Hast Du Dich schon mal gefragt, wie eine Thermoskanne Tee oder Kaffee für mehrere Stunden warm hält? Oder wie der Akku in Deinem Handy funktioniert? Was ist mit diesen kleinen Handwärmern, die auf magische Weise und wie auf Knopfdruck eine wohlige Wärme generieren und Deine Finger im Winter vor der eisigen Kälte bewahren? All diese Dinge basieren auf Prinzipien der physikalischen Chemie.
Physikalische Chemie Grundlagen
Die physikalische Chemie (PC) ist der Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Sie wendet physikalische Methoden auf Objekte aus der Chemie an.
Das ist natürlich sehr allgemein gesagt. Daher kannst Du Dir einfach merken, dass Forschende der physikalischen Chemie den Ablauf chemischer Reaktionen und den Aufbau von Molekülen komplett hinterfragen und alles bis ins Detail versuchen zu verstehen.
Abgrenzung zu anderen Teilbereichen der Chemie
Die physikalische Chemie ist eines der klassischen Teilgebiete der Chemie, zu denen auch die anorganische (AC) und die organische Chemie (OC) gehören. Wie Du vielleicht schon weißt, beschäftigen sich sowohl die anorganische als auch die organische Chemie ebenfalls mit der Erforschung des Aufbaus und der Umwandlung von Molekülen.
Traditionell befasst sich die organische Chemie dabei mit Stoffen, die eine Kohlenwasserstoffkette enthalten. Weil viele dieser Kohlenstoffverbindungen auch in Lebewesen vorkommen, kannst Du Dir allgemein merken, dass sich dieses Teilgebiet der Chemie hauptsächlich mit den Molekülen der belebten Natur befasst.
Forschende der anorganischen Chemie richten ihren Blick auf Moleküle der unbelebten Natur. Allerdings gibt es auch Ausnahmen dieser Regel, da auch anorganische Stoffe in Lebewesen vorkommen und organische Stoffe teilweise wenig in lebenden Organismen zu suchen hätten, wie es zum Beispiel bei Kunststoffen der Fall ist.
Kommen wir nun zur physikalischen Chemie. Dieses Teilgebiet der Chemie versucht mithilfe physikalischer Methoden chemische Prozesse noch besser zu verstehen, wovon wiederum sowohl die anorganische als auch die organische Chemie profitieren. Ohne physikalische Methoden, wie der Spektroskopie, wäre es zum Beispiel nicht möglich, hergestellte Moleküle auf ihre genaue Struktur hin zu untersuchen.
Die Spektroskopie umfasst unterschiedliche physikalische Methoden zur Strukturaufklärung von Molekülen. Meistens wird zur Untersuchung der Moleküle elektromagnetische Strahlung genutzt. Wenn Dich das Thema interessiert, schau Dir gern die Erklärung zur Strukturaufklärung aus der analytischen Chemie an.
Physikalische Chemie Zusammenfassung
Zur physikalischen Chemie gehören mehrere Themenbereiche, wie die Thermodynamik, die Elektrochemie, die Kinetik und das Massenwirkungsgesetz. All das sind Themen, die mit Reaktionen oder Umwandlungen zu tun haben. Außerdem erforscht die physikalische Chemie die Stoffeigenschaften und das Verhalten unterschiedlicher Moleküle und Mischungen, daher werden auch die Grenzflächenphänomene dazugezählt.
Allein die Namen dieser Unterthemen können erst mal einschüchternd wirken, da sie häufig mathematisch erklärt werden. Das ist aber kein Grund, die Augen vor diesem spannenden Thema zu verschließen. Stell Dir einfach vor, dass die Mathematik die Sprache der physikalischen Chemie ist, die Du nach und nach besser verstehen wirst. Außerdem findest Du zu all diesen Themen einfach verständliche Erklärungen aus dem Bereich der physikalischen Chemie.
Stoffeigenschaften
Bei welcher Temperatur liegt Wasser flüssig vor und wann fängt es an, zu verdampfen? Warum ist das so und nicht anders? Wann ist seine Dichte am größten und warum entsteht eine Wölbung, wenn Du ein Glas mit zu viel Wasser befüllst. All das sind Themen, die im Bereich der Stoffeigenschaften behandelt werden.
In diesem Teilbereich der physikalischen Chemie erfährst Du beispielsweise, was Aggregatzustände sind oder warum Wasser bei 4 °C am dichtesten ist. Hast Du Dich schon mal gefragt, warum die Eiswürfel Deiner Limo immer an der Oberfläche schwimmen? Der Grund dafür ist, dass Eis weniger dicht ist als Wasser.
Das ist übrigens auch der Grund, warum größere Seen im Winter nur an der Oberfläche einfrieren. Stell Dir mal die Konsequenzen vor, wenn das nicht so wäre und der ganze See einfrieren würde. Was würde nur aus all den Fischen werden? Mehr zu diesem Thema findest Du in der Erklärung Anomalie des Wassers im Teilgebiet der physikalischen Chemie.
