Peter Atkins ist emeritierter Professor für Chemie am Lincoln College der University of Oxford und Autor international bekannter Chemie-Lehrbücher. Er ist einer der erfolgreichsten und didaktisch besten Lehrbuchautoren weltweit und schrieb zahlreiche Lehrbuch-Klassiker.
Julio de Paula ist Professor für Chemie am Lewis and Clark College, Portland, Oregon, USA. Zusammen mit Peter Atkins verfasste er bereits zahlreiche erfolgreiche Lehrbücher, neben der Neuauflage von "Physikalische Chemie" u.a. auch "Physical Chemistry for the Life Sciences".
James Keeler ist Dozent an der Universität Cambridge und dort als Direktor für universitäre Lehre zuständig für die Chemievorlesungen für Studieneinsteiger. Er ist seit dieser Auflage als Koautor des "Atkins" dabei.
Tabellenverzeichnis xv
Toolkits xviii
Zusatzinformationen xix
Anwendungen xx
Vorwort xxi
Hinweise zur Benutzung des Buchs xxiii
Danksagung xxvii
Prolog Energie, Temperatur und Chemie1
1 Die Eigenschaften der Gase3
1.1 Das ideale Gas 4
1.1.1 Die Zustande der Gase 4
1.1.2 Zustandsgleichungen und Gasgesetze 7
1.2 Die Bewegung von Molekulen in Gasen 14
1.2.1 Die kinetische Gastheorie 14
1.2.2 Intermolekulare Stose 21
1.3 Reale Gase 24
1.3.1 Abweichungen vom idealen Verhalten 24
1.3.2 Die Van-der-Waals-Gleichung 29
2 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik43
2.1 Grundbegriffe 44
2.1.1 Arbeit,Warme und Energie 44
2.1.2 Die Innere Energie 48
2.1.3 Volumenarbeit 50
2.1.4 Warmeubergange 54
2.2 Die Enthalpie 59
2.2.1 Die Definition der Enthalpie 59
2.2.2 Die Temperaturabhangigkeit der Enthalpie 62
2.3 Thermochemie 65
2.3.1 Standardenthalpien 65
2.3.2 Standardbildungsenthalpien 69
2.3.3 Die Temperaturabhangigkeit der Reaktionsenthalpien 70
2.3.4 Experimentelle Techniken 71
2.4 Zustandsfunktionen und totale Differenziale 76
2.4.1 Totale und nicht totale Differenziale 76
2.4.2 Anderungen der Inneren Energie 77
2.4.3 Anderungen der Enthalpie 81
2.4.4 Der Joule-Thomson-Effekt 81
2.5 Adiabatische Anderungen 85
2.5.1 Anderung der Temperatur 85
2.5.2 Anderung des Drucks 86
3 Der Zweite und der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik99
3.1 Die Entropie 100
3.1.1 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik 100
3.1.2 Die Definition der Entropie 102
3.1.3 Die Entropie als Zustandsfunktion 106
3.2 Entropieanderungen bei speziellen Prozessen 113
3.2.1 Expansion 113
3.2.2 Phasenubergange 114
3.2.3 Erhitzen 115
3.2.4 Zusammengesetzte Prozesse 116
3.3 Die Messung der Entropie 119
3.3.1 Die kalorimetrischeMessung der Entropie 119
3.3.2 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 121
3.4 Die Beschrankung auf das System 125
3.4.1 Freie Energie und Freie Enthalpie 125
3.4.2 Freie Standardreaktionsenthalpien 129
3.5 Die Verbindung von Erstem und Zweitem Hauptsatz 134
3.5.1 Eigenschaften der Inneren Energie 134
3.5.2 Eigenschaften der Freien Enthalpie 137
4 Physikalische Umwandlungen reiner Stoffe157
4.1 Phasendiagramme reiner Stoffe 158
4.1.1 Die Stabilitat von Phasen 158
4.1.2 Phasengrenzen 160
4.1.3 Drei typische Phasendiagramme 164
4.2 Thermodynamische Betrachtung von Phasenubergangen 168
