Exemplarisches Curriculum in der Physikalischen Chemie

PC 0, 1. Semester

Einführung in die Physikalische Chemie; 2 SWS + Ü

  1. Bausteine der Materie (Fortsetzung in PC II)
    1.1. Atome
    Elektron, Proton, Neutron, Elementarladung, Millikanversuch, Größen und Einheiten, atomare Masseneinheit, Massenspektroskopie, Kernladungszahl, Isotope, Atomsymbole, Isotopeneffekte, Deuterium, schweres Wasser, Massendefekt, chemischer Anteil daran, Tritium, radioaktiver Zerfall als Kinetik 1. Ordnung, Integration des differentiellen Zeitgesetzes, Halbwertszeit, Altersbestimmung, Nuklidkarte; Stoffmenge, Definition des Mol, SI-Basiseinheiten, Molmasse, Avogadrokonstante, Genauigkeit, Bestimmungsmethoden
    1.2. Wellen und Licht
    Wellenausbreitung, Beugung, elektromagnetisches Spektrum, Kirchhoffsches Gesetz, schwarze Strahler, Wiensches Verschiebungsgesetz, Strahlungsleistung, Ultraviolettkatastrophe, Plancksches Wirkungsquantum, Plancksche Strahlungsformel, photoelektrischer Effekt, Compton-Effekt, Photonenimpuls, De Broglie Wellenlänge, Röntgenbeugung, Braggsche Reflektionsbedingung, Wellenlängenmessung, Elementarzelle, Anwendungen der Röntgenbeugung
    1.3. Atome und Licht
    Coulombgesetz, stationäre Zustände, Quantenzahlen, Fraunhoferlinien, Atomspektroskopie, Wasserstoffspektrum, Spektralserien, Kombinationsprinzip, Bohrsches Atommodell, Bohrscher Radius, reduzierte Masse, Franck-Hertz-Versuch, Röntgenspektren, zeitabhängige Zustände, Unbestimmtheitsrelation
    1.4. Moleküle
    Molekülspezifische Kräfte und Potentialkurven, Beziehung Kraft-potentielle Energie, AB-Moleküle, Dissoziationsenergie, Gleichgewichtsabstand, Beispiele, Präfixe für Einheiten, Morsepotential, Molekülschwingungen, Nullpunktsenergie, Wasserstoffbrückenbindung, van der Waals Bindung, Lennard-Jones Potential, He-Dimer
  2. Erscheinungsformen der Materie
    Aggregatzustände, charakteristische Eigenschaften (Dichte, Kompressibilität, Zähigkeit), griechisches Alphabet
    2.1. Gase
    2.1.1. Ideales Gas
    Zustandsgleichung, Volumenmessung, Druck, Einheiten, Messung, Quecksilbermanometer, Erdbeschleunigung, Temperatur, Definition, Einheiten, Interpolation, 0. Hauptsatz, universelle Gaskonstante, Dimension, Definition als Grenzwert, Zahlenwert, extensive und intensive Größen, Teilgesetze von Boyle, Gay-Lussac, Avogadro, 2D und 3D Darstellungen, Isotherme, Isobare, Isochore, Molvolumen, Standardbedingungen
    2.1.2. Reales Gas
    Kompressibilitätsfaktor, positive und negative Abweichungen, Boyle-Temperatur, Virialgleichung, 2. Virialkoeffizient, Äquivalenz von Druck- und Dichteentwicklung, Zahlenwerte für verschiedene Temperaturen, van der Waals Gleichung, Kovolumen, Binnendruck, Deutung, Zahlenwerte, van der Waals Isothermen, Instabilitätsbereich, kritische Isotherme, Sattelpunktskoordinaten, kritischer Punkt, Kompressibilität, Prinzip der korrespondierenden Zustände, 2. Virialkoeffizient und Boyle-Temperatur des van der Waals Gases, kubische Zustandsgleichungen, Redlich-Kwong, mikroskopische Berechnung des 2. Virialkoeffizienten
    2.1.3. Gasmischungen
    Molenbruch, Massenbruch, ideale Mischung idealer Gase, Partialvolumen, Partialdruck, Daltonsches Gesetz, reale Mischungen, Virialentwicklung
    2.2. Kondensierte Phasen
    Kondensation, Kohäsionskräfte, Grenzen der van der Waals Gleichung, isotherme Kompressibilität, Zustandsgleichungen kondensierter Phasen, radiale Verteilungsfunktion (Gas, Flüssigkeit, Festkörper), flüssige Kristalle (nematische, smektische, cholesterische Phasen), Gläser, Polymere, Ordnungsgrad
  3. Phasengleichgewicht
    Phase, Phasenübergang
    3.1. Einstoffsysteme
    3.1.1. Verdampfung
    Dampfdruckdaten von Wasser, pVT-Diagramm mit 2-Phasengebiet, Schnitte, Projektionen, TV-Diagramm, pT-Diagramm, Dampfdruckkurve, Guldbergsche Regel, ln(p)/(1/T)-Auftragung, molare Verdampfungswärme, Clausius-Clapeyron Gleichung, Clapeyron Gleichung
    3.1.2. Sublimation und Schmelzen
    Tripelpunkt, Sublimation, Steigung der Schmelzkurve, Beispiele Kohlendioxid und Wasser, pVT-Diagramm mit Tripelpunkt, Festkörperphasen, Beispiele Kohlenstoff und Wasser, Phasenregel
    3.2. Zweistoffsysteme
    Konzentrationsmaße, Molarität, Molalität
    3.2.1. Dampfdruck von Lösungen
    Raoultsches Gesetz, ideale Lösung, Henrysches Gesetz, Dampfdruckerniedrigung
    3.2.2. Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung
    Herleitung, Molmassenbestimmung, ebullioskopische Konstante, kryoskopische Konstante, kolligative Eigenschaften
    3.2.3. Siede- und Schmelzdiagramme
    px-Diagramm, Tx-Diagramm, Hebelgesetz, Destillation, Abweichungen vom Raoultschen Gesetz, Azeotrop, Mischungslücke, Wasserdampfdestillation, Schmelzdiagramme, begrenzte Mischbarkeit, Eutektikum, Festkörperverbindungen, inkongruentes Schmelzen, fraktionierte Kristallisation, Zonenschmelzen
    3.3. Osmose und Verteilungsgleichgewicht
    3-Stoffsysteme, semipermeable Membran, osmotischer Druck, Nernstscher Verteilungskoeffizient
  4. Ionen in Lösung
    Coulombwechselwirkung, Dielektrizitätskonstante, Abschirmung, Elektroneutralität, Dissoziationsgrad
    4.1. Elektrolytleitfähigkeit
    Anionen, Kationen, Elektrodenreaktionen, Faradaykonstante, Ohmsches Gesetz, spezifische Leitfähigkeit, Zellkonstante, Wheatstonebrücke, molare Leitfähigkeit, Stromdichte, Beweglichkeit, Einzelionenleitfähigkeit, Grenzleitfähigkeit, Überführungszahlen, Extraleitfähigkeit, starke und schwache Elektrolyte, Kohlrauschsches Quadratwurzelgesetz, Ostwaldsches Verdünnungsgesetz
    4.2. Eigendissoziation des Wassers
    Autoprotolyse, Dissoziations-Rekombinationskinetik, Ionenprodukt, Temperaturabhängigkeit, pH-Wert
    4.3. Säure/Base-Gleichgewicht
    Bronstedt-Lowry-Definition, konjugierte Säure-Base-Paare, amphotere Stoffe, pKs-Wert, Säurestärke in der Gasphase und in Lösung, Berechnungsschema für Säure-Base-Gleichgewicht, Hydrolyse, Näherungsformeln, Puffersysteme, Henderson-Hasselbalch, Titrationsschema, Äquivalenzpunkt, Indikatoren
  5. Einführung in die Thermochemie (soweit noch Zeit bleibt, Fortsetzung in PC I)
    5.1. Thermodynamische Grundbegriffe
    Offene, geschlossene und isolierte Systeme, adiabatische und diathermale Wände, Zustand, Zustandsgröße, Zustandsfunktion, Kreisprozess, exotherm/endotherm, mechanisches, chemisches und thermisches Gleichgewicht, reversibel/irreversibel
    5.2. Arbeit, Wärme, Energieerhaltung
    Mechanische, Volumen- und elektrische Arbeit, Vorzeichenkonvention, Energieformen, Wärmekapazität, spezifische Wärme, Energieerhaltungssatz
    5.3. Formulierungen des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik
    Innere Energie als Zustandsfunktion, als Konstante in isolierten Systemen, als totales Differential, perpetuum mobile
    5.4. Isochore und isobare Prozesse
    Wärmekapazität bei konstantem Volumen und konstantem Druck, Molwärme, Enthalpie, Systemdruck und äußerer Druck
    5.5. Thermochemische Anwendungen des 1. Hauptsatzes
    Isotherme und adiabatische Reaktionsführung, Standardzustand, Reaktionsenthalpie, Standardbildungsenthalpie, Satz von Hess, stöchiometrische Koeffizienten, Verbrennungsenthalpie, Hydrierungsenthalpie, Lösungsenthalpie, Verdünnungsenthalpie, Einzelionenbildungsenthalpie, Solvatationsenthalpie, Hydratationsenthalpie, Bindungsenthalpie, Dissoziationsenergie, Dissoziationsprodukte, mittlere Bindungsenthalpie, Reaktionsenergie
    5.6 Expansion von idealen Gasen
    Freie Expansion ins Vakuum, zweites Gesetz von Gay-Lussac, isotherme reversible Expansion, maximale Arbeit, adiabatische Expansion gegen äusseren Druck, adiabatisch-reversible Expansion, Poissonsche Adiabatengleichung

