Quellen und Danksagung

Daten

Ionisierungsenergien (Seite Ionisierungsenergie): gerundete Literaturwerte in kJ/mol, zusammengestellt nach der Tabelle der Ionisierungsenergien der Elemente bei Wikipedia. Die dort genannten Primärquellen sind unter anderem das NIST und das CRC Handbook of Chemistry and Physics. Umrechnung: 1 eV je Atom entspricht 96,485 kJ/mol.
Energiestufen und Spektrallinien (Seite Rutherford gegen das Spektrum): Wasserstoff nach E_n = 13,6 eV · (1 − 1/n²). Natrium, Strontium und Barium sind gerundete Literaturwerte, orientiert an der NIST Atomic Spectra Database. Sie wurden nicht Zeile für Zeile gegen die Datenbank geprüft. Die Flammenfarben und Molekülbanden sind qualitativ dargestellt.
Geometrie der Teilchen (Seite Protonenübergang): O–H 0,96 Å und 104,5° (Wasser), H–Cl 1,27 Å, gerundet nach der NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database (CCCBDB); Oxonium-Ion O–H etwa 0,98 Å und H–O–H etwa 112° als gerundete Literaturwerte.
Viskosität von Wasser (Seite Diffusion): 1,52 mPa·s bei 5 °C, 1,00 mPa·s bei 20 °C, 0,47 mPa·s bei 60 °C, gerundet nach J. Kestin, M. Sokolov, W. A. Wakeham, J. Phys. Chem. Ref. Data 7 (1978) 941, und dem CRC Handbook of Chemistry and Physics. Der Diffusionskoeffizient D = 5 · 10⁻¹⁰ m²/s bei 20 °C ist ein typischer Größenordnungswert für kleine Farbstoffteilchen in Wasser, kein Messwert für einen bestimmten Farbstoff.

Modelle und Methoden

Atommodelle im Vergleich: Die Idee, dieselben Atommodelle nebeneinander zu zeigen, ist angeregt von der Simulation „Models of the Hydrogen Atom“ von PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (phet.colorado.edu), veröffentlicht unter CC BY 4.0. Der Code und alle Darstellungen auf diesen Seiten sind eigenständig geschrieben.
Orbitale (Schrödinger-Modell): wasserstoffähnliche Radialfunktionen für 1s, 2s, 2p, 3s und 3p. Die wirksame Kernladung folgt den Slater-Regeln (J. C. Slater, 1930). Die Größen der Grenzflächen sind eine Näherung.
Bohr und de Broglie: schematische Bilder nach den Modellen von N. Bohr (1913) und L. de Broglie (1924). Sie sind nicht maßstäblich.
Protonenübergang: Teilchenbewegung als gedämpfte Zufallsbewegung mit festen Bindungslängen und Winkeln (Position-Based-Dynamics-Ansatz). Der Protonenübergang folgt einer Regel nach dem Grotthuss-Mechanismus, wie ihn N. Agmon beschreibt (Chem. Phys. Lett. 244 (1995) 456); die Zeitskala von etwa 1 bis 2 ps je Übergang ist dort entnommen.
Ammoniak und Neutralisation: Geometrie von NH₃ (N–H 1,01 Å, H–N–H 107°) nach der NIST CCCBDB, NH₄⁺ als Tetraeder (109,5°). Basenkonstante K_B(NH₃) = 1,8 · 10⁻⁵ mol/L (pK_B = 4,75) als gerundeter Tabellenwert. Geschwindigkeitskonstante der Neutralisation H₃O⁺ + OH⁻ etwa 1,4 · 10¹¹ L/(mol · s) nach M. Eigen und L. De Maeyer, Z. Elektrochem. 59 (1955) 986. Ionenradien Na⁺ 102 pm, Cl⁻ 181 pm nach R. D. Shannon, Acta Cryst. A32 (1976) 751. Hin- und Rückreaktion des Ammoniaks sind im Modell stark beschleunigt.
Aggregatzustände: Teilchen mit Morse-Potenzial (P. M. Morse, Phys. Rev. 34 (1929) 57), berechnet mit dem Velocity-Verlet-Verfahren und einem Berendsen-Thermostat (H. J. C. Berendsen u. a., J. Chem. Phys. 81 (1984) 3684). Siedetemperatur in Abhängigkeit vom Druck nach der Clausius-Clapeyron-Gleichung mit den Verdampfungsenthalpien 40,65 kJ/mol (Wasser) und 22,4 kJ/mol (Butan); Schmelz- und Siedetemperatur von Butan (−138 °C, −0,5 °C) als gerundete Tabellenwerte (CRC Handbook of Chemistry and Physics).
Gemeinsame Teilchen-Engine: Die drei Seiten zu Säuren und Basen nutzen dieselbe Simulation (template/site/teilchen.js), die build.py in jede Seite kopiert.
Autoprotolyse: Ionenprodukt des Wassers K_W = 10⁻¹⁴ mol²/L² bei 25 °C; mittlere Zeit bis zur Ionisierung eines Wassermoleküls etwa 10 Stunden nach P. L. Geissler, C. Dellago, D. Chandler, J. Hutter, M. Parrinello, Science 291 (2001) 2121.
Diffusion: Stoffebene als eindimensionale Diffusionsgleichung (Fick, 1855), Temperaturabhängigkeit nach der Stokes-Einstein-Beziehung D ∝ T/η (A. Einstein, 1905). Die Teilchen in den Lupen bewegen sich als gedämpfte Zufallsbewegung (Brownsche Bewegung, Langevin-Ansatz) mit elastischen Stößen.

