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Einführung in die Quantenmechanik & Molekülspektroskopie
Teil 1
VorlesungDi, Fr 10-12, Beginn: 20.4.
Dozent: Prof. Ingo Fischer, Institut für Physikalische Chemie,
2. Stock, Raum 221/222, Tel: 888-6360E-mail: [email protected]
Sprechstunde Dienstag 14-17 Uhr
Physikalische Chemie 1
Studiengänge
• Chemie B.Sc.
• TecFun B.Sc.
• Lehramt an Gymnasien Chemie
• Chemie Diplom?
• Andere?
Vier Gruppen
Mo, Mi 14-16 und 16-18 h,
Seminarraum Physikalische Chemie Beginn 27.4.
Zusatzgruppe für LA-Studierende?
Übungen
Michael Schneider Dominik StichMichael Steinbauer Johannes BubackNadja Bertleff
Scheine Wintersemester
Lehramtsstudierende:
Scheine der Vorlesung „Thermodynamik, Elektrochemie & Kinetik“
Abholen bei Frau Mühlrath,Institut für Physikalische Chemie, 2. Stock
22. April, 8-10 Uhr
Resultate der Nachholklausur vom 16.4. jetzt online
Klausureinsicht am Freitag, 24.4., 14-15 Uhr, Raum 218 (Büro Prof. Engel)
B.Sc.
Mo, 3. August
10 Uhr
Klausur
22. Juni (?)
18 UhrTecFun & LA Gym
Vorläufiger Termin!!
Übungen
• Stichproben: Übungszettel werden eingesammelt
Übungen sind die wichtigste Klausurvorbereitung!
„Ein Chemiker, der nicht zugleich Physiker ist, ist gar nichts“
Robert Bunsen
1811-1899
Wissenschaftliche Beiträge
WasserstrahlpumpeBunsenbrennerSpektralanalyseGasanalyse in Hochöfen(Verbesserungen im Hüttenwesen)
Was ist Physikalische Chemie?
• Warum läuft eine bestimmte Reaktion ab?
• Wie schnell läuft sie ab?
• Unter welchen Bedingungen läuft sie am Besten ab
Physikalische Chemie fragt:
• Was hat das Verhalten der Moleküle mit ihrer Struktur zu tun?
Einteilung der Physikalischen Chemie
Photochemie in der Atmosphäre
Ozonloch
Institut für Physikalische Chemie
Prof. T. Brixner Femtosekunden-
Spektroskopie, Laserkontrolle
Prof. I. FischerPhotochemie &
Chemische DynamikRadikalchemie
Prof. V. EngelTheorie
Quantendynamik
Prof. T. HertelNanoskalige MaterialienGrenzflächen, Sensoren
Lehre in der Physikalischen Chemie
2. Semester: Einführung in die Quantenmechanik und Molekülspektroskopie
3. Semester: Thermodynamik, Kinetik und ElektrochemiePhysikalisch-Chemisches Praktikum
4. Semester: SymmetrieQuantenchemie
5. Semester: Statistische Thermodynamik
6. Semester: Praktische Spektroskopie III
Außerdem: Theoretische Modellvorstellungen in der Chemie (3. Semester)
Mathematisches Rüstzeug
1. Differentiation
2. Integration
3. Lösen von Differentialgleichungen mit mehreren Unbekannten
1. und 2. sind Voraussetzungen, 3. werden wir in
Vorlesungen und Übungen wiederholen
„Physikalische Chemie ist schwierig mit Mathematik, aber unmöglich ohne“
1. Übung = Wiederholung der Mathematik; Übungsblatt wird eingesammelt (aber nicht bewertet)
•Aufbau von Atomen und Molekülen im Rahmen der
Quantenmechanik beschreiben
•Mit welchen Werkzeugen beschreibe ich eine chemische
Bindung?
•Wechselwirkung von Atome & Molekülen mit elektromagne-
tischer Strahlung verstehen
•Prinzipien grundlegender spektroskopische Methoden
Ziele der Vorlesung
Ausgangspunkt: Atomarer/Molekularer Aufbau der Materie
Ziele der Vorlesung
Was ist ein Orbital?Was bedeutet p-/d-/π-Orbital?
Ziele der Vorlesung: Theoretische Chemie
Chemie mit Bleistift und Computer
"The underlying physical laws necessary
for the mathematical theory of ..... the
whole of chemistry are thus completely
known, and the difficulty is only that the
exact application of these laws leads to
equations much too complicated to be
soluble"
P. A. M. Dirac
Berechnung von Moleküleigenschaften
Ziele der Vorlesung
Warum gibt es so viele Kohlenstoff-Strukturen?
…………..aber nur N2?
