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Physikalische Chemie

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Chemie

Die Physikalische Chemie oder Physikochemie beschäftigt sich mit dem Grenzbereich zwischen Chemie und Physik.Dabei werden physikalische Prozesse und Methoden im Bereich der Chemie angewandt. Die physikalische Chemie fokussiert sich auf die Beschreibung der Umwandlung und der Struktur von Stoffen, anhand physikalischer Phänomene.

Sie ist eine große Fachrichtung der Chemie neben den Fachrichtungen Anorganische Chemie, Analytische Chemie, Organische Chemie und Biochemie.

Dieser Artikel gehört zum Fach Geschichte und eröffnet das Themengebiet Physikalische Chemie.

Die wichtigsten Themen in der Physikalischen Chemie

Die physikalische Chemie hat für Schüler*innen wichtige Themen für das Verständnis von Stoffen und physikochemischen Prozessen zu bieten. Damit du in der Schule nie wieder Probleme auf dem Gebiet der physikalischen Chemie hast, gibt es bei StudySmarter für dich folgende Themen:

Stoffeigenschaften

Jeder chemische Stoff hat besondere Stoffeigenschaften. In der chemischen Forschung ist das Ziel oftmals, Stoffe mit bestimmten Eigenschaften herzustellen. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig ein Gefühl dafür zu bekommen, inwiefern die Struktur von chemischen Stoffen mit ihren Stoffeigenschaften zusammenhängt. Du lernst, was ein Aggregatzustand ist, wie sich Viskosität auf chemischer Ebene erklären lässt und wie man ein Phasendiagramm deutet. Außerdem lernst du beispielhaft etwas über die besonderen Eigenschaften von Wasser und wie unsere Luft überhaupt zusammengesetzt ist.

Elektrochemie

Die Elektrochemie ist einer der wichtigsten Teilbereiche der Chemie in unserer heutigen Welt. Neben dem Lithium-Ionen-Akkumulator, der sich in deinem Handy oder in E-Autos befindet, hat die Elektrochemie noch weit mehr zu bieten. Ein Lithium-Ionen-Akku ist ein galvanisches Element, oder anders gesagt, ein System, das chemische Energie in elektrische umwandelt. Dieser Prozess kann aber auch umgekehrt stattfinden, dann spricht man von Elektrolyse. Elektrolyse ist sehr wichtig für die Darstellung von einer Reihe von Werkstoffen in unserem Alltag, wie unter anderem Aluminium, das aus Bauxit mittels Schmelzflusselektrolyse gewonnen wird. Die elektrochemische Technik des Galvanisierens wird im Alltag übrigens verwendet, um Metalle mit anderen Metallen zu beschichten. Bei StudySmarter lernst du alles über die Elektrochemie, die Elektrolyse und du erfährst, was ein galvanisches Element ist.

Grenzfläche

Hast du dich jemals gefragt, warum du Seifenblasen mit Seifenwasser, aber nicht mit normalem Wasser machen kannst? Dies liegt daran, dass Tenside im Seifenwasser die Grenzfläche stabilisieren. Grenzflächen sind die Flächen zwischen zwei unterschiedlichen Phasen. Die Besonderheit einer Grenzfläche liegt darin, dass dort weniger Wechselwirkungspartner zur Verfügung stehen als im Zentrum der Flüssigkeit. Der Aufenthalt an der Grenzfläche ist für Teilchen also ungünstig. Der wichtigste Effekt von Grenzflächen ist wohl möglich die Kapillarwirkung, die auf dem Phänomen beruht, dass Flüssigkeiten immer versuchen eine möglichst kleine Grenzfläche zu besitzen und für den Wassertransport in Pflanzen wichtig sind. Hier lernst du alles, was du über eine Grenzfläche und Tenside wissen musst.

Gleichgewichtsreaktionen

Die meisten chemischen Reaktionen können in beide Richtungen ablaufen. Hierbei spricht man von Gleichgewichtsreaktionen. In der Regel läuft dabei eine Richtung der Reaktion bevorzugt ab.