4.2.1 Abhangigkeit der Stabilitat von den Bedingungen 168
4.2.2 Die Lage der Phasengrenzlinien 171
5 Die Eigenschaften einfacher Mischungen183
5.1 Die thermodynamische Beschreibung von Mischungen 184
5.1.1 Partielle molare Grosen 184
5.1.2 Thermodynamik von Mischphasen 190
5.1.3 Das chemische Potenzial flussiger Phasen 193
5.2 Die Eigenschaften von Losungen 198
5.2.1 Flussige Mischungen 198
5.2.2 Kolligative Eigenschaften 201
5.3 Phasendiagramme flussiger Zweikomponentensysteme 211
5.3.1 Dampfdruckdiagramme 211
5.3.2 Siedediagramme 213
5.3.3 Destillation 216
5.3.4 Flussig/Flussig-Phasendiagramme 218
5.4 Phasendiagramme fester Zweikomponentensysteme 224
5.4.1 Eutektische Mischungen 224
5.4.2 Systeme mit chemischen Reaktionen 225
5.4.3 Inkongruentes Schmelzen 226
5.5 Phasendiagramme ternarer Systeme 229
5.5.1 Ternare Phasendiagramme 229
5.5.2 Ternare Systeme 230
5.6 Aktivitaten 233
5.6.1 Die Aktivitat des Losungsmittels 233
5.6.2 Die Aktivitat des gelosten Stoffs 233
5.6.3 Aktivitaten in regularen Losungen 236
5.6.4 Aktivitaten von Ionen in Losung 237
6 Das chemische Gleichgewicht263
6.1 Die Gleichgewichtskonstante 264
6.1.1 Das Minimum der Freien Enthalpie 264
6.1.2 Die Beschreibung des chemischen Gleichgewichts 266
6.2 Die Verschiebung des Gleichgewichts bei Anderung der Reaktionsbedingungen 275
6.2.1 Der Einfluss des Drucks auf das Gleichgewicht 275
6.2.2 Der Einfluss der Temperatur auf das Gleichgewicht 277
6.3 Elektrochemische Zellen 280
6.3.1 Halbreaktionen und Elektroden 280
6.3.2 Zelltypen 281
6.3.3 Die Zellspannung 282
6.3.4 Die Bestimmung thermodynamischer Funktionen 285
6.4 Standard-Elektrodenpotenziale 288
6.4.1 Standardpotenziale 288
6.4.2 Anwendungen der Standardpotenziale 290
7 Quantentheorie305
7.1 Die Anfange der Quantenmechanik 306
7.1.1 Die Quantisierung der Energie 307
7.1.2 DerWelle-Teilchen-Dualismus 313
7.2 Wellenfunktionen 318
7.2.1 Die Schrodinger-Gleichung 318
7.2.2 Die Bornsche Interpretation derWellenfunktion 319
7.3 Operatoren und Observablen 324
7.3.1 Operatoren 324
7.3.2 Superpositionen und Erwartungswerte 329
7.3.3 Die Heisenbergsche Unscharferelation 332
7.3.4 Die Postulate der Quantenmechanik 335
7.4 Translation 338
7.4.1 Freie Bewegung in einer Dimension 338
7.4.2 Bewegung in einer Dimension: Das Teilchen im Kasten 340
7.4.3 Bewegung in zwei und mehr Dimensionen 344
7.4.4 Der Tunneleffekt 347
7.5 Schwingung 353
7.5.1 Der harmonische Oszillator 353
7.5.2 Eigenschaften des harmonischen Oszillators 358
7.6 Rotation 362
7.6.1 Rotation in zwei Dimensionen: Teilchen auf einer Kreisbahn 362
7.6.2 Rotation in drei Dimensionen: Teilchen auf einer Kugelschale 367
8 Atomstruktur und Atomspektren399
8.1 Wasserstoffahnliche Atome 400
8.1.1 Die Struktur wasserstoffahnlicher Atome 400
8.1.2 Atomorbitale und ihre Energien 404
8.2 Mehrelektronenatome 413
8.2.1 Die Orbitalnaherung 413
8.2.2 Das Pauli-Ausschlussprinzip 414
8.2.3 Das Aufbauprinzip 417
8.2.4 Selbstkonsistente Orbitale 424
8.3 Atomspektren 426
8.3.1 Die Spektren wasserstoffahnlicher Atome 426
8.3.2 Die Spektren von Mehrelektronenatomen 428
9 Molekülstruktur445
Prolog Die Born-Oppenheimer-Näherung447