PC Praktikum 0, 1. Semester

7 aus folgenden Versuchen; 3 SWS + Seminar (1 SWS)

  1. Bestimmung der Loschmidt-Zahl
  2. Interferenz und Wellenlängenmessung
  3. Bestimmung der Molmasse nach Viktor Meyer
  4. Molmassenbestimmung durch Messen der Gefrierpunktserniedrigung
  5. Nernstscher Verteilungssatz und Lichtabsorption
  6. Leitfähigkeit wässriger Elektrolyte
  7. Dissoziationskonstante einer schwachen Säure
  8. Neutralisationsenthalpie

PC I, 2. Semester

Chemisches und elektrochemisches Gleichgewicht; 2 SWS + Ü

  1. Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Ergänzungen und Wiederholung)
    1.1. Expansion von Gasen
    Ideale Gase: freie Expansion ins Vakuum, zweites Gesetz von Gay-Lussac, isotherme reversible Expansion, maximale Arbeit, adiabatische Expansion gegen äusseren Druck, adiabatisch-reversible Expansion, Poissonsche Adiabatengleichung, Adiabaten und Isothermen; reale Gase: freie Expansion ins Vakuum, Experiment von Joule, isenthalpe Expansion, Joule-Thomson-Experiment, Joule-Thomson-Koeffizient, Lindeverfahren
  2. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
    Begrenzte Aussagekraft des ersten Hauptsatzes, Richtung von chemischen Prozessen
    2.1. Formulierungen des zweiten Hauptsatzes
    Spontane Vorgänge, Irreversibilität, perpetuum mobile zweiter Art, Entropie als Zustandsfunktion, Entropiedefinition
    2.2. Entropieänderungen bei thermodynamischen Prozessen
    Isotherme reversible Expansion, irreversible Expansion ins Vakuum, Erwärmung eines Gases, Phasenübergänge
    2.3. Wärmekraftmaschinen
    Carnotscher Wirkungsgrad, Carnotscher Kreisprozess, ideales Gas und reale Systeme, thermodynamische Temperaturskala
  3. Kombination von erstem und zweitem Hauptsatz
    Aussagen über isolierte und nicht-isolierte Systeme, Clausiussche Ungleichung
    3.1. Thermodynamische Gleichgewichtsbedingungen
    Helmholtz- oder freie Energie A, maximale isotherme Nutzarbeit, Gibbsenergie oder freie Enthalpie G, maximale isotherm-isobare Nutzarbeit
    3.2. Fundamentalgleichungen der Thermodynamik und thermodynamische Potentiale
    Energetische Fundamentalgleichung, Maxwell-Beziehungen, thermodynamische Potentiale, Herleitung offengebliebener thermodynamischer Zusammenhänge
    3.3. Temperaturabhängigkeit und dritter Hauptsatz
    Molwärmen, Gleichverteilungssatz, Gase, Flüssigkeiten, Festkörper, Regel von Dulong-Petit, latente Wärmen, Kirchhoffsches Gesetz, Nullpunkt der Energie und der thermodynamischen Potentiale, Temperaturabhängigkeit der Entropie, Bedeutung von absoluten Entropien, Beispiel HCl, Nernstsches Wärmetheorem, dritter Hauptsatz, Triebkraft chemischer Reaktionen aus kalorimetrischen Messungen, Planck-Funktion, Gibbs-Helmholtz-Gleichung
    3.4. Druckabhängigkeit
    Druckabhängigkeit der Gibbsenergie, kondensierte Materie, Gase, chemisches Potential, reale Gase, Fugazität, Fugazitätskoeffizient, Standardzustand als hypothetischer Zustand
    3.5. Stoffmengenabhängigkeit
    Offene Systeme, Erweiterung der Fundamentalgleichungen, Reaktionslaufzahl, Gleichgewichtsbedingung für chemische Reaktionen
  4. Chemisches Gleichgewicht in der Gasphase
    Massenwirkungsgesetz, Gleichgewichtskonstante
    4.1. Berechnung von Gleichgewichtszusammensetzungen
    Stoffbilanzen, Kp, Kf, Kc, Kx
    4.2. Berechnung von Gleichgewichtskonstanten
    Tabellenwerke, Referenzzustand, JANAF-Tabellen, Beispiele
    4.3. Gleichgewichtsbeeinflussung
    Katalysator, Temperatur, Druck, Prinzip des kleinsten Zwanges
  5. Phasengleichgewicht in Einstoffsystemen
    5.1. Stabilität von Phasen
    Gleichgewichtskriterium, metastabile Phasen, μ/T-Diagramm, Tripelpunkt
    5.2. Klassifikation von Phasenübergängen
    Phasenübergang 1. Ordnung, Cp-Singularität, Phasenübergang 2. Ordnung nach Ehrenfest und nach Tisza (λ-Übergang), Beispiele
    5.3. Koexistenzkurven
    Clapeyron-Gleichung, Clausius-Clapeyron, Pictet-Trouton, Ausnahmen
    5.4. Grenzflächenthermodynamik
    Erweiterung der Fundamentalgleichungen, Grenzflächenspannung, Oberflächenspannung
    5.5. Dampfdruck kleiner Tröpfchen
    Kelvingleichung, Übersättigung
  6. Phasengleichgewicht in Mehrstoffsystemen
    6.1. Partielle molare Größen
    Partielles Molvolumen, Satz von Euler, Gibbs-Duhem-Beziehung, partielle molare Gibbsenergie, Maxwell-Beziehungen
    6.2. Thermodynamik von Mischungen
    Freie Mischungsenthalpie, Mischungsentropie, ideale Mischung, reale Mischung, Exzessgrößen
    6.3. Bezugszustände für das chemische Potential
    Chemisches Standardpotential, Konzentrationsterm, Realkorrektur, Aktivitätskoeffizient, Aktivität, Bezugszustand, Konventionen, Reinstoff und unendliche Verdünnung, Konzentrationsskalen, Einfluss auf das chemische Gleichgewicht