Das Prinzip von Le Chatelier bietet dabei einen einfachen Ansatz für die Erklärung der Richtung, in die eine Gleichgewichtsreaktion bevorzugt abläuft. Die Reaktionskinetik bietet Erklärungen für die unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Reaktionen, wobei die schnellere Reaktion das Gleichgewicht dominiert. Die chemische Thermodynamik bringt mit Konzepten wie der Enthalpie und Entropie, sowie der freien Enthalpie, die beides vereint, Erklärungsansätze für die Freiwilligkeit von Reaktionen. Bei StudySmarter lernst du alles über Gleichgewichtsreaktionen und wie du erkennst, welche Reaktion in einem Gleichgewicht bevorzugt abläuft.

Physikalische Chemie – Das Wichtigste auf einen Blick!

  • Die Physikalische Chemie befasst sich mit dem Grenzbereich zwischen der Physik und der Chemie.
  • Die wichtigsten Grundlagen der Physikalischen Chemie sind folgende:
    • Stoffeigenschaften verstehen und deuten können
    • Die Prinzipien der Elektrochemie nachvollziehen
    • Verstehen, was eine Grenzfläche ist und was Tenside damit zu tun haben
    • Gleichgewichtsreaktionen aufstellen und die bevorzugte Reaktion abschätzen
      • Reaktionskinetik nachvollziehen
      • Die chemische Thermodynamik sinnvoll verwenden
      • Prinzip von Le Chatelier anwenden

Häufig gestellte Fragen zum Thema Physikalische Chemie

Physikalische Trennverfahren sind Verfahren zur Trennung von Stoffen, die auf ihren unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften basieren. Physikalische Eigenschaften nach denen getrennt wird sind:

  • Siedepunkt
  • Gefrierpunkt
  • Sublimationspunkt
  • Löslichkeit
  • Oberflächenbenetzbarkeit
  • Dichte
  • Partikelgröße
  • Partikelträgheit
  • Magnetisierbarkeit
  • elektrische Beweglichkeit

Die Physik und die Chemie sind eng verwandte Bereiche der Naturwissenschaft. Dabei befasst sich die Chemie mit dem Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung chemischer Stoffe. Die Physik hingegen befasst sich mit Materie und Energie, sowie deren Wechselwirkungen. Die physikalische Chemie vereint hierbei beide Welten aus chemischer Sicht. Es werden also die Wechselwirkungen von und in chemischen Stoffen anhand physikalischer Modelle beschrieben und untersucht.

Die Chemie ist kein Teil der Physik. Auch wenn beide Bereiche in der physikalischen Chemie und der chemischen Physik überlappen, sind dies getrennte Bereiche der Naturwissenschaften. Dabei befasst sich die Chemie mit dem Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung chemischer Stoffe. Die Physik hingegen befasst sich mit Materie und Energie, sowie deren Wechselwirkungen. 

Finales Physikalische Chemie Quiz

Frage

Erkläre den Begriff galvanische Zelle. 

Antwort anzeigen

Antwort

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen und kann elektrische Energie liefern. 

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Vorgänge im DANIELL-Element in Worten.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Vorgänge im DANIELL-Element in Worten.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Vorgänge bei einer Elektrolyse.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer Elektrolyse wird eine Redoxreaktion durch Zufuhr von elek-trischem Strom erzwungen. Dabei zersetzt sich der beteiligte Elektrolyt.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Galvanische Zelle noch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

galvanisches Element oder galvanische Kette

Frage anzeigen

Frage

Wo wird die Galvanische Zelle verwendet?

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Antwort

in Batterien und Akkumulatoren

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Charakteristik der Galvanischen Zelle?

Antwort anzeigen

Antwort

die Teilspannung bzw. eingeprägte Spannung

Frage anzeigen

Frage

Welche Funktion hat eine Galvanische Zelle?

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Antwort

  • Die Funktion der galvanischen Zelle kommt von der Redoxreaktion
  • Räumlich getrennt laufen nämlich in je einer Halbzelle Reduktion und Oxidation ab
  • Es wird elektrische Energie gewonnen
Frage anzeigen

Frage

Wie wird der Stromkreis geschlossen?

Antwort anzeigen

Antwort

Um den Stromkreis zu schließen, werden die beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter und einem

Ionenleiter verbunden.