9.1 Valence-Bond (VB)-Theorie 448
9.1.1 Homoatomare zweiatomigeMolekule 448
9.1.2 Resonanz 450
9.1.3 Mehratomige Molekule 451
9.2 Molekulorbital (MO)-Theorie: DasWasserstoffmolekul-Ion 456
9.2.1 Linearkombination von Atomorbitalen (LCAO) 456
9.2.2 Bezeichnungen von Molekulorbitalen 461
9.3 Molekulorbital (MO)-Theorie: homoatomare zweiatomige Molekule 462
9.3.1 Elektronenkonfigurationen 462
9.3.2 Photoelektronenspektroskopie 468
9.4 Molekulorbital (MO)-Theorie: heteroatomare zweiatomige Molekule 471
9.4.1 Polare Bindungen und Elektronegativitat 471
9.4.2 Das Variationsprinzip 472
9.5 Molekulorbital (MO)-Theorie: mehratomigeMolekule 479
9.5.1 Die Huckel-Naherung 480
9.5.2 Anwendungen der MO-Theorie 485
9.5.3 Quantenchemie mit Computern 488
10 Molekülsymmetrie505
10.1 Die Symmetrieelemente von Molekulen 506
10.1.1 Symmetrieoperationen und Symmetrieelemente 506
10.1.2 Klassifikation von Molekulen in Gruppen nach ihrer Symmetrie 508
10.1.3 Konsequenzen derMolekulsymmetrie 513
10.2 Gruppentheorie 515
10.2.1 Grundlagen der Gruppentheorie 515
10.2.2 Matrixdarstellungen 517
10.2.3 Charaktertafeln und Symmetriebezeichnungen 521
10.3 Anwendungen der Molekulsymmetrie 526
10.3.1 Verschwindende Integrale 526
10.3.2 Anwendungen der Molekulsymmetrie 530
10.3.3 Auswahlregeln 532
11 Molekulare Spektroskopie539
11.1 Allgemeine Merkmale spektroskopischer Methoden 540
11.1.1 Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung 541
11.1.2 Die Breite von Spektrallinien 546
11.1.3 Experimentelle Techniken 548
11.2 Rotationsspektren 555
11.2.1 Die Energieniveaus der Rotation 555
11.2.2 Mikrowellenspektroskopie 561
11.2.3 Raman-Rotationsspektroskopie 564
11.2.4 Kernstatistik und Rotationszustande 566
11.3 Schwingungsspektren zweiatomiger Molekule 569
11.3.1 Molekulschwingungen 569
11.3.2 Infrarotspektroskopie 570
11.3.3 Anharmonizitat 571
11.3.4 Rotationsschwingungsspektren 574
11.3.5 Raman-Schwingungsspektren zweiatomiger Molekule 577
11.4 Schwingungsspektren mehratomiger Molekule 580
11.4.1 Normalschwingungen 580
11.4.2 Infrarot-Absorptionsspektren mehratomiger Molekule 582
11.4.3 Raman-Schwingungsspektren mehratomiger Molekule 584
11.5 Symmetrieanalyse von Schwingungsspektren 587
11.5.1 Die Symmetrie von Normalschwingungen 587
11.5.2 Die Symmetrie von Schwingungswellenfunktionen 589
11.6 Elektronenspektren 592
11.6.1 Elektronenspektren zweiatomiger Molekule 592
11.6.2 Elektronenspektren mehratomigerMolekule 601
11.7 Die Desaktivierung angeregter Zustande 605
11.7.1 Fluoreszenz und Phosphoreszenz 605
11.7.2 Dissoziation und Pradissoziation 608
11.7.3 Laser 609
12 Magnetische Resonanz635
12.1 Grundlagen der magnetischen Resonanz 636
12.1.1 Kernspinresonanz (NMR) 636
12.1.2 Elektronenspinresonanz (ESR) 640
12.2 Eigenschaften von NMR-Spektren 643
12.2.1 Die chemische Verschiebung 643
12.2.2 Die Entstehung der Abschirmung 645
12.2.3 Die Feinstruktur des Spektrums 648
12.2.4 Konformationsumwandlungen und Austauschprozesse 656
12.2.5 NMR in Festkorpern 658
12.3 Pulstechniken in der NMR 660
12.3.1 Der Vektor der Magnetisierung 661
12.3.2 Spinrelaxation 666
12.3.3 Die Entkopplung von Spins 670