    6.4. Kolligative Eigenschaften
    Osmose, van't Hoff-Gleichung, Virialentwicklung
    6.5. Phasenregel von Gibbs
    Komponenten, Freiheitsgrade, Tripel- und Quadrupelpunkte, Beispiele
    6.6. Phasendiagramme
    Entmischung von Flüssigkeiten, kongruent schmelzende Verbindungen, ternäre Systeme, Dreieckskoordinaten, Nernstscher Verteilungssatz
  7. Elektrochemische Zellen
    7.1. Terminologie und Typen
    Galvanische Zellen, Elektrolysezellen, Halbzellen mit und ohne Überführung
    7.2. Elektrochemisches Potential
    Elektromotorische Kraft, elektrochemisches Gleichgewicht, Vorzeichenkonventionen
    7.3. Nernstsche Gleichung und Spannungsreihe
    Standardwasserstoffelektrode, Mehrelektronenübergänge, Konzentrationsketten
    7.4. Anwendungen
    Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen, pH-Elektroden, elektrochemische Synthesen
  8. Chemisches Gleichgewicht in Mehrphasensystemen
    Phasengleichgewicht und chemisches Gleichgewicht, Überbestimmtheit
    8.1. Heterogene fest-gas Reaktionen
    Technische Bedeutung, Beispiel Boudouard-Gleichgewicht, Kalkbrennen, Berechnung der Gleichgewichtskonstante
    8.2. Heterogene fest-flüssig Reaktionen
    Auflösung eines Festkörpers, Löslichkeitsprodukt
  9. Systematische Thermodynamik und Rückblick
    9.1. Postulate
    Gleichgewichtszustände, Charakterisierung durch extensive Zustandsgrößen, Entropiemaximumprinzip, Entropie- und Energieform der Fundamentalgleichung, U(S)-Verlauf
    9.2. Intensive Größen und Gleichgewicht
    Potentiale, thermisches, mechanisches und chemisches Gleichgewicht, energetische Fundamentalgleichung in differentieller und integraler Form, Gibbs-Duhem-Beziehung
    9.3. Legendre-Transformation
    Intensive Grössen als abhängige Variablen, Informationsverlust bei Differentialbildung, Legendre-Transformation, Minimal- und Maximalprinzipien für Gleichgewicht
    9.4. Maxwell-Beziehungen
    Satz von Schwarz, mnemotechnisches Diagramm
    9.5. Phasen- und Reaktionsgleichgewichte
    Analogien zwischen Stoffaustausch und Stoffumwandlung

Proseminar: Grundlagen der Statistischen Thermodynamik; 1 SWS

  1. Energieniveaus der Moleküle
    Translation, Rotation, Schwingung, elektronische Anregung, relative Größenordnung
  2. Verteilungen
    Verteilungsfunktion, Würfelanalogie, Mikrozustand, Makrozustand, thermodynamische Wahrscheinlichkeit, Stirling-Formel, wahrscheinlichster Makrozustand, Scharmittel, Zeitmittel, Entartung, Fermionen, Bosonen, Lagrange-Multiplikatoren, Maxwell-Boltzmann, Fermi-Dirac, Bose-Einstein Statistik, Boltzmann-Verteilung, molekulare Zustandssumme, T-Abhängigkeit, harmonischer Oszillator, Gesamtenergieberechnung
  3. Kanonische Gesamtheit
    Mikrokanonische, kanonische und großkanonische Gesamtheiten, Ensemblepostulat, kanonische Zustandssumme, innere Energie, Breite der Verteilung, unterscheidbare Subsysteme ohne Wechselwirkung, ununterscheidbare Subsysteme ohne Wechselwirkung
  4. Berechnung von Zustandssummen
    Separation von Energie und Zustandssumme, Translationszustandssumme, Integralnäherung, Rotationszustandssumme, Symmetriezahl, charakteristische Temperatur, Schwingungszustandssumme, elektronische Zustandssumme, praktische Formeln, Beispiele
  5. Molwärmen von Gasen
    (direkter Bezug zu Kap. 3 von PC I)
    Translationsbeitrag, Gleichverteilungssatz, Rotationsbeitrag, T-Abhängigkeit, Schwingungsbeitrag, zweiatomige Moleküle, Abweichungen
  6. Statistische Entropie
    (direkter Bezug zu Kap. 2 von PC I)
    Statistischer Ansatz für die Entropie, Überprüfung der Maximaleigenschaft, Temperatur, Interpretation, dritter Hauptsatz, Entropie und kanonische Zustandssumme, Sackur-Tetrode-Gleichung, Absolutberechnung von Gasentropien
  7. Thermodynamische Anwendungen
    (direkter Bezug zu Kap. 4 von PC I)
    Berechnung thermodynamischer Potentiale aus der Zustandssumme, chemisches Potential und chemisches Gleichgewicht, Berechnung eines Dissoziationsgleichgewichts in der Gasphase
  8. Statistische Thermodynamik idealer Kristalle
    (direkter Bezug zu Kap. 3 von PC I)
    Einstein-Modell, charakteristische Temperatur, Molwärme, Kurvendiskussion, Vergleich mit Experiment, Debye-Modell, Grenzfrequenz, T 3-Gesetz
  9. Statistische Thermodynamik von Elektrolytlösungen
    (direkter Bezug zu Kap. 7 von PC I)
    Ion-Ion-Wechselwirkung, Debye-Hückel-Theorie, konzentrierte Elektrolytlösungen
  10. Statistische Thermodynamik von Metallen
    (direkter Bezug zu Kap. 3 von PC I)
    Drude-Modell, Fermi-Dirac-Statistik, Fermienergie, Molwärmebeitrag, de Broglie-Wellenlänge, Brillouinzonen, Energiebänder

