Die Arbeit mit diesem Buch

Diese Auflage enthält zahlreiche Elemente, die helfen sollen, das Erlernen der physikalischen Chemie angenehmer und einfacher zu gestalten. Einer der Punkte, die die physikalische Chemie so schwierig machen, ist die schiere Menge an Information; wir haben daher verschiedene Elemente entwickelt, um das Material zu gliedern (siehe Abschnitt Die Gliederung der Information). Wir verstehen, dass besonders die Mathematik oft Schwierigkeiten bereit, und haben versucht, dem Rechnung zu tragen und das Erlernen dieses wichtigen Bestandteils der physikalischen Chemie so einfach wie möglich zu machen (siehe Abschnitt Erste Hilfe in Mathematik). Das Lösen von Aufgaben – vor allem die Frage: Wie fange ich an? – erweist sich oft als weitere Herausforderung, und wir haben unser Bestes getan, um diese Hürde überwinden zu helfen (siehe „Das Lösen von Aufgaben“). Die folgenden Abschnitte erklären die einzelnen Elemente genau.

Die Gliederung der Information

Das Wichtigste in Kürze

Hier fassen wir alle wichtigen Begriffe stichwortartig zusammen, die in einem Kapitel eingeführt werden. Diese Liste soll Sie auf die wesentlichen Punkte hinweisen, die im folgenden Abschnitt neu hinzukommen.

Begründungen

Beim ersten Durcharbeiten des Buchs mag es ausreichen, die wesentlichen Schlussfolgerungen zu verstehen, ohne sich durch alle Einzelheiten der Herleitung eines mathematischen Ausdrucks zu arbeiten. Andererseits sind mathematische Herleitungen ein integraler Bestandteil der physikalischen Chemie, und es ist wichtig zu verstehen, auf welchem Weg eine bestimmte Beziehung erhalten wird. Die Begründungen ermöglichen es dem Leser, das Niveau der Behandlung und die Menge an Details an seine jeweiligen Absichten anzupassen, und machen es dadurch einfacher, Abschnitte zur Einarbeitung oder zur Wiederholung des Stoffs zügig durchzulesen.

Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick

Am Ende jedes Kapitels findet sich eine Checkliste mit den wichtigsten in diesem Kapitel eingeführten Gleichungen. Wo nötig, geben wir in der Liste auch die Voraussetzungen an, unter denen bestimmte Gleichungen gelten.

Wegweiser

Es ist oft nützlich, die Beziehungen zwischen verschiedenen Gleichungen parat zu haben, ihren „Familienstammbaum“. Diesem Zweck dient die Sammlung von Wegweisern am Beginn des Anhangs.

Anwendungen

Wo es uns sinnvoll erschien, haben wir die Grundlagen von ihren Anwendungen abgetrennt: Die Grundlagen bleiben immer gleich und sind verhältnismäßig überschaubar, die Anwendungen wandeln sich mit fortschreitendem Stand der Wissenschaft. Die Anwendungsblöcke zeigen, wie die in diesem Kapitel erarbeiteten Grundlagen zum aktuellen Zeitpunkt in anderen Fachgebieten angewendet werden.

Hinweise

Präzision in der Methodik wie in der Sprache ist ein wichtiges Thema in der Wissenschaft. Wir haben daher dieses Element eingeführt, um auf die korrekte und präzise Verwendung von Sprache oder bestimmten Prozeduren in der Wissenschaft hinzuweisen (entsprechend der Empfehlungen der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)) und um zu helfen, häufige Fehler zu vermeiden.

Interaktive Übung

Zu vielen der Grafiken in diesem Buch gibt es eine interaktive Übung, in der Vorschläge gemacht werden, wie Sie die Auswirkung einer Veränderung verschiedener Parameter veranschaulichen oder eine vertiefte Analyse des dargestellten Systems vornehmen können. In vielen Fällen können Sie dazu die Werkzeuge auf der Website auf WileyPLUS zu diesem Buch einsetzen.

Zusatzinformation

Manchmal hatten wir den Eindruck, dass eine Herleitung zu lang, zu ausführlich oder im Niveau zu verschieden vom Rest des Buchs ist, um sie sinnvoll in den Text integrieren zu können. In diesen Fällen haben wir die Herleitung an das Ende des Kapitels gestellt, wo sie den Lesefluss nicht stört.

Tabellenanhang

Ausführliche Tabellen mit Daten sind nützlich, um Aufgaben zu stellen und zu lösen, unterbrechen aber den Lesefluss. Wir stellen den Hauptteil der Daten daher im Tabellenanhang am Ende des Buchs zur Verfügung und präsentieren im Text an den entsprechenden Stellen nur Kurztabellen, die einen schnellen Überblick über typische Werte der jeweiligen physikalischen Größen geben.

