| Nota di contenuto |
1 Einfuhrung in die physikalisch-chemischen Betrachtungsweisen, Grundbegriffe und Arbeitstechniken 1 1.1 Einfuhrung in die chemische Thermodynamik 2 1.1.1 Zustand 2 1.1.2 System und Umgebung 2 1.1.3 Phase 4 1.1.4 Gleichgewicht 4 1.1.5 Arbeit 5 1.1.6 Temperatur Nullter Hauptsatz der Thermodynamik 8 1.1.7 Warmeaustausch und Warmekapazitat 11 1.1.8 Isotherme und adiabatische Prozesse 12 1.1.9 Intensive und extensive Gro.ssen 12 1.1.10 Die thermische Zustandsgleichung des idealen Gases 14 1.1.11 Mischungen idealer Gase, Partialdruck und Molenbruch 22 1.1.12 Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik und die kalorische Zustandsgleichung 23 1.1.13 Die partiellen Ableitungen von U und H nach T, die molaren Warmekapazitaten 28 1.1.14 Die partiellen Ableitungen von U und H nach n, die Reaktionsenergie und die Reaktionsenthalpie 34 1.1.15 Der Hess sche Satz 43 1.1.16 Die Standard-Bildungsenthalpien 44 1.1.17 Die Umsetzung von Warme und Arbeit bei Volumenanderungen 45 1.1.18 Der Carnot sche Kreisprozess 57 1.1.19 Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik und die Entropie 60 1.1.20 Die Entropie 69 1.1.21 Kernpunkte des Abschnitts 1.1 76 1.1.22 Rechenbeispiele zu Abschnitt 1.1 77 1.1.23 Literatur zu Abschnitt 1.1 81 1.2 Einfuhrung in die kinetische Gastheorie 82 1.2.1 Das Modell des idealen Gases 82 1.2.2 Kinetische Energie und Temperatur 84 1.2.3 Die molare Warmekapazitat der Gase 86 1.2.4 Kernpunkte des Abschnitts 1.2 90 1.2.5 Rechenbeispiele zu Abschnitt 1.2 90 1.2.6 Literatur zu Abschnitt 1.2 91 1.3 Einfuhrung in die statistische Thermodynamik 91 1.3.1 Wahrscheinlichkeitsrechnung und Verteilungsfunktion 92 1.3.2 Die Boltzmann-Statistik 96 1.3.3 Innere Energie und Zustandssumme 100 1.3.4 Spezielle Aussagen des Boltzmann schen e-Satzes 100 1.3.5 Die Entropie in der statistischen Betrachtungsweise 101 1.3.6 Kernpunkte des Abschnitts 1.3 105 1.3.7 Rechenbeispiele zu Abschnitt 1.3. 105 1.3.8 Literatur zu Abschnitt 1.3 106 1.4 Einfuhrung in die Quantentheorie 107 1.4.1 Hinweise auf den Aufbau der Atome aus Atomkern und Elektronenhulle 107 1.4.2 Bestimmung der Ladung des Elektrons 109 1.4.3 Bestimmung der Masse des Elektrons 110 1.4.4 Die Wellennatur des Elektrons 111 1.4.5 Die Eigenschaften des Lichtes 114 1.4.6 Der Dualismus Welle Partikel 123 1.4.7 Nachweis niedriger Energieniveaus in Gasen 130 1.4.8 Die Spektrallinien der Atome 131 1.4.9 Das Bohr sche Modell des Wasserstoffatoms 135 1.4.10 Die Schrodinger-Gleichung 138 1.4.11 Die Behandlung eines freien Teilchens 146 1.4.12 Die Behandlung eines Teilchens im eindimensionalen Kasten 149 1.4.13 Die Behandlung eines Teilchens im dreidimensionalen Kasten 153 1.4.14 Die Behandlung eines Teilchens im Potentialtopf 157 1.4.15 Die Behandlung der Durchtunnelung eines Potentialwalls 166 1.4.16 Kernpunkte des Abschnitts 1.4 169 1.4.17 Rechenbeispiele zu Abschnitt 1.4 170 1.4.18 Literatur zu Abschnitt 1.4 172 1.5 Einfuhrung in die chemische Kinetik 172 1.5.1 Einfuhrung neuer Begriffe 173 