Im Bereich der Stoffeigenschaften lernst Du außerdem alles zur Viskosität, also warum manche Stoffe zähflüssiger sind als andere. Fragst Du Dich nicht auch, warum Honig im Vergleich zu Wasser so dickflüssig ist?
Hast Du Dich vielleicht schon mal gefragt, warum Wasser bei normalem Druck ausgerechnet bei 100 °C siedet? Oder was die Ursache für die auftretende Oberflächenspannung ist? Bei Wasser sorgt diese für diese typische Wölbung, wenn Du Dein Glas mit zu viel Wasser befüllst.
Beide Phänomene haben etwas mit den anziehenden Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Wassermolekülen zu tun und fallen in den Bereich der Kohäsion. Solche Anziehungskräfte gibt es aber auch zwischen zwei unterschiedlichen Stoffen und sind unter der Bezeichnung Adhäsion bekannt.
Wenn Du Dich stärker in diese Themen der physikalischen Chemie einlesen willst, wirf gern einen Blick in die entsprechenden Erklärungen. Du interessierst Dich explizit für die Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen? Dann schau Dir lieber gleich die Erklärung zu den Wasserstoffbrückenbindungen an!
Grenzfläche
Wenn sich zwei Stoffe chemisch oder physikalisch unterscheiden, können sogenannte Grenzflächen entstehen. Öl und Wasser sind sich beispielsweise chemisch so unterschiedlich, dass sie sich nicht mischen lassen. Wenn Du beide Flüssigkeiten zusammen in einen Behälter kippst, setzt sich das Wasser unten ab und das Öl schwimmt aufgrund der geringeren Dichte oben.
Schüttelst Du Deinen Behälter, erzeugst Du eine sogenannte Emulsion. Hierbei schwimmen kleine Öltropfen im Wasser. Du kannst die beiden Stoffe sogar langfristig miteinander mischen, wenn Du einen Emulgator benutzt.
Emulatoren bilden unter anderen zwischen Öl und Wasser eine Art Brücke, daher werden sie gern in Reinigungsmitteln (Tenside) und in verarbeiteten Lebensmitteln verwendet. Zusätzlich können sie auch als Verbindungsstück zwischen polaren und unpolaren Substanzen dienen.
Du willst mehr zu diesen spannenden Themen aus dem Bereich physikalische Chemie lernen? Dann schau Dir gern die entsprechenden Erklärungen dazu an. Fragst Du Dich außerdem, wie Bäume Wasser bis nach oben zu ihrer Baumkrone transportieren? Dann machst Du mit der Erklärung zur Kapillarwirkung sicherlich alles richtig!
Gleichgewichtsreaktionen
Das nächste große Thema der physikalischen Chemie ist das der Gleichgewichtsreaktionen. Unter Gleichgewichtsreaktionen fallen alle Reaktionen, die in beide Richtungen ablaufen können. Meistens stellt sich nach der Reaktion später ein Gleichgewicht ein, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeit nach außen hin fast bei null liegt.
Das heißt aber nicht, dass die Reaktionspartner nicht mehr miteinander reagieren. Die Hin- und die Rückreaktion laufen weiterhin ab, nur eben mit der gleichen Geschwindigkeit, sodass es für uns so erscheint, als hätten die Stoffe abreagiert.
In dieser Unterkategorie dreht sich alles darum, wie schnell Reaktionen ablaufen und wie viel Energie bei einer Umsetzung aufgenommen oder abgegeben wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit fällt hier in den Zuständigkeitsbereich der Reaktionskinetik. Sie gibt Dir Antworten darauf, wie hoch die sogenannte Aktivierungsenergie einer Reaktion ist und damit weißt Du dann, wie wahrscheinlich eine Reaktion ist und wie schnell diese abläuft.
Je höher die Aktivierungsenergie einer Reaktion ist, desto langsamer läuft sie in der Regel ab. Sehr hohe Aktivierungsenergien können auch dafür sorgen, dass eine Reaktion überhaupt nicht abläuft. Mehr Informationen zur Reaktionsgeschwindigkeit findest Du in der gleichnamigen Erklärung und unter Reaktionskinetik aus der physikalischen Chemie.
Kommen wir jetzt zur Thermodynamik, einem der größten Themenbereiche der physikalischen Chemie. Die Thermodynamik befasst sich mit allen Fragen zur Energieumwandlung während einer Gleichgewichtsreaktion.
Wenn Du zum Beispiel berechnen willst, wie viel Wärmeenergie bei einer Reaktion frei wird, kannst Du das über die Enthalpie ausdrücken. Die Enthalpie kannst Du Dir als den Wärmeinhalt einer Reaktion vorstellen und tatsächlich wurde sie früher auch so genannt. Generell kannst Du Dir hier merken, dass Reaktionen entweder spontan ablaufen oder dass Du zusätzlich Energie hinzuführen musst.