N N
Lycopinrot
CH3
Squalenfarblos
Isoprenfarblos
Ziele der Vorlesung
LiLithium
NaNatrium
KKalium
Ziele der Vorlesung
Warum sind die Flammen unterschiedlich gefärbt? Was passiert in den Atomen?
Ziele der Vorlesung
Was ist in diesen Flaschen
Infrarot-Spektrometer
C3H8O
Ziele der Vorlesung
-O
N
NH2
ON
O
HOH
HH
HH
OP
O-
O
Wie sind die Atome in einem Naturstoff angeordnet?
NMR-Spektroskopie
Aufbau & Inhalt
1. Atome, Elektronen & Licht
1.1 Entwicklung der Atomtheorien1.2. Das Elektron1.3. Grundlagen der Massenspektrometrie1.4. Rutherfordscher Streuversuch: Das Kernmodell des Atoms1.5. Klassische Theorie des Lichts
2. Wellen und Teilchen
2.1. Das Versagen der klassischen Physik2.2. Das Bohrsche Atommodell2.2 Der Compton-Effekt2.4. Der Wellencharakter von Teilchen2.4. Heisenbergsche Unschärferelation
Aufbau & Inhalt
3. Die Schrödingergleichung und das Teilchen im Kasten
3.1 Klassische Wellengleichungen: Wie löse ich einfache Differentialgleichungen?3.2. Die Schrödingergleichung: Wie finde ich die Wellenfunktion eines Teilchens?3.3. Operatoren3.4. Eigenwertgleichungen3.5. Die statistische Interpretation der Wellenfunktion3.6. Ein einfaches quantenmechanisches System: Das Teilchen im Kasten3.7. UV/Vis-Spektroskopie3.8. Zusammenfassung: Die Postulate und Prinzipien der Quantenmechanik
4. Harmonischer Oszillator und Schwingungsspektroskopie
4.1. Der Harmonischer Oszillator4.2. Infrarot-Spektroskopie4.3. Raman-Spektroskopie
Aufbau & Inhalt
5. Rotationsbewegung
5.1 Das Teilchen auf dem Ring5.2. Der starre Rotor5.3. Die „Spherical Harmonics“ und Drehimpulse5.4. Mikrowellenspektroskopie5.5. Rotations-Ramanspektroskopie
6. Rotations-Schwingungsspektroskopie
Anschließend: Zweiter Teil der Vorlesung
Elektronische Struktur, Prof. T. Hertel
Empfohlene Lehrbücher
D. A. McQuarrie & J. D. Simon “Physical Chemistry-A
Molecular Approach”, University Science Books, Sausalito
T. Engel/P. Reid, „Physical Chemistry“,
Pearson, 2006, 118 $
R. S. Berry, S. A. Rice & Ross “Physical Chemistry“
2nd Ed., Oxford University Press, 2000
P. W. Atkins „Physical Chemistry“, Oxford University Press, 8th Ed. 40 £ (Paperback)
P. W. Atkins „Physikalische Chemie“, Wiley/VCH, 79 €
P. W. Atkins „Kurzlehrbuch Physikalische Chemie“,
Wiley/VCH (für LA-Studierende)
G. Wedler, „Lehrbuch der Physikalischen Chemie“,
Wiley-VCH, 85 €, gutes deutschsprachiges Lehrbuch
Empfohlene Lehrbücher
S. Arroyo Camejo
„Skurrile Quantenwelt“
Springer, 2006
H. Haken & H. C. Wolf, „Atom- und Quantenphysik“ und
„Molekülphysik und Quantenchemie", Springer, 2003
als E-Book erhältlich
C. N. Banwell & E. M. McCash, „Fundamentals of
Molecular Spectroscopy“, McGraw Hill, Berkshire/UK
1994, auch auf Deutsch
Empfohlene Lehrbücher
W. Demtröder, “Molekülphysik”, Oldenbourg, München 2003
W. Pavel/R. Winkler „Mathematik für Naturwissenschaftler“, Pearson, 2007, €39.95
Meinung eines Organikers
„You can‘t understand biology without understanding
statistical mechanics.
And you actually do find students going into organic
chemistry who know nothing about physical chemistry.
That‘s not good.“
George Whitesides, Harvard University,
Prof. für Organische Chemie
z. Zt. meistzitierte Chemiker
Nachrichten aus der Chemie, Jan. 08, S. 22
Gesetz:
Zusammenfassung der Erfahrung/Beobachtung Newton-Gesetze
Hypothese:
Versuch, Gesetze im Rahmen von fundamentaleren Konzepten zu erklären
Theorie:
Hypothese, die durch weitere, spezifisch motivierte Experimente
bestätigt wurde. Alternativ kann die Hypothese auch durch besser
ausgearbeitete Formulierung (z.B. mathematisch) bestätigt worden sein.