1.5.2 Reaktionen erster Ordnung 175 1.5.3 Reaktionen zweiter Ordnung 177 1.5.4 Reaktionen dritter Ordnung 179 1.5.5 Reaktionen nullter Ordnung 180 1.5.6 Die Bestimmung der Reaktionsordnung 181 1.5.7 Unvollstandig verlaufende Reaktionen 185 1.5.8 Folge- und Parallelreaktionen 187 1.5.9 Die Temperaturabhangigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 189 1.5.10 Kernpunkte des Abschnitts 1.5 191 1.5.11 Rechenbeispiele zu Abschnitt 1.5 191 1.5.12 Literatur zu Abschnitt 1.5 194 1.6 Einfuhrung in die Elektrochemie 195 1.6.1 Grundbegriffe der Elektrochemie 195 1.6.2 Die Wanderung von Ionen im elektrischen Feld und die elektrische Leitfahigkeit 205 1.6.3 Die molare Leitfahigkeit eines Elektrolyten und eines Ions 209 1.6.4 Die Konzentrationsabhangigkeit der Leitfahigkeit und der molaren Leitfahigkeit 211 1.6.5 Elektrische Beweglichkeiten, molare Leitfahigkeiten der Ionen und U. berfuhrungszahlen 215 1.6.6 Die Hydratation der Ionen 220 1.6.7 Die Temperatur- und Losungsmittelabhangigkeit der molaren Ionengrenzleitfahigkeit 223 1.6.8 Schwache Elektrolyte 225 1.6.9 Starke Elektrolyte, die Debye-Huckel-Onsager-Theorie 227 1.6.10 Anwendunger Leitfahigkeitsmessungen 237 1.6.11 Kernpunkte des Abschnitts 1.6 238 1.6.12 Rechenbeispiele zu Abschnitt 1.6 238 1.6.13 Literatur zu Abschnitt 1.6 240 1.7 Beugungserscheinungen und reziprokes Gitter 241 1.7.1 Allgemeine Merkmale der Beugungserscheinungen 243 1.7.2 Fraunhofer sche Beugung am Spalt 244 1.7.3 Fraunhofer sche Beugung am Doppelspalt 247 1.7.4 Fraunhofer sche Beugung am ebenen optischen Strichgitter 249 1.7.5 Fraunhofer sche Beugung am Kreuzgitter 252 1.7.6 Fraunhofer sche Beugung am Raumgitter, Rontgenstrahlinterferenzen 254 1.7.7 Kernpunkte des Abschnitts 1.7 259 1.7.8 Literatur zu Abschnitt 1.7 260 2 Chemische Thermodynamik 261 2.1 Das reale Verhalten der Materie 262 2.1.1 Die thermische Zustandsgleichung des realen Gases 262 2.1.2 Das Zweiphasengebiet 271 2.1.3 Der kritische Punkt 274 2.1.4 Das Theorem der ubereinstimmenden Zustande 277 2.1.5 Die thermische Zustandsgleichung kondensierter Stoffe 278 2.1.6 Der Joule-Thomson-Effekt 279 2.1.7 Kernpunkte des Abschnitts 2.1 282 2.1.8 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.1 283 2.2 Mischphasen 284 2.2.1 Thermodynamische Gro..ssen von Mischphasen, partielle molare Gro..ssen 284 2.2.2 Die Gibbs-Duhem sche Gleichung 290 2.2.3 Kalorische Effekte bei der Herstellung realer Mischphasen 293 2.2.4 Mischungsentropie 297 2.2.5 Kernpunkte des Abschnitts 2.2 300 2.2.6 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.2 300 2.3 Die Grundgleichungen der Thermodynamik 301 2.3.1 Einfuhrung der Freien Energie und der Freien Enthalpie 302 2.3.2 Die charakteristischen Funktionen 306 2.3.3 Die Gibbs schen Fundamentalgleichungen 310 2.3.4 Das chemische Potential 313 2.3.5 Temperatur- und Druckabhangigkeit des chemischen Potentials 315 2.3.6 Abhangigkeit des chemischen Potentials in Mischphasen vom Molenbruch 318 2.3.7 Mischungseffekte in idealen Mischphasen 320 2.3.8 