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: ingo@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

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?