Molekülbau

Elektronenpaarabstoßung: Energien mit Psi4 (Methode MP2, Basis aug-cc-pVTZ), Bindungslängen bei jedem Winkel optimiert; Elektronenpaare als lokalisierte Orbitale nach S. F. Boys, Rev. Mod. Phys. 32 (1960) 296 (B3LYP/cc-pVTZ). Gemessene Winkel: NH₃ 106,7°, H₂O 104,5° (NIST CCCBDB). Skripte unter scripts/vsepr.
Zucker im Polarimeter: spezifische Drehungen bei 20 °C und 589 nm (Saccharose +66,5°, D-Glucose +52,7°, α-D-Glucose +112,2°, D-Fructose −92,4°), gerundet nach dem CRC Handbook of Chemistry and Physics; Gesetz von J.-B. Biot (1815); Halbschatten-Polarimeter nach Laurent. Halbwertszeit der Mutarotation als ungefährer Wert angenommen. Räumliche Strukturen mit RDKit (Kraftfeld MMFF), Stereozentren gegen die IUPAC-Namen geprüft; Skript unter scripts/sugar.
Drehen um C–C-Bindungen: Energien und Dipolmomente mit Psi4 (B3LYP, Basis def2-TZVP), Diederwinkel Cl–C–C–Cl (beim Dichlorethen auch H–C–C–H) in 10°-Schritten festgehalten, alles andere optimiert; verdrehtes Dichlorethen unbeschränkt (UKS). Drehungen pro Sekunde nach H. Eyring, J. Chem. Phys. 3 (1935) 107. Vergleichswert für die Drehung um die Doppelbindung in Ethen (etwa 270 kJ/mol): J. E. Douglas, B. S. Rabinovitch, F. S. Looney, J. Chem. Phys. 23 (1955) 315. Skripte unter scripts/rotation.
Van ’t Hoff: Isomere zählen: J. H. van ’t Hoff, „Voorstel tot uitbreiding der tegenwoordig in de scheikunde gebruikte structuurformules in de ruimte“ (Utrecht 1874); J. A. Le Bel, Bull. Soc. Chim. Paris 22 (1874) 337. Zur Geschichte auch der Wikipedia-Artikel „Jacobus Henricus van ’t Hoff“.

Wechselwirkungen und Wasser

Elektronenwolken: Elektronendichte und elektrostatisches Potential, berechnet mit Psi4 (D. G. A. Smith et al., J. Chem. Phys. 152 (2020) 184108; Dichtefunktional B3LYP, Basis 6-31G(d)). Skripte im Projekt unter scripts/esp.
Moleküle im elektrischen Feld: Dipolmomente H₂O 1,85 D, NH₃ 1,47 D, HCl 1,08 D, gerundete Literaturwerte (CRC Handbook of Chemistry and Physics).
London-Kräfte: Drude-Modell schwankender Elektronenwolken (nach P. Drude; London-Kraft nach F. London, Z. Phys. 63 (1930) 245). Polarisierbarkeiten, Teilchendurchmesser und Siedetemperaturen der Edelgase und Alkane: gerundete Literaturwerte (CRC Handbook of Chemistry and Physics).
Wasser: Tropfen und Eis: zweidimensionales Mercedes-Benz-Wassermodell nach A. Ben-Naim, J. Chem. Phys. 54 (1971) 3682, und K. A. T. Silverstein, A. D. J. Haymet, K. A. Dill, J. Am. Chem. Soc. 120 (1998) 3166.
Eis und Wasser in 3D: hexagonales Eis mit Gitterkonstanten a = 4,497 Å und c = 7,322 Å, Protonen nach den Eisregeln von J. D. Bernal und R. H. Fowler (J. Chem. Phys. 1 (1933) 515). Flüssiges Wasser aus einer Rechnung mit OpenMM (P. Eastman et al., PLoS Comput. Biol. 13 (2017) e1005659) und dem Wassermodell TIP4P-Ew (H. W. Horn et al., J. Chem. Phys. 120 (2004) 9665). Skripte unter scripts/ice.

Schulbuch

Die Aufgabenlisten beziehen sich auf Galvani Chemie 9 (Seitenzahlen, Aufgabennummern und Begriffe wie Energiestufe, Valenzelektronen und Edelgasregel). Texte und Abbildungen aus dem Buch sind nicht übernommen.

Schriften und Software

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Konzept und Umsetzung

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