Aktivitäten

Fächer- und jahrgangsstufenübergreifender Unterricht in der Arbeitsgemeinschaft "Kerschis zur Uni" am naturwissenschaftlich-technischen Gymnasium (NTG)

Schuljahr:         
2007/2008 2008/2009 2009 /2010 2010/2011  
2011/2012 2012/2013 2013/2014 2014/2015  
2015/2016 2016/2017      


Themenschwerpunkt:    Statistische Thermodynamik

Die Vorstellung, dass alle Stoffe aus einer großen Zahl von Partikeln bestehen ist alt. Sie wurde zu Beginn diese letzten Jahrhunderts durch zahlreiche Beobachtungen, z. B. durch das Studium der BROWNschen Bewegung kleiner Teilchen oder der Beugung von Röntgenstrahlung an Kristallen erhärtet und bildet heute eines der wichtigsten Elemente des chemischen Denkens. Diese Vorstellung findet ihren Ausdruck in den chemischen Formeln, mit welchen das Verhältnis der Zahlen der Atome der verschiedenen Elemente in den Stoffen wiedergegeben wird und je nach Ausführlichkeit der Schreibweise auch Auskünfte über ihre gegenseitige Anordnung vermittelt werden.

Zwischen solchen mikroskopischen Eigenschaften und den in der Thermodynamik betrachteten makroskopischen muss ein Zusammenhang bestehen, der, wenn man ihn kennt, erlaubt, aus den Eigenschaften der Partikel und ihrer Wechselwirkung makroskopische Eigenschaften zu erklären, oder umgekehrt aus makroskopischen Eigenschaften gewisse Rückschlüsse auf die Natur der Partikel zu ziehen.

Den Zugang zu dieser Betrachtungsweise liefert die Statistische Thermodynamik, die sehr eng mit dem Namen Ludwig Boltzmann verknüpft ist.

  • Anwendung der Gesetze der Kombinatorik (Teildisziplin der Mathematik, ist die "Kunst (richtig) zu zählen") auf "unabhängige und unterscheidbare" Teilchen, auf "unabhängige und ununterscheidbare" Teilchen (Bosonen) und „"ununterscheidbare und abhängige" Teilchen (Fermionen).
  • Berechnung von Realisierungsmöglichkeiten W an kleinen Systemen
  • Betrachtungen eines System von N Teilchen und n diskreten Energiezuständen, die g-fach entartet sein können und von beliebig vielen Teilchen besetzt werden können -> Die BOLTZMANN-Verteilung.
  • Ermittlung der wahrscheinlichsten Verteilung mit Hilfe der „Methode der Lagrange-Multiplikatoren“ (Vorstrukturen: Funktionen mehrer Variablen, totale Differenziale, Satz von Schwartz, Simplex-Verfahren; Exkurs: Totale Differenziale in der Thermodynamik) -> Der BOLTZMANN'sche e-Satz:
    e-Satz
  • Anwendungsbeispiel: Konformationsanalyse von 1-Brom-1-Fluorethan,
    Berechnung der Populationen (prozentualen Anteile) der häufigsten Konformeren.

AG-Projekt: Phenolphthalein – Konstitution und Farbe

  • Einführung in die Molekülorbital-Theorie (MO-Theorie): Energetische
    Betrachtungen am Wasserstoff-Molekül, bindende und antibindende Molekülorbitale, Bindungsordnung, HOMO, LUMO, Absorption von Licht, Farbigkeit von Stoffen. ...
  • Experimenteller Teil: Aufnahme von UV/Vis-Spektren von Phenolphthalein-Lösungen bei unterschiedlichen pH-Werten.
  • Literaturrechereche: pH-Abhängigkeit der Konstitution und Farbe des Phenolphthaleins
  • Einführung in das Molecular Modelling (Darstellung von Molekülen am PC, Geometrieoptimierungen, Ermittlung von Bindungslängen und -winkeln, …)
  • Berechnung der pH-abhängigen dreidimensionalen Geometrien von Phenolphthalein mit Hilfe semiempirischer Methoden (PM3)
  • Berechnung der pH-abhängigen UV/Vis-Spektren von Phenolphthalein mit Hilfe semiempirischer Methoden (CNDO)
  • Präsentation der Ergebnisse mittels eines Posters

Termine:

14.01.2011 Schülerinnen und Schüler der Klassen G1C und G1P an der Uni Stuttgart: Kombinierte Veranstaltung an den Fakultäten Chemie und Physik

Besuch von verschiedenen Vorlesungen (Mathe, Chemie, Physik)

Veranstaltung mit Prof. Dr. Rauhut vom Institut für Theoretische Chemie, Dr. Dirnberger von der Studienberatung und Studenten aus dem Fachbereich Chemie


Ludwig Boltzmann: Ein Pioniere der Statistischen Thermodynamik

AG-Teilnehmer schnuppern "Vorlesungsluft" in der UNI Stuttgart