Modell:
Vereinfachte Version einer Beschreibung, die sich auf die wesentlichen
Eigenschaften konzentriert.
Was ist eine Theorie?
1.1 Entwicklung der Atomtheorien
Atom: Kleinstes Stück Substanz, das noch als solche identifiziert werden kann
Molekül: Aus Atomen zusammengesetzt
Was wollen wir über Atome wissen?
- Größe - Masse - Ladung
Demokrit460-371 AC
Materie ist aus unteilbaren Teilchenzusammengesetzt
ατομοσ = unteilbar
1.1 Entwicklung der Atomtheorien
1738 (Bernoulli): Einführung von Atomen in die kinetische Gastheorie
Bedeutung zunächst nur in der Chemie
1808 (Dalton): Atomtheorie: Kugelmodell
„Gesetz der konstanten, äquivalenten und multiplen Proportionen“
Chemische Elemente verbinden sich nur unter be-stimmten spezifischen Gewichtsverhältnissen
Beispiel: 14 g N2+ 16 g O2 → 30 g NO
14 g N2+ 32 g O2 → 46 g NO2
28 g N2+ 16 g O2 → 44 g N2O
1.1 Entwicklung der Atomtheorien
• Atomgewichte von N und O verhalten sich wie 14:16
• Es können nur „ganze“ Atome reagieren
• Materie kann auf eine begrenzte Zahl von „Atomsorten“ zurückgeführt werden
1811 (Avogadro): Gleiche Volumina von Gasen enthalten gleich viele Atome
bzw. Moleküle
1 Vol N2 + 1 Vol O2 → 2 Vol NO
1811 (Berzelius): Konsistenter Satz von AtommassenUnsicherheit durch ganzzahligen Faktor (OH/H2O/H2O2)
1856 (Clausius): Kinetische Gastheorie
123100226 −×= MolN A .
1.1 Entwicklung der Atomtheorien
1860 (Cannizzaro): Beseitigt die Unsicherheit duch den ganzzahligen Faktor
(Tagungsbeitrag)
Aber
Posititvisten lehnen die Vorstellung von Atomen ab, „reine Gedankendinge
ohne reale Bedeutung“.
„Atome“ nicht nur in der Chemie:
Ganzzahlige Ladungen in der E-Lehre
Ernst Mach1838-1916
Maxwell u.a., 1873: d(H2) ≈ 10-10 m
1.1 Entwicklung der Atomtheorien
Zunächst:Atome = Klassische Teilchen = Klassische Mechanik
dt
dx=υ Geschwindigkeit
Ableitung: Veränderung einer Funktion
t
x
1.1 Entwicklung der Atomtheorien
dt
dxmmp ⋅=⋅= υ
2
2
dt
xdmamF ⋅=⋅=
Impuls
Kraft
2
2
dt
xda = Beschleunigung
1.1 Entwicklung der Atomtheorien
m
pmT
22
22 =⋅= υ
−= FdxV
Kinetische Energie
Potentielle Energie
Energie: VTE += Erhaltungsgröße
Integral: Fläche unter einer Funktion
2
2
=
dt
dxmT
1.2 Das Elektron
Faraday, 1833: Elektrolyse von Flüssigkeiten
„Die abgeschiedene Menge eines Elementes ist der
dabei transportierten Ladungsmenge q proportional“
und
„ Verschiedene Elemente werden von der gleichen Elektrizitätsmenge in
äquivalenten Gewichten abgeschieden“
z.B. 31.8 g Cu oder 107.9 g Ag
1 Faraday: Menge an Elektrizität, die nötig ist, um ein Mol Ag aus Ag+
Lösung abzuscheiden (107.868 Gramm) = NA⋅ e
ElementarladungCe 19106021 −⋅= .
V
+_
I
+-
+-
Kathodenstrahlen
⊕
⊕
Leuchterscheinungen an der Glaswand
⊕
Emission von Röntgenstrahlen1895, W.C. Röntgen, WÜ
Vorgänge in GasentladungsröhrenPhilipp Lenard, 1862-1947
• Verständnis der Prozesse• Suche nach den kleinsten Teilchen der Elektrizität
• Kathodenstrahlen werden beim Durchgang durch Materie abgeschwächt
(z.B. Al-Folie, 5 μm dick)
• Je höher die Spannung, desto geringer ist die Ablenkung
• Prozesse sind weitgehend unabhängig vom Anodenmaterial
• und unabhängig von Füllgasen (Edelgasen)
Kathodenstrahlen
Teilchen oder Wellen?
