - 1 vote(s)
Loading...

Karl Heinz

Hi, it's me - Karl Heinz, not really new, but still active. My passions are outdoor activities. I love the nature, riding the bike, hiking through the mountains, preferably with my wife and my dog. These are opportunities to let flow my thoughts and get inspiration for writing comments and blogs.