PC II, 3. Semester

Aufbau der Materie und physikalische Grundlagen der Spektroskopie; 3 SWS + Ü

  1. Einführung in die Quantenmechanik und einfache Anwendungen
    1.1.Grenzen der klassischen Mechanik, Schrödingergleichung
    Quantisierung von Energie, Impuls, Drehimpuls, stationäre Zustände, Welle-Teilchen-Dualismus, Bohrsches Atommodell, Matrizen- und Wellenmechanik, freies Teilchen in einer Dimension, Schrödingergleichung, de Broglie-Beziehung, kinetische Energie und Krümmung, historischer Weg oder Postulate?
    1.2.Postulate und Grundgesetze der Quantenmechanik
    Zustandsbeschreibung durch Wellenfunktion, Wahrscheinlichkeitsinterpretation, Randbedingungen, Normierung, Messgrößen und hermitesche Operatoren, bra-ket-Schreibweise, Hamiltonoperator, Messvorgang und Eigenwerte, Orthogonalität und Orthogonalisierung, Superpositionsprinzip, Erwartungswert, zeitabhängige Schrödingergleichung, Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation, komplementäre Variablen, Kommutator
    1.3.Teilchen im Kasten
    Modell und reale Beispiele, Aufstellung Hamiltonoperator, Lösungsansatz, Eigenfunktionen, Normierung, Eigenwerte, graphische Darstellung, Unbestimmtheitsrelation, Korrespondenzprinzip, Impuls, Impulsquadrat, dreidimensionaler Kasten, Entartung, endlich hohe Wände, Tunneleffekt, stationärer Lösungsansatz, Analyse der Lösung, Anwendungsbeispiele
    1.4.Harmonischer Oszillator
    Idealisierte chemische Bindung, Kraft und Potential, Hamiltonfunktion und -operator, Heuristik für den Grundzustand, Hermitesche Differentialgleichung, Hermitepolynome, Rekursionsformel, Wellenfunktionen und Eigenwerte, Korrespondenz Schwingungsfrequenz/Anregungsfrequenz, klassische Umkehrpunkte, Knotenzahl, Virialtheorem
    1.5.Rotator
    Winkelgeschwindigkeit, Drehimpuls, Trägheitsmoment, reduzierte Masse, Kreuzprodukt, quantenmechanische Übersetzung, Kommutator, Vertauschungsrelationen, Vertauschung mit dem Betragsquadrat, sphärische Polarkoordinaten, 2D-Rotation, Drehimpulsquantisierung, 3D-Rotation, Laplace-Operator in Polarkoordinaten, Separationsansatz, Legendresche Differentialgleichung, zugeordnete Legendrefunktionen, Kugelflächenfunktionen, graphische Darstellung, Energieeigenwerte und Entartung des linearen Rotators, Symmetriezahl, Raum- und Betragsquantisierung des Drehimpulses
    1.6.Wasserstoffatom
    Schwerpunktsseparation, Born-Oppenheimer-Näherung, Schrödingergleichung, Separation in Radial- und Kugelflächenfunktionen, Zentrifugalpotential, assoziierte Laguerrepolynome, Quantenzahlen und ihre Wertebereiche, Orbitale, Energieeigenwerte, Entartung, Darstellung und Diskussion der Orbitale, radiale Verteilungsfunktion, Kontourlinien, Punktdichteplots, polare Darstellungen, Superposition komplexer Orbitale, reelle p,d-Orbitalsätze
  2. Atombau und Spektrallinien
    2.1.Magnetisches Moment und Spin des Elektrons
    Bahndrehimpuls und magnetisches Dipolmoment, magnetogyrisches Verhältnis, Bohrsches Magneton, Zeemaneffekt, Stern-Gerlach Experiment, Elektronenspin, Landéfaktor, Spin-Bahn-Kopplung, Vektoraddition, Kopplungskonstante, Na D-Linien
    2.2.Pauliprinzip und Aufbauprinzip
    Helium, Elektronenkorrelation, Produktansatz, Abschirmkonstante, Orbitaloptimierung, Variationsmethode, atomare Einheiten, Energieäquivalente, Spinfunktionen, Pauliprinzip, Fermionen, Bosonen, Slaterdeterminanten, angeregtes Helium, Singulett/Triplett, Prinzip der Hartree-Fock (SCF) Methode, korrelierte Wellenfunktionen, relativistische Effekte, Orbitalenergien, Bohrsche Regel, Aufbauprinzip, Hundsche Regel, Periodizität der Eigenschaften
    2.3.Drehimpulskopplung
    Termaufspaltung, Vektormodell, Russel-Saunders-Kopplung und jj-Kopplung als Grenzfälle, Beispiel p2-Konfiguration, Clebsch-Gordan-Serie, Ausstreichschema, Termnotation, Hundsche Regeln, Spin-Bahn-Aufspaltung in Halogenatomen, Atomspektren, Auswahlregeln, Interkombinationsverbot, Laporte-Regel, Beispiel Hg
  3. Molekülbau und Molekülspektroskopie
    3.1.Chemische Bindung im Wasserstoffmolekülion
    Born-Oppenheimer-Näherung, Potentialkurven und -hyperflächen, H2+, HD+, quasiklassische Betrachtung, Interferenzterm, Überlappungsintegral, Molekülorbitale, LCAO, kinetische Energie und Virialtheorem, Variationsansatz, destruktive Interferenz, Coulombintegrale, Resonanzintegrale, Matrixelemente, Säkulardeterminante, Orbitalnomenklatur, Energieniveauschema