Erste Hilfe in Mathematik

Kommentare

An vielen Stellen verwenden wir mathematische Verfahren oder bestimmte Konzepte aus der Physik; ein Kommentar ruft das jeweilige Verfahren oder Konzept kurz in Erinnerung.

Mathematische Exkurse

Im Text werden häufig vertiefte Kenntnisse bestimmter mathematische Methoden oder Konzepte benötigt, um entweder ein bestimmtes Verfahren verstehen oder eine neue Gleichung mithilfe dieser Methoden herleiten zu können. Ein Mathematischer Exkurs soll diese Kenntnisse vermitteln oder wieder in Erinnerung rufen. Diese Abschnitte sind zwischen den Kapiteln angeordnet – im Wesentlichen dort, wo sie zum ersten Mal benötigt werden – und ausführlich illustriert, um das Verständnis der erläuterten Konzepte zu erleichtern.

Das Lösen von Aufgaben

Praktische Beispiele

Ein praktisches Beispiel zeigt kurz, wie eine Gleichung zu verwenden oder zu interpretieren ist, die im Text angegeben wird. Insbesondere zeigen wir hier, wie Daten verwendet oder Einheiten korrekt gehandhabt werden.

Beispiele

Ein Beispiel ist stärker strukturiert als ein praktisches Beispiel und bezieht sich meist auf eine komplizierte Aufgabenstellung. Zu jedem Beispiel gehört ein Abschnitt „Vorgehen“, der zeigt, wie man das Problem am besten angeht; danach kommt die komplett durchgerechnete Antwort.

Übungen

Zu jedem Beispiel gehört eine Übung, deren korrekte Antwort angegeben ist, als Prü- fung für das Verstehen des jeweiligen Problems. Es gibt auch alleinstehende Übungen an den Stellen, wo wir es für sinnvoll hielten, mit einer Frage das Verständnis der vorgestellten Konzepte zu prüfen. Übungen sind so etwas Ähnliches wie Aufgaben innerhalb des Kapitels, die helfen sollen, die eigenen Fortschritte kontinuierlich zu überwachen.

Diskussionsfragen

Das Material am Ende des Kapitels beginnt mit einem kurzen Katalog von Fragen, die zum Überdenken des vorgestellten Materials einladen und helfen sollen, die Konzepte in einem allgemeineren Kontext zu sehen, als dies durch das Lösen von Rechenaufgaben möglich ist.

Aufgaben

Der entscheidende Punkt für die Prüfung, ob das vorgestellte Material verstanden wurde, ist die Sammlung von Aufgaben am Ende des Kapitels. Die leichteren Aufgaben bestehen in der Regel nur aus dem Einsetzen von Zahlenwerten; sie sollen Übung beim Umgang mit numerischen Daten vermitteln. Die schwereren Aufgaben sind fordernder. Sie sind nochmals unterteilt in Rechenaufgaben, bei denen die Betonung auf dem Umgang mit Zahlenwerten liegt, und theoretische Aufgaben, die mehr Wert auf das Herleiten und Umformen von Gleichungen legen bevor am Ende (manchmal) Zahlenwerte einzusetzen sind. Ganz am Ende gibt es noch Anwendungsaufgaben, die sich mit praktischen Anwendung verschiedener Art befassen und die unter anderem die in den Anwendungen vorgestellten Themen aufgreifen.

Molecular Modelling und Computerchemie

In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat sich die Computational Chemistry von einem Werkzeug für ausgewiesene Spezialisten zu einem mächtigen und wertvollen Hilfsmittel für alle Chemiker entwickelt. Der entscheidende Faktor für diese bemerkenswerte Veränderung war die Entwicklung der verfügbaren Rechenleistung. Was vor Jahren eine Rechenzeit von Stunden oder Tagen auf einem Großrechner beanspruchte, lässt sich heute in einem Bruchteil dieser Zeit auf einem gewöhnlichen PC erledigen. Daher ist es auch nur folgerichtig, dass diese Verfahren auch in die Ausbildung von Studenten Eingang finden, um dieses Handwerkszeug ebenso in der Praxis zu erlernen wie dies für die experimentellen Techniken im Labor geschieht.

Aus diesem Grund enthält die Website zu diesem Buch (und auch das Buch selbst) eine Reihe von Aufgaben, die mit einer entsprechenden Software für quantenchemische Berechnungen am Computer gelöst werden müssen. Diese Aufgaben wurden insbesondere mit Blick auf die Studentenversion des Programms Spartan entworfen, sollten aber auch mit allen anderen Programmen lösbar sein, die Hartree–Fock-, Dichtefunktional- und MP2-Rechnungen beherrschen.

Die Studenten müssen erkennen, dass eine solche Berechnung nicht dasselbe sind wie ein Experiment und dass jedes auf diesen Berechnungen aufbauende chemische Modell seine Stärken und Schwächen hat. Mit dieser Warnung im Hinterkopf können die Ergebnisse...