Frage anzeigen

Frage

Woher hat die Galvanische Zelle ihren Namen?

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Antwort

  • Vom italienischen Arzt Luigi Galvani
  • Er entdeckte, dass ein Instrument aus verschiedenen Metallarten Muskelzuckungen bei sich berührenden Froschschenkeln auslöst
  • Da das entstandene Redox-System als galvanisches Element Spannung aufbaut, sodass Strom fließen kann
Frage anzeigen

Frage

Wann entsteht immer eine Galvanische Zelle?

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Antwort

Jedes mal wenn zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung sind, entsteht eine

Spannung (galvanische Zelle)

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel, aus dem eine Galvanische Zelle entstehen kann.

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Antwort

z.B. aus Kupfer- und Silberelektroden kann ein galvanisches Element erzeugt werden

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht aus Kupfer- und Silberelektroden ein

galvanisches Element?

Antwort anzeigen

Antwort

  • An der Kupferelektrode gehen mehr Cu2+ Ionen in Lösung als Cu Ionen wieder abscheiden
  • Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, sobald es in die Lösung geht, lädt sich die

    Elektrode negativ auf → Wird zur Anode

  • An der Silberelektrode scheiden sich hingegen mehr Ag+ Ionen an der Elektrode ab, als in
    Lösung gehen

  • Deswegen gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel und sie lädt sich
    positiv auf → wird zur Kathode

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet der Experiment Aufbau für die Erzeugung einer galvanischen Zelle aus Kupfer- und Silberelektroden?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Dazu taucht man die Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und die Silberelektrode in Silbernitratlösung
  • Dann werden sie durch ein Draht, den Elektronenleiter, mit Voltmeter und einem Ionenleiter verbunden
Frage anzeigen

Frage

Warum fließt noch kein Strom,  wenn die zwei Elektroden elektrisch leitend verbunden werden?

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Antwort

  • Weil es an der Kupferelektrode einen Überschuss an Cu2+ Ionen gibt und die Lösung sich stark positiv auflädt
  • Daher gehen nur so viele Kupferionen in Lösung, wie sich gleichzeitig wieder an der Elektrode abscheiden
  • Ähnliches passiert in der Silbernitratlösung, nur dass sich die Lösung negativ auflädt, da vom neutralen Silbernitrat nur die negativ geladenen Nitrat-Ionen übrig bleiben
Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Ionenbrücke?

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Antwort

  • Die ist da, um den Stromkreis zu schließen
  • Die Ionenbrücke ist meist ein U-Rohr, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind
Frage anzeigen

Frage

Was bewirkt eine Ionenbrücke?

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Antwort

Über diese Salzbrücke erfolgt letztendlich ein Anionenaustausch, um der Aufladung der

einzelnen Zellen entgegen zu wirken

Frage anzeigen

Frage

Was bezeichnet man als Konzentrationselement?

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Antwort

galvanische Zellen mit zwei gleichen Halbzellen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Daniell-Element?

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Antwort

  • auch Daniell’sches Element genannt
  •  ist eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.
Frage anzeigen

Frage

Nach wem wurde das Daniell-Element benannt?

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Antwort

nach dem Entdecker der

Zelle benannt: John Frederic Daniell

Frage anzeigen

Frage

Was für ein Modell ist das Daniell-Element?

Antwort anzeigen

Antwort

Einfaches Modell für galvanische Zellen

Frage anzeigen

Frage

Wie ist das Daniell-Element aufgebaut (modellhaft)?

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Antwort

  • Kupferstab und Zinkstab mit ihrer Ionenlösung werden leitend miteinander verbunden

    ● Reaktion, wenn Beides elektrisch und elektrolytisch miteinander verbunden ist

    ● Elektrolytisch: mit Salzbrücke, die Diffusions- Durchmischungen verhindern soll und Ladungsausgleich ermöglicht

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 1. Funktionsweise des Daniell-Elements?