    3.2.Chemische Bindung in zweiatomigen Molekülen
    Wasserstoffmolekül, Hamiltonoperator, LCAO-Ansatz, ionische Anteile und Dissoziation, Konfigurationswechselwirkung, verfeinerte Ansätze, homonukleare zweiatomige Moleküle der 1. Achterperiode, qualitative LCAO-Betrachtungen, MO-Klassifikation, Energieniveauschema, Bindungsordnung, Abfolge der p-basierten MOs, AO-Hybridisierung oder MO-Mischung, Termsymbole, heteronukleare Beispiele, ionische und polare Bindung, vermiedene Überkreuzung, Salzcluster
    3.3.Mehratomige Moleküle
    Struktur von XH2-Molekülen, exemplarische Symmetriebetrachtungen, Symmetrieoperationen, Symmetrieverhalten der Molekülorbitale, Orbitalkorrelation für lineare und gewinkelte Strukturen, qualitative Walshdiagramme, Grenzen solcher und ähnlicher Betrachtungen, Nomenklatur elektronischer Zustände, Hückel-MO-Theorie, Ethylen, Butadien, Benzol, Konstruktion nach Frost+Musulin
    3.4.Molekülspektroskopie - Grundlagen und Techniken
    Planck-Einstein Beziehung, elektromagnetisches Spektrum, Aufbau eines Spektrometers, Lambert-Beer Gesetz, Transmission, Absorbanz, Absorptionskoeffizient, Fourier-Transformationstechniken, Pulsanregung und freier Induktionszerfall, Michelson-Interferometer, Interferogramm, Fourierpaar, Multiplex- und Jacquinot-Vorteil, Einsteinkoeffizienten der Absorption und Emission, spontane und induzierte Emission, Plancksche Strahlungsformel, Fluoreszenzlebensdauer, Nettoabsorption, Übergangsmomente, Dipolmatrixelement, Auswahlregeln, Parität
    3.5.Rotationsspektren
    Trägheitsmomente, lineare, sphärische, symmetrische und asymmetrische Kreisel, Termformel linearer Rotator, übergeordnete und spezifische Auswahlregeln, Übergangsdipolmoment, Entartung, Population, induzierte Emission, Linienstärke, Linienbreite, inhomogene und homogene Verbreiterungsmechanismen, Dopplerverbreiterung, Lamb-dip-Spektroskopie, Lorentzprofil, Lebensdauer- und Druckverbreiterung, instrumentelle Verbreiterung, quadratischer Starkeffekt, Schwingungsmittelung der Rotationskonstante, Zentrifugalverzerrung, Quantenzahlen für symmetrische Kreisel, Termformeln, Energieniveaus für spitze und flache Kreisel, Auswahlregeln, Entartung, Grenzfall sphärischer Kreisel, Ausblick asymmetrische Kreisel, Generierung von Mikrowellenstrahlung, FTMW-Technik, Mikrowellenherd
    3.6.Schwingungsspektren
    Harmonischer Oszillator, Termformel, Auswahlregeln, Dipolfunktion, elektrische und mechanische Anharmonizität, Obertöne, Morse-Potential, Termformel, Birge-Sponer-Extrapolation, Schwingungsrotationsspektren, P,Q,R-Zweige, Intensitätsverteilung, größere Moleküle, Symmetrisierung von Valenzschwingungen, Normalschwingungen, Übergangsdipolvektor, Auswahlregeln, Parallel- und Senkrechtbanden, Grenzen des Normalschwingungsmodells, Gruppenschwingungen, Gerüstschwingungen, Ramanstreuung, Stokes- und Antistokes-Übergänge, Polarisierbarkeit, Auswahlregeln, O,S-Zweige, IR/Raman-Ausschlussregel
    3.7.Elektronische Spektren
    Komplexität durch Kopplung mit Rotations- und Schwingungsübergängen, Grenzen der Born-Oppenheimer-Näherung, generelle Auswahlregeln, Franck-Condon-Faktoren, diskrete und Kontinuumsspektren, Chromophore, Übergangsmetallkomplexe, Charge-Transferbanden, elektronische Anregung organischer Moleküle, Strahlungs- und strahlungslose Prozesse in elektronisch angeregten Molekülen, Lumineszenz, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Interkombination, innere Umwandlung, Jablonski-Diagramm, Photodissoziation, Prädissoziation, evtl. Lasergrundlagen
    3.8.Magnetische Resonanz
    Struktur und Drehimpuls der Atomkerne, magnetisches Moment, Kernmagneton, Kern-g-Faktor, Hyperfeinaufspaltung, Pauli-Prinzip für äquivalente Kerne, ortho- und para-Wasserstoff, Kernspinresonanz im Magnetfeld, Anregung mit Larmorfrequenz, Frequenz- und Pulstechniken, Chemische Verschiebung, Abschirmungskonstante, interner Standard, Spin-Spin-Kopplung, Kopplungskonstante, Kopplung durch den Raum, Fermikontaktwechselwirkung, Multiplettstruktur, Korrespondenz zum klassischen Präzessionsbild, rotierendes Koordinatensystem, Pulstechnik, Fourier-Transformation, Spin-Spin- und Spin-Gitter-Relaxation, T1-Messung, Echoexperiment für T2-Messung, Ausblick auf moderne Techniken, Ausblick auf Elektronenspinresonanz