12.3.4 Der Kern-Overhauser-Effekt 670
12.4 Elektronenspinresonanz (ESR) 676
12.4.1 Derg-Faktor 676
12.4.2 Die Hyperfeinstruktur 677
13 Statistische Thermodynamik695
13.1 Die Boltzmann-Verteilung 696
13.1.1 Konfigurationen und Gewichte 696
13.1.2 Die relative Besetzungszahl von Zustanden 701
13.2 Die molekulare Zustandssumme 703
13.2.1 Die Interpretation der Zustandssumme 703
13.2.2 Beitrage zur molekularen Zustandssumme 705
13.3 Die Energie von Molekulen 715
13.3.1 Grundlegende Beziehungen 715
13.3.2 Mittlere Energien 716
13.4 Das kanonische Ensemble 721
13.4.1 Das Konzept des Ensembles 721
13.4.2 Die wahrscheinlichste Energie des Systems 723
13.4.3 Unabhangige Molekule 724
13.4.4 Die Abhangigkeit der Energie vom Volumen 725
13.5 Innere Energie und Entropie 727
13.5.1 Die Innere Energie 727
13.5.2 Die Entropie 729
13.6 Abgeleitete Funktionen 736
13.6.1 Die Ableitungen 736
13.6.2 Gleichgewichtskonstanten 739
14 Wechselwirkungen zwischen Molekülen761
14.1 Elektrische Eigenschaften von Molekulen 762
14.1.1 Elektrische Dipolmomente 762
14.1.2 Die Polarisierbarkeit 765
14.1.3 Polarisation 767
14.2 Wechselwirkungen zwischen Molekulen 772
14.2.1 Wechselwirkungen zwischen Dipolen 772
14.2.2 Wasserstoffbruckenbindungen 778
14.2.3 Die Gesamtwechselwirkung 780
14.3 Flussigkeiten 789
14.3.1 MolekulareWechselwirkungen in Flussigkeiten 789
14.3.2 Die Grenzflache Flussigkeit-Gas 793
14.3.3 Oberflachenschichten 797
14.3.4 Kondensation 800
14.4 Makromolekule 802
14.4.1 MittlereMolmassen 802
14.4.2 Die Hierarchie der Strukturen 804
14.4.3 Statistische Knauel 805
14.4.4 Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren 810
14.4.5 Die thermischen Eigenschaften von Polymeren 812
14.5 Aggregation und Selbstorganisation 815
14.5.1 Kolloide 815
14.5.2 Mizellen und biologische Membranen 819
15 Festkörper839
15.1 Kristallstrukturen 840
15.1.1 Gitter und Elementarzellen 840
15.1.2 Die Identifikation von Gitterebenen 843
15.2 Beugungstechniken zur Strukturanalyse 847
15.2.1 Rontgenkristallografie 847
15.2.2 Neutronen- und Elektronenbeugung 856
15.3 Bindungen in Festkorpern 861
15.3.1 Metallische Festkorper 861
15.3.2 Ionische Festkorper 866
15.3.3 Molekulare und kovalente Festkorper 870
15.4 Mechanische Eigenschaften von Festkorpern 872
15.5 Elektrische Eigenschaften von Festkorpern 875
15.5.1 Metallische Leiter 875
15.5.2 Isolatoren und Halbleiter 876
15.5.3 Supraleiter 879
15.6 Magnetische Eigenschaften von Festkorpern 882
15.6.1 Magnetische Suszeptibilitat 882
15.6.2 Permanente und induzierte magnetische Momente 883
15.6.3 Magnetische Eigenschaften von Supraleitern 885
15.7 Optische Eigenschaften von Festkorpern 887
15.7.1 Lichtabsorption durch Excitonen 887
15.7.2 Lichtabsorption durch Metalle und Supraleiter 888
15.7.3 Nichtlineare optische Effekte 890
16 Die Bewegung von Molekülen903
16.1 Transporteigenschaften idealer Gase 904
16.1.1 Die phanomenologischen Gleichungen 904
16.1.2 Die Transportkoeffizienten 906
16.2 Die Bewegung von Molekulen in Flussigkeiten 914
16.2.1 Experimentelle Ergebnisse 914
16.2.2 Ionenbeweglichkeiten 917
16.3 Diffusion 924
16.3.1 Diffusion aus thermodynamischer Sicht 924