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Antwort

Kupfer ist edler als Zink; d.h. die Lösungstension von Zink ist größer. Daher gehen am

Kupferstab nur wenige Kupferionen in die Lösung, während sich am Zinkstab viele Zinkionen ablösen und ihre Elektronen im Metall zurücklassen. Die Zinkelektrode ist

deshalb negativer geladen als der Kupferstab. So baut sich eine Spannung auf.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 2. Funktionsweise des Daniell-Elements? 

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Antwort

Überschüssige Elektronen im Zink wandern über den Leiter vom Zink zum Kupfer. Dabei lässt sich eine Spannung von 1,11 Volt messen. Dies ist die Elektromotorische Kraft, die

sich aus dem Redoxpotential von Kupfer und dem Zink zusammensetzt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 3. Funktionsweise des Daniell-Elements?

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Antwort

Die gelösten Kupferionen nehmen anschließend die Elektronen auf und lagern sich als

Kupfer an der Elektrode ab.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 4. Funktionsweise des Daniell-Elements?

Antwort anzeigen

Antwort

Nun gehen auf der einen Seite positive Zinkionen in die Lösung und auf der anderen

Seite lagern sich Kupferionen ab. Es muss ein Ladungsausgleich stattfinden, was über

die Salzbrücke passiert. So wird der Stromkreis geschlossen.

Die beiden Teilvorgänge dieser Redoxreaktion können räumlich getrennt werden. So

gehen die Elektronen nicht direkt vom System Zn/Zn2+ auf das System Cu/Cu2+ über,

sondern wandern zuerst über einen Draht vom Zn zum Cu. Es fließt ein

Elektronenstrom.

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man die getrennten Teilsysteme?

Antwort anzeigen

Antwort

“Halbzellen”

Frage anzeigen

Frage

Was stellt der Plus-/Minus-Pol dar?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Daniell-

Element stellt die Anode den Minuspol und die Kathode den Pluspol dar.

Frage anzeigen

Frage

Was stellt der Plus-/Minus-Pol dar?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Daniell-

Element stellt die Anode den Minuspol und die Kathode den Pluspol dar.

Frage anzeigen

Frage

Welche Zuordnung gilt bei der Anode und Katode?

Antwort anzeigen

Antwort

Anode: Elektrode, an der Teilchen oxidiert werden.

Kathode: Elektrode, an der Teilchen reduziert werden.

Frage anzeigen

Frage

Nenne eine Eselsbrücke um sich die Zuordnung der Anode und Katode zu merken.

Antwort anzeigen

Antwort

An-o-de: An Oxidation denken.

Oder: O-M-A (Oxidation, Minuspol, Anode)

Oder: Anode und Oxidation- das A und O der Elektrochemie

Oder: A O K (R)- Anode-Oxidation; Kathode-Reduktion

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Redoxreaktion?

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Antwort

  • eine chemische Reaktion, bei welches es zwei Reaktionspartner gibt
  • Einer der Reaktionspartner überträgt dabei Elektronen auf den anderen Partner
Frage anzeigen

Frage

Wo wird die Elektrolyse z.B. eingesetzt?

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Antwort

um Metall zu gewinnen oder aber auch um Stoffe zu gewinnen die durch keine andere chemische Reaktion möglich sind

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Frage

Was kann z.B. durch die Elektrolyse gewonnen werden?

Antwort anzeigen

Antwort

 zum Beispiel Wasserstoff, Aluminium, Chlor und Natronlaugen

Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei einer Elektrolyse allgemein?

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrolyse wird genutzt, um etwas mit Strom zu trennen

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Frage

Wie kann die Elektrolyse noch bezeichnet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

kann auch als Umkehrung einer galvanischen Zelle bezeichnet werden

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Frage

Wie läuft eine Elektrolyse ab?

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Antwort

  • In einer Lösung tauchen zwei Elektroden ein
  • durch die beiden Elektroden wird dann ein elektrischer Gleichstrom erzeugt, das heißt es gibt einen Pluspol (Anode) und einen Minuspol (Kathode)
  • In den Minuspol werden Elektronen geschoben und von dem Pluspol abgezogen
  • Es entstehen an den Elektroden Reaktionsprodukte
  • Während des Prozesses fallen Nebenprodukt der eingesetzten Stoffe an, welche wiederum oxidieren
Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Elektrolyt?