    wenn noch Zeit bleibt:
    3.9. Elektrische und magnetische Moleküleigenschaften

PC Praktikum I, 3. Semester

12 aus folgenden Versuchen; 10 SWS

I. Spezifische Wärme von Festkörpern

II. Siedepunkt und Dampfdruck einer reinen Substanz

IIIa. Bestimmung eines Schmelzdiagrammes durch thermische Analyse

IIIb. Mischungslücke in einem ternären System

IV. Siediagramm einer binären Mischung

V. Dissoziationsgleichgewicht von N2O4

VI. Heterogenes Gleichgewicht der Zersetzung eines Ammoniakats

VII. Verbrennungswärme einer festen organischen Substanz

VIII. EMK und Nernstsche Gleichung

IX. Thermodynamische Größen aus EMK-Messungen

X. Festkörperkette

XI. Gasthermometer

XII. Kritischer Punkt

XIII. Joule-Thomson-Effekt

XIV. Wärmepumpe

PC III, 5. Semester

Chemische Reaktionskinetik; 3 SWS + Ü

  1. Grundbegriffe
    1.1. Fragestellungen
    Zeitskalen, Reaktionsmechanismus und -dynamik, Beispiele
    1.2. Reaktionsgeschwindigkeit
    Geschwindigkeitsgesetz, Geschwindigkeitskonstante
    1.3. Reaktionsordnung und Molekularität
    ganzzahlige und gebrochenzahlige Reaktionsordnungen, unimolekulare, bimolekulare, trimolekulare Elementarprozesse
  2. Einfache Reaktionen
    2.1. Reaktionen 1. Ordnung
    differentielles und integriertes Geschwindigkeitsgesetz, Halbwertszeit, Bestimmungsmethoden, Auftragungen, Beispiele, Relaxationszeit, Beispiele
    2.2. Reaktionen 2. Ordnung
    Geschwindigkeitsgesetz, Integration und Auftragung, Radikalrekombination, Reaktion pseudo-1. Ordnung, Beispiele
    2.3. Reaktionen 3. Ordnung
    Geschwindigkeitsgesetz, Integration, Beispiele, tri- und bimolekulare Mechanismen, Komplexbildung
    2.4. Reaktionen 0. Ordnung
    Geschwindigkeitsgesetz, Integration und Auftragung, Katalyse
    2.5. Bestimmung der Reaktionsordnung
    Halbwertszeiten, Auftragungen, Methode der Anfangsgeschwindigkeiten
    2.6. Elementarreaktionen im Überblick
  3. Zusammengesetzte Reaktionen
    3.1. Parallelreaktionen
    1. Ordnung, Integration
    3.2. Rückreaktionen
    Nur 1. Ordnung, Kombination 1. und 2. Ordnung, detailliertes Gleichgewicht
    3.3. Folgereaktionen
    1. Ordnung, radioaktiver Zerfall, Quasistationarität, Beispiele
    3.4. Komplexere Reaktionsnetzwerke
    konkurrierende Mechanismen, H2O2-Zerfall, allgemeine Netzwerke 1. Ordnung
    3.5. Reaktionen mit Vorgleichgewicht
    Radikalrekombination, Michaelis-Menten, kompetitive Hemmung
  4. Photochemische Reaktionen
    4.1. Grundlagen und Begriffe
    Photochemische Gesetze, Einheiten für die Photonenenergie, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Innere Konversion, Interkombination, Energieübertragung, Lambert-Beer, Absorptionskoeffizient, Extinktionskoeffizient, Absorptionsquerschnitt
    4.2. Quantenausbeuten
    Primärquantenausbeute, Quantenausbeute, Beispiele, Intensitätsmessung, Stern-Volmer-Auftragung
    4.3. Photochemie der Atmosphäre
    Ozonloch, Stratosphärenchemie, Chapman-Mechanismus, OH-Radikale, HOx-, NOx-, ClOx-Zyklen, FCKW
  5. Kettenreaktionen und Temperaturabhängigkeit
    5.1. Kettenreaktionen ohne Verzweigung
    HBr-Gleichgewicht, Kettenschritte, Polymerisierung, Cracken von Kohlenwasserstoffen, Ethan-Pyrolyse
    5.2. Kettenreaktionen mit Verzweigung
    Stabilitätsbereiche, Reaktionsschema, Explosionsgrenzen, Knallgasreaktion, Stabilitätsanalyse
    5.3. Temperaturabhängigkeit von Geschwindigkeitskonstanten (Einstieg)
    Reaktionsprofile, Potentialhyperflächen, Arrheniusgleichung, Aktivierungsenergie, Reaktionen ohne Schwelle, Katalyse
  6. Kinetische Gastheorie
    6.1. Stoßzahlen
    harte Kugeln, realistische Potentiale, Stoßquerschnitt, Stoßparameter, Trajektorien, gaskinetische Stoßzahl, Stoßfrequenz
    6.2. Geschwindigkeitsverteilungen
    Verteilungsfunktion, Maxwell-Boltzmann, Gleichverteilungssatz, Mittelwerte, Beispiele, Stoßzahl, freie Weglänge, Effusion, ideales Gasgesetz
  7. Transportprozesse
    7.1. Allgemeine Gesetze
    Fluss, Triebkraft, Gradient, Transportkoeffizient, Kontinuitätsgleichung
    7.2. Diffusion
    Ficksche Gesetze, mittleres Verschiebungsquadrat
    7.3. Wärmeleitung
    thermischer Diffusionskoeffizient, Analogie zur Diffusion
    7.4. Viskosität
    Reibungsgesetz, Hagen-Poiseuille, Stokes
    7.5. Kreuzeffekte
    irreversible Thermodynamik, Soret-, Dufour-, Peltier- und Seebeck-Effekt
    7.6. Transportkoeffizienten von Gasen
    Diffusion, Wärmeleitung, Viskosität, Druck- und Temperaturabhängigkeit, Größenordnung
  8. Stoßdynamik
    8.1. Einfache Stoßtheorie
    Modell harter Kugeln, stoßtheoretische Geschwindigkeitskonstante, Vergleich mit Experiment, sterischer Faktor
    8.2. Detaillierte Stoßdynamik
    klassische Trajektorien, Potentialhyperflächen, Reaktionspfade, Beispiele
  9. Theorie des Übergangszustands
    Übergangszustand, Quasigleichgewicht, Zustandssumme, aktivierter Komplex, Eyring-Gleichung, Frequenzfaktor, Tunneln, thermodynamische Formulierung, Aktivierungsentropie, Aktivierungsenthalpie, Aktivierungsvolumen, lineare freie Enthalpiebeziehungen, Vergleich mit Stoßtheorie, Beispiel
  10. Energieübertragung in Stößen und Unimolekulare Reaktionsdynamik
    10.1. Stöße
    Systematik, VTR-Energieübertragung, Schwingungsrelaxation, Niveaulebensdauer, Beispiel CO2, große Moleküle, V-T-Transfer, adiabatische und plötzliche Stöße
    10.2. Unimolekulare Reaktionen
    Typen unimolekularer Reaktionen, Hochdruckbereich, fall-off-Bereich, Niederdruckbereich, Anwendungen
    10.3. Lindemann-Mechanismus und Erweiterungen
    Quasistationarität, fall-off-Bereich, Hinshelwood-Korrektur, Energieabhängigkeit von kr, Mastergleichung
    10.4. Statistische Theorien unimolekularer Reaktionen
    Hochdruckgrenzfall, Isomerisierungen, Theorie des Übergangszustandes, Bindungsbruchreaktionen, Grundformel der statistischen Reaktionskinetik für k(E), Konsistenz mit k(T), Schwellengeschwindigkeit, RRK-Theorie, RRKM-Theorie, Drehimpuls, Beispiele
  11. Reaktionen in Lösung
    11.1. Vergleich mit der Gasphase
    Stoßfolge, Käfigeffekt, Komplexmechanismus
    11.2. Lösungsmitteleinflüsse
    energetische Einflüsse, Polarität, zwischenmolekulare Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken, Charge-Transfer Komplexe, Mobilitätseinflüsse, Viskosität, Diffusion, Stokes-Einstein
    11.3. Diffusionskontrollierte Reaktionen
    Quasistationarität für Begegnungspaar, Diffusionskontrolle, Smoluchowski, elektrostatische Korrekturen, Abschätzung
    11.4. Anwendungen der Quasigleichgewichtstheorie
    Aktivitätskoeffizienten, Solvatisierungseffekt, lineare freie Enthalpiebeziehungen, Hammett, Protonentransfer, Säure/Base-Katalyse, Bronstedt, Aktivierungsvolumen, Reibungseffekte
  12. Heterogene Reaktionen
    12.1. Adsorption
    Physisorption, Chemisorption, Bedeckungsgrad, Oberflächendefekte, Reaktionsschritte der Ad-/Desorption, Langmuir-Isotherme, Adsorptionsenthalpie, Freundlich, BET, Haftwahrscheinlichkeit, Adsorptionspotentiale, Lebensdauern
    12.2. Heterogene Katalyse
    unimolekularer Mechanismus, Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus, Beispiel, Anwendungen
    12.3. Phasenbildungskinetik
    Kelvin-Gleichung, klassische Keimbildungstheorie
  13. Elektrochemische Kinetik
    13.1. Elektrodenprozesse
    Redoxprozesse, Austauschstromdichte, Klemmenspannung, Überspannung, Diffusion, Reaktionsschritte, Ohmscher Verlust, Durchtrittsreaktion, elektrolytische Doppelschicht, Strom-Spannungskurven, Bezugselektrode
    13.2. Butler-Volmer-Gleichung
    Durchtrittsüberspannung, Aktivierungsenergie, Butler-Volmer-Gleichung, anodischer Durchtrittsfaktor, Tafel-Gerade
    13.3. Anwendungen von Überspannungseffekten
    Diffusionsgrenzstrom, Vermeidung von Überspannungen, selektive Elektrolyse, Verzinkung, Polarographie, Cyklische Voltammetrie
  14. Experimentelle Methoden
    14.1. Langsame Reaktionen
    Satzreaktor, Fließreaktor, Strömungsrohr, Isotopeneffekte
    14.2. Schnelle Reaktionen
    Pulsmethoden, Blitzlichtphotolyse, Laserpulsphotolyse, Stoßwellentechnik, Relaxationsmethoden, Konkurrenzmethoden, Linienformmethoden, Molekularstrahlkinetik, spezielle Techniken