16.3.2 Die Diffusionsgleichung 927
16.3.3 Diffusion aus statistischer Sicht 931
17 Chemische Kinetik943
17.1 Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen 944
17.1.1 Die Beobachtung des Reaktionsverlaufs 945
17.1.2 Die Reaktionsgeschwindigkeit 947
17.2 Integrierte Geschwindigkeitsgesetze 954
17.2.1 Reaktionen nullter Ordnung 954
17.2.2 Reaktionen erster Ordnung 954
17.2.3 Reaktionen zweiter Ordnung 956
17.3 Reaktionen in der Nahe des Gleichgewichts 961
17.3.1 Reaktionen erster Ordnung in der Nahe des Gleichgewichts 961
17.3.2 Relaxationsmethoden 962
17.4 Die Arrhenius-Gleichung 965
17.4.1 Die Temperaturabhangigkeit von Reaktionsgeschwindigkeiten 965
17.4.2 Die Interpretation der Arrhenius-Parameter 967
17.5 Geschwindigkeitsgesetze 970
17.5.1 Elementarreaktionen 970
17.5.2 Folgereaktionen 971
17.5.3 Quasistationaritat 973
17.5.4 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt 974
17.5.5 Vorgelagerte Gleichgewichte 976
17.5.6 Kinetisch und thermodynamisch kontrollierte Reaktionen 977
17.6 Reaktionsmechanismen 978
17.6.1 Unimolekulare Reaktionen 978
17.6.2 Die Kinetik von Polymerisationen 980
17.6.3 Enzymatisch katalysierte Reaktionen 984
17.7 Photochemie 988
17.7.1 Photochemische Prozesse 988
17.7.2 Die Quantenausbeute des Primarprozesses 989
17.7.3 Die Desaktivierung angeregter Singulettzustande 991
17.7.4 Die Loschung angeregter Zustande 991
17.7.5 Resonanzenergieubertragung 994
18 Reaktionsdynamik1013
18.1 Die Stostheorie 1014
18.1.1 Reaktive Stose 1014
18.1.2 Das RRK-Modell 1021
18.2 Diffusionskontrollierte Reaktionen 1022
18.2.1 Reaktionen in Losung 1022
18.2.2 Die Stoffbilanzgleichung 1025
18.3 Die Theorie des Ubergangszustands 1027
18.3.1 Die Eyring-Gleichung 1027
18.3.2 Thermodynamische Aspekte 1031
18.3.3 Der kinetische Isotopeneffekt 1035
18.4 Die Dynamik molekularer Stose 1038
18.4.1 Molekularstrahlexperimente 1038
18.4.2 Reaktive Stose 1041
18.4.3 Potenzialhyperflachen 1042
18.4.4 Theoretische und experimentelle Ergebnisse 1044
18.5 Elektronenubertragung in homogenen Systemen 1049
18.5.1 Das Geschwindigkeitsgesetz der Elektronenubertragung 1049
18.5.2 Der Tunnelprozess 1050
18.5.3 Die Geschwindigkeitskonstante der Elektronenubertragung 1052
18.5.4 Methoden zur experimentellen Uberprufung der Theorie 1053
19 Oberflächenprozesse1067
19.1 Eigenschaften der Oberflachen von Festkorpern 1068
19.1.1 Wachstum und Struktur von festen Oberflachen 1068
19.1.2 Physisorption und Chemisorption 1069
19.1.3 Experimentelle Techniken 1071
19.2 Adsorption und Desorption 1078
19.2.1 Adsorptionsisothermen 1078
19.2.2 Die Geschwindigkeit von Oberflachenprozessen 1085
19.3 Heterogene Katalyse 1089
19.3.1 Mechanismen der heterogenen Katalyse 1089
19.3.2 Die katalytische Aktivitat an Oberflachen 1092
19.4 Elektronentransferprozesse an Elektroden 1096
19.4.1 Die Grenzflache zwischen Elektrode und Losung 1096
19.4.2 Die Stromdichte an einer Elektrode 1098
19.4.3 Voltammetrie 1103
19.4.4 Elektrolyse 1106
19.4.5 Galvanische Zellen unter Belastung 1106
Anhang1121
Teil 1 Standardintegrale 1121
Teil 2 Einheiten 1122
Teil 3 Daten 1123
Teil 4 Charaktertafeln 1155
Stichwortverzeichnis 1159