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Antwort

  • Die Lösung, in welcher die Elektroden getunkt werden, besitzt außerdem die Fähigkeit zu leiten
  • Diese wird Elektrolyt genannt
Frage anzeigen

Frage

Was muss bestimmt eingestellt werden, damit eine Elektrolyse stattfinden kann?

Antwort anzeigen

Antwort

muss eine bestimmte Höhe der Spannung eingestellt sein

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Frage

Wo können Überspannungen entstehen?

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Antwort

 können sowohl an der Anode als auch an der Kathode entstehen und die eigentlich benötigte Spannung zusätzlich erhöhen

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Frage

Wie wird das Prinzip des kleinsten Zwanges noch genannt und weshalb ist das so?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Prinzip des kleinsten Zwanges wird noch als "Prinzip von Chatelier" bezeichnet und das ist so, weil es von Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun zwischen 1884 und 1888 formuliert wurde.

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Frage

Weshalb ist es wichtig, dass du Kenntnis vom Prinzip des kleinsten Zwanges hast?

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Antwort

Das ist deshalb wichtig, weil du durch die Kenntnis des Prinzips des kleinsten Zwanges verstehst, wie sich eine chemische Reaktion durch äußere Einflüsse so beeinflussen lässt, damit eine maximale Ausbeute erzielt werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt das Prinzip des kleinsten Zwanges?

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Antwort

Das Prinzip des kleinsten Zwanges besagt: "Wird auf ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, ein Zwang ausgeübt, verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts so, dass die Wirkung des Zwanges minimal wird."

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Frage

Was kannst du dir beim Prinzip des kleinsten Zwanges unter "Zwängen" vorstellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Prinzip des kleinsten Zwanges kannst du dir unter "Zwängen" Änderungen im Sinne von Stoffmengenkonzentration, Druck oder Temperatur vorstellen.

Frage anzeigen

Frage

Anhand was, können wir uns im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges den Einfluss von Änderungen der Stoffmengenkonzentration auf die Lage eines Gleichgewichts, gut verdeutlichen?

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Antwort

Anhand der Erhöhung der Konzentration von z.B. Essigsäure können wir uns gut den Einfluss von Änderungen der Stoffmengenkonzentration auf die Lage eines Gleichgewichts im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges verdeutlichen.

Frage anzeigen

Frage

Was gilt es im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges bei allen Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht zu beachten?

Antwort anzeigen

Antwort

Es gilt im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges bei allen Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht zu beachten, dass sie konstant sind. Denn es gilt die Gleichgewichtskonstante KC.


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Frage

Was passiert laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges, wenn wir die Konzentration von Essigsäure erhöhen?

Antwort anzeigen

Antwort

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges läuft kurzzeitig mehr Estersynthese ab, wenn wir die Konzentration von Essigsäure erhöhen. Dies geschieht aus dem Grund, da wir damit die Konzentration von Ester und Wasser steigern können. Damit ist die Reaktion wieder im Gleichgewicht. KC muss wieder den charakteristischen Zahlenwert aufweisen.

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Frage

Was passiert laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges, wenn wir auf der Produktseite z.B. das Wasser entfernen.

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Antwort

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges passiert, wenn wir auf der Produktseite z.B. das Wasser entfernen, dass erneut ein Prozess der Gleichgewichtsreaktion stattfindet. Es läuft also vermehrt Esterhydrolyse ab.

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Frage

Welche Merksätze solltest du bei einer Änderung der Stoffmengenkonzentration im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges wissen?

Antwort anzeigen

Antwort

Du solltest bei einer Änderung der Stoffmengenkonzentration im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges dir folgende zwei Sätze merken:


  1. Erhöhung der Konzentration von Edukten, dann verstärkte Produktbildung und umgekehrt.
  2. Erniedrigung der Konzentration eines Produkts, dann verstärkter Ablauf einer Hinreaktion.
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Frage

Wann kommt eine Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges zu Stande?

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Antwort

Eine Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges kommt zu Stande, wenn Gase an der Reaktion beteiligt sind. So kommt es zu einer Beeinflussung der Gleichgewichtslage.

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