Wahlpflichtvorlesung, 6. Semester

z. B. "Schwingungsspektroskopie und zwischenmolekulare Dynamik"; 3 SWS + Ü
(alternativ: "Elektronische Spektroskopie und Reaktionsdynamik" oder "Physikalische Chemie fester Körper")

  1. Schwingung in zweiatomigen Molekülen
    Einführung in die Thematik der Vorlesung, Molekülschwingung, Korrespondenz von klassischem und quantenmechanischem Bild, harmonischer Oszillator, Morseoszillator, Wellenfunktionen, Energieniveaus, Infrarotspektrum, Rotationskonstanten, mechanische und elektrische Anharmonizität, Matrixelemente, Obertonintensitäten
  2. Molekülsymmetrie I
    Symmetrieoperation, Symmetrieelement, Symmetriegruppe, Gruppeneigenschaften, Punktgruppen, Symbole, Rotation, Spiegelung, Inversion, Drehspiegelung, Abelsche Gruppen mit maximal zweizähligen Achsen, Beispiele, Bestimmungsschema, Symmetrieeigenschaften von Moleküleigenschaften, Charaktere, Beispiel C2v, Charaktertafel, irreduzible Darstellungen, Mullikensymbole, Koordinatensysteme, Symmetrisierung
  3. Molekülsymmetrie II
    Weitere Abelsche Punktgruppen und ihre Charaktertafeln, Untergruppen, Symmetriezahl, Chiralität, Dipolmomente, Übergangsmomente, harmonischer Oszillator, Molekülschwingungen, Beispiel Wasser, Matrixdarstellung der Auslenkungen, Spur, reduzible Darstellungen, Ausreduktion, Translations-, Rotations- und Schwingungsfreiheitsgrade, Normalschwingungen, Symmetriereduktion, Auswahlregeln, Raman, IR, Molekülsymmetriegruppen
  4. Normalschwingungen
    Hamilton-Funktion, massengewichtete Verschiebungskoordinaten, Ähnlichkeitstransformation, Normalkoordinaten, Entartung, Streckschwingungen im CO2, Matrixnotation, symmetrische und antisymmetrische Streckschwingung, kinematische Kopplung, Valenzkraftkonstanten, Gruppenschwingungen, Fingerprintbereich
  5. Anharmonische Effekte
    Anharmonizitätskonstanten bei mehratomigen Molekülen, Fermiresonanz, Kopplungsmatrixelement, Lösung des 2x2 Problems, Grenzfälle, Charakter der Wellenfunktionen, Beispiel CO2, Termschema, Variationsrechnungen, Potentialhyperflächen und Koordinatenwahl, Stand der Technik, Diffusions Quanten Monte Carlo, Prinzip, Herleitung aus der zeitabhängigen Schrödingergleichung, Transportgleichungsanalogie, Doppelminimumpotential, Tunnelaufspaltung und Periode, Ringinversionspotential, Torsionspotential
  6. Experimentelle Methoden der Schwingungsspektroskopie
    Anwendungsbereich, Historisches, IR, Raman, Neutronenstreuung, Fluoreszenz, Detektoren, photovoltaische und thermische Detektoren, Detektorrauschen, Wirkungsquerschnitt, Lambert-Beer, Lichtquellen, thermische Strahler, durchstimmbare Laser, optische Materialien, FTIR-Spektrometer
  7. Zwischenmolekulare Wechselwirkungen
    Elektrostatische Wechselwirkungen, Multipolentwicklung, Dipol, Quadrupol, potentielle Energie, Dipol-Ladung, Dipol-Dipol, thermische Mittelung, Dipol-Quadrupol, Quadrupol-Quadrupol, Induktion, Polarisierbarkeit, Dispersionswechselwirkungen
  8. Strukturen von Molekülaggregaten
    Pauliabstoßung, Supermolekülrechnungen, Anisotropie in der Bindungsregion, Beispiel Ar-HX, Beispiel HX-HX, Wasserdimer, Quadrupol-Moleküle, Methoden zur Strukturbestimmung, Wasserstoffbrücken, Beiträge zur Bindungsenergie und Geometrie, Bedeutung, Richtwirkung, Oligomere, Festkörperstrukturen, Ringe und Käfige, Historie
  9. Potentialhyperflächen und Schwingungsdynamik von Molekülaggregaten
    Lennard-Jones-Potential, Abschätzung der Topftiefe, van der Waals-Radien, Mischungsregeln, Buckingham-Potential, Partialladungen, Stockmayer-Potential, empirische Kraftfelder für die Molekülmechanik und die Biochemie, verfeinerte Modellpotentiale, Paarnäherung, Dreikörperkräfte, Induktion, Pauliabstoßung, Axilrod-Teller Term, Bedeutung von Mehrkörperkräften, Nullpunktsschwingung, He-Dimer, intermolekulare Schwingungen, Verschiebung intramolekularer Schwingungen, Beispiel Methanol, Intensitätsverstärkung, Prädissoziation, Franck-Condon Übergänge, Rotverschiebung und Bindungserstärkung, Verbreiterung von OH-Banden in Lösung, Tunnelaufspaltungen, Energiefluß nach Anregung
  10. Molekülschwingungen in kondensierter Materie
    Kondensierte Materie: Typen, Kristallgitter, Symmetrie, interne-externe Moden; Excitonenmethoden für zwischenmolekulare Kopplungen: ausgedehnter Festkörper, Randeffekte, Verunreinigungen; Kontinuumsmodelle; dielektrische Funktion
  11. Experimentelle Methoden und Beispiele zur Clustererzeugung und Clusterspektroskopie
    Aggregation, Kondensation, natürliche Molekülaggregate, Aggregate in Lösung, Matrixisolation, Hüllstromkühlung, Überschallstrahlexpansion, IR-Spektroskopie, Absorptionsspektroskopie, Cavity Ring-Down Technik, Streuselektion, Wassercluster, Carbonsäurecluster, ionische Cluster, chirale Cluster, Cluster in Clustern

PC Praktikum II, z.B. 6. Semester

Seminar zum PC Praktikum II

Themenvorschläge; 1 SWS

1. Electrochemistry

Ion conduction in solution, Debye-Hückel(-Onsager) theory, electrode processes, overvoltage, polarography, Butler-Volmer equation. Applications: Corrosion, fuel cells, lambda sensor.