Mehr zu diesem spannenden Thema erfährst Du in den Erklärungen Enthalpie und Freie Enthalpie im Bereich physikalische Chemie. Vielleicht hast Du schon mal etwas von der sogenannten Entropie gehört. Das ist einfach gesagt ein Maß für die Unordnung eines Systems. Auch dazu findest Du hier eine entsprechende Erklärung.
Außerdem findest Du im Studyset zum Massenwirkungsgesetz genaue Informationen darüber, warum sich manche Stoffe besser in Wasser lösen lassen als andere. Wie Du in der Küche vielleicht schon festgestellt hast, lösen sich Zucker und Salz unterschiedlich gut in Wasser. Der Grund dafür ist das sogenannte Löslichkeitsprodukt.
Du hast noch nie etwas vom Löslichkeitsprodukt gehört? Keine Sorge, mit der Erklärung zu diesem Thema im Bereich physikalische Chemie kommst Du schnell auf den neusten Stand!
Elektrochemie
Im Gebiet der Elektrochemie geht es hauptsächlich um die Elektronenwanderung und den dadurch entstehenden oder den dafür benötigten Strom. Die Grundlage der Elektrochemie bildet dabei die Redoxreaktion.
Zur Redoxreaktion findest Du im Bereich anorganische Chemie eine übersichtliche Erklärung und viele weitere Informationen in der Rubrik physikalische Chemie.
Hier lernst Du zum Beispiel, wie eine Galvanische Zelle funktioniert. Bei diesem Modell fließen Elektronen von einem Element zum anderen, sodass ein Stromfluss entsteht. Gleichzeitig lösen sich immer mehr Atome des einen Elements und liegen anschließend als Ionen vor. Beim anderen Element ist das umgekehrt: die Ionen aus der Lösung nehmen die Elektronen auf und bauen das Element in reiner Form auf.
Auf dieser Grundlage funktionieren übrigens auch Batterien. Wenn Du mehr zur galvanischen Zelle lesen willst, schau Dir gern mal die entsprechende Erklärung dazu an.
Du kannst den Stromfluss einer solchen elektrochemischen Zelle auch umkehren, indem Du Strom in das System einführst. Auf diese Weise erzwingst Du die umgekehrte Reaktion. Dieser Vorgang wird Elektrolyse genannt. Die Elektrochemie hat eine große Bedeutung bei industriellen Anwendungen, da sich Oberflächen über die Elektrolyse mit einem edlen Metall wie Silber beschichten lassen.
Auch zu diesem bedeutsamen Thema findest Du natürlich eine entsprechende Erklärung im Teilgebiet physikalische Chemie.
Physikalische Chemie Beispiele
Eines der gängigsten Alltagsbeispiele für Anwendungen der physikalischen Chemie ist wohl der Akku in Deinem Handy. Hierbei handelt es sich meist um einen Lithium-Ionen-Akku, der aus elektrochemischen Zellen besteht. Beim Entladen tagsüber versorgt der Akku über eine Redoxreaktion Dein Handy mit genug Strom, sodass Du Deine Apps wie gewohnt nutzen kannst. Du kannst Dir also vorstellen, dass die Reaktion fast vollständig abgelaufen ist, wenn Dein Akku allmählich leer geht.
Indem Du Dein Handy mit frischem Strom aus der Steckdose versorgst, regenerierst Du ihn. Durch die frisch eintreffenden Elektronen drehst Du die Redoxreaktion um und bringst die elektrochemischen Zellen in den Ursprungszustand.
Unter Lithium-Ionen-Akku findest Du eine genaue Erklärung zu diesem Thema, wirf also gern einen Blick dort rein.
Ein weiteres Beispiel kennst Du vielleicht aus dem Kosmetikbereich unter dem Namen Mizellen. Als Mizellenwasser wird ein Reinigungsprodukt beworben, das sowohl Fett als auch Schmutzpartikel von der Haut lösen kann. Dabei handelt es sich im Prinzip um eine Emulsion mit kleinen Öltröpfchen. Durch die verwendeten Tenside bleibt dieses Gemisch lange bestehen, ohne dass es zu einer Trennung kommt.
Eine solche Mischung aus Wasser und Öl sorgt für eine gute Reinigung, da gleichzeitig wasser- und fettlösliche Stoffe von Deiner Haut gelöst werden.
Wenn Du mehr zum Thema Mizellen lesen willst, schau Dir gern die Erklärung dazu im Bereich der physikalischen Chemie an.
Physikalische Chemie – Das Wichtigste
- Die physikalische Chemie nutzt physikalische Methoden und wendet sie auf chemische Phänomene an.
- Die wichtigsten Themen der physikalischen Chemie sind:
Nachweise
- P. Atkins; J. de Paula. (2013). Physikalische Chemie, 5. Auflage. Wiley-VCH
- G. Wedler; H-J. Freund. (2012). Lehrbuch der physikalischen Chemie, 6. Auflage. Wiley-VCH
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