2. Boiling Equilibrium

Raoult's law, Henry's law, boiling diagram, chemical potential, ideal and non-ideal mixtures, distillation, theoretical plate, Rücklaufgerade. Application: petrol distillation (cracking).

3. Separation Methods

Gas chromatography: Distribution equilibrium, van-Deemter curve, detectors, GC-MS. HPLC, electrophoresis, zone melting/refining, thermodiffusion, isotope separation (e.g., using lasers).

4. Solids and Structure Determination

Lattice types and classification, defects, growth, X-ray structure analysis, Bragg's law, Laue and Debye-Scherrer methods, neutron and electron diffraction. Applications: electron microscope, STM scanning tunneling microscope, Auger spectroscopy, Mößbauer spectroscopy, surface analysis, LEED.

5. NMR and ESR Spectroscopy

Magnetization, relaxation. Practical aspects, FT-NMR, FID, line shapes, two-dimensional NMR, ESR, ENDOR, CIDNP, LMR (laser magnetic resonance), solid state NMR, MAS (magic angle spinning), MRI (magnetic resonance imaging, tomography).

5a. Electric and Magnetic Properties

Polarizability, dipole moment, dielectric constant, index of refraction. Dia-, para-, ferro-, ferri-, antiferro-magnetism. Superconductivity, Quantum-Hall effect, Bohr magneton, Landé g-factor, Russell-Saunders coupling, Zeeman effect, Paschen-Back effect.

6. Transport and Flow Processes

Kinetic gas theory, Maxwell-Boltzmann distribution (1-D, 2-D, 3-D), general transport equation, viscosity, heat conductivity (also convection), diffusion, pressure and temperature measurement, simple theory of  laminar and turbulent flow, use of flow-systems for kinetic studies.

7. Collision Theory

Collision theory, differential collision cross-sections, measurement of  collision cross-sections, collisions of photons, electrons, neutrons etc., measurement of particle velocities, molecular beam experiments (example reaction).

8. Transition State Theory

Collision theory, differential cross-sections etc. Transition state theory (Evans-Polanyi, Eyring), relation to thermodynamics, energy hypersurfaces. Trajectories, deviation from Arrhenius behavior (tunnel effect etc.), ab-initio calculations.

9. Unimolecular Reactions

Lindemann, Hinshelwood, fall-off region, RRKM, Slater, measurement of k(E), Tolman, strong and weak collisions, comparison of Ea and E0.

10. Atomic and Molecular Spectroscopy

Interaction of electromagnetic radiation with matter, transition dipole moment, line intensity and broadening (life time, collisional, Doppler), term symbols of atoms and molecules, Hund's rules, selection rules, Doppler-free (sub-Doppler) spectroscopy, AAS (ARAS), SEP, LMR, and LIF.

11. Laser: Theory and Applications

Laser principle: Inversion, 3- and 4-level lasers, resonator modes. Laser types: solid state, gas, excimer, dye, semi-conductor. Generation of short pulses (Q switch etc.), generation of narrow lines, experimental techniques (e.g., CRD cavity ringdown, quantum beats, ICLAS, FM, jet). MASER. Applications: interferometry, holography, cooling, trapping.

12. IR Spectroscopy of Small Molecules

Rotation- and vibration spectra, Morse function, wavefunctions, selection rules, Raman spectroscopy, comparison of IR and Raman, determination of rotational temperatures, experimental techniques (e.g., FTIR, diode lasers).

13. UV Spectroscopy of Small Molecules

Franck-Condon principle, absorption and emission spectra, couplings, Fortrat parabola, Jablonski diagram, fluorescence, phosphorescence, determination of dissociation energies (Birge-Sponer plot), pre-dissociation, experimental techniques.

14. Mass Spectroscopy

Ion sources, dynamic and static mass filters (quadrupol, Mathieu equation), detectors, qualitative and quantitative analysis, interpretation of mass spectra, parent ion and fragmentation, experimental techniques (e.g., EC, EI, ESI, ICP, ICR, MALDI, REMPI, TOF, RETOF, PEPICO, SIMS, LMMS, GC-MS, tandem).

15. Error Analysis

16. LaTeX

17. Sensors

18. GLP - Gute Labor-Praxis

Ehrenkodex für gutes wissenschaftliches Arbeiten (DFG), Beispiele für Fehlverhalten

Versuche im PC Praktikum II

10 aus folgenden Versuchen (ganztägig); 16 SWS

1. High vacuum

Diffusion and turbo molecular vacuum pumps. Calibration of McLeod and Pirani gauges. Measurement of molecular velocities by Knudsen effusion through a capillary tube.

2. BET isotherm

Brunauer-Emmet-Teller isotherm for the adsorption of nitrogen on silica.

3. Fractional distillation

Investigation of the properties of a fractionating distillation column using a cyclohexane/n-hexane mixture.

4. Boiling equilibrium

Vapor-liquid equilibrium of tetrahydrofuran/methanol mixtures.

5. Gas chromatography

Optimization of the separation of alcanes or alcanoles on a packed column (Van Deemter curve).

6. Isomerisation of cyclopropane

Unimolecular reaction of cyclopropane to propene in the gas phase.

7. Laser induced luminescence

Time resolved fluorescence and phosphorescence spectra of benzil (diphenylglyoxal) after excitation by a nitrogen laser.

8. Recombination of nitrogen atoms

Dissociation of nitrogen molecules in a microwave discharge. Investigation of the kinetics of the recombination of nitrogen atoms using gas phase titration with nitric oxide and chemiluminescence in a flow tube.

9. Magnetic susceptibility

Gouy balance.

10. Dipole moment

Polarizabilities and dipole moments from measurements of dielectric constant and index of refraction of liquids.

11. Heat conduction in gases

Measurements of the heat conductivities of hydrogen and carbon dioxide using the method of Schleiermacher.

12. Polarography

Application of polarographic methods in quantitative chemical analysis (composition of brass; traces of lead and cadmium in tap water).

13. Temperature jump

Relaxation technique for the investigation of fast reactions in solution.

14. Decomposition of diacetone alcohol

Kinetics of a catalytic reaction in solution: Decomposition of diacetone alcohol (4-methyl-2-pentanon-4-ol).

15. Fourier transform infrared spectroscopy

Molecular structure and dynamics of nuclear motion in diatomic molecules (HCl and DCl) from rotationally resolved infrared absorption spectra.

16. Mass spectroscopy

Quadrupole mass spectrometer.

17. Raman spectroscopy

Raman spectra of cyclic hydrocarbons, CCl4, ...

18. Laser induced luminescence of iodine

Franck-Condon factors. Vibrational relaxation.

PC Praktikum II im Arbeitskreis

2-wöchiges Praktikum in einer Arbeitsgruppe des Instituts für Phys. Chemie; 7 SWS

Mitarbeit an aktuellen Forschungsprojekten; anschließend kurzer Seminarvortrag und Protokoll.

Revised 2004-02-25