Kernpunkte des Abschnitts 2.3 322 2.3.9 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.3 323 2.4 Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik 324 2.4.1 Das Theorem von Nernst 325 2.4.2 Ermittlung absoluter Entropien 326 2.4.3 Kernpunkte des Abschnitts 2.4 328 2.4.4 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.4 328 2.5 Phasengleichgewichte 329 2.5.1 Allgemeine Betrachtungen 330 2.5.2 Die Gibbs sche Phasenregel 331 2.5.3 Phasengleichgewichte in Einkomponentensystemen 333 2.5.4 Phasengleichgewichte in Zweikomponentensystemen zwischen einer Mischphase und einer reinen Phase 339 2.5.5 Aktivitat und Aktivitatskoeffizient 359 2.5.6 Phasengleichgewichte in Zweistoffsystemen zwischen Flussigkeit und Dampf 376 2.5.7 Schmelzdiagramme binarer Systeme 393 2.5.8 Ternare Systeme 399 2.5.9 Kernpunkte des Abschnitts 2.5 401 2.5.10 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.5 402 2.6 Das chemische Gleichgewicht 404 2.6.1 Allgemeine Betrachtungen 405 2.6.2 Standardreaktion, Restreaktion und Gleichgewichtskonstante 406 2.6.3 Die Temperaturabhangigkeit der Gleichgewichtskonstanten 417 2.6.4 Die Druckabhangigkeit der Gleichgewichtskonstanten 421 2.6.5 Experimentelle Ermittlung der Gleichgewichtskonstanten 422 2.6.6 Berechnung von Gleichgewichtskonstanten 427 2.6.7 Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes 434 2.6.8 Kernpunkte des Abschnitts 2.6 440 2.6.9 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.6 440 2.6.10 Literatur zu den Abschnitten 1.1 und 2.1 bis 2.6 443 2.7 Grenzflachengleichgewichte 443 2.7.1 Allgemeine Betrachtungen 444 2.7.2 Die Oberflachenspannung 445 2.7.3 Thermodynamik der Grenzflachen in Mehrstoffsystemen 454 2.7.4 Zweidimensionale Oberflachenfilme 457 2.7.5 Adsorption an Festkorperoberflachen 461 2.7.6 Die Chromatographie 467 2.7.7 Die elektrischen Doppelschichten 468 2.7.8 Die Elektrokapillaritat 474 2.7.9 Kolloide 477 2.7.10 Kernpunkte des Abschnitts 2.7 480 2.7.11 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.7 481 2.7.12 Literatur zu Abschnitt 2.7 482 2.8 Elektrochemische Thermodynamik 483 2.8.1 Die Thermodynamik und die reversible Zellspannung 484 2.8.2 Definition der elektrischen Potentiale und des elektrochemischen Potentials 488 2.8.3 Das Zustandekommen der elektrischen Potentialdifferenz einer galvanischen Zelle, Elektrodenpotentiale und deren Messung 494 2.8.4 Die verschiedenen Typen von Halbzellen 497 2.8.5 Konventionen uber die Darstellung einer galvanischen Zelle und das Vorzeichnen elektrischer Potentialdifferenzen 505 2.8.6 Elektrodenpotentiale 507 2.8.7 Das Flussigkeits- oder Diffusionspotential 510 2.8.8 Verschiedene Typen von galvanischen Zellen 513 2.8.9 Anwendungen von Potentialmessungen 520.
2.8.10 Kernpunkte des Abschnitts 2.8 528 2.8.11 Rechenbeispiele zu Abschnitt 2.8 529 2.8.12 Literatur zu Abschnitt 2.8 530 3 Aufbau der Materie 531 3.1 Quantenmechanische Behandlung einfacher Systeme 532 3.1.1 Behandlung des starren Rotators 532 3.1.2 Behandlung des harmonischen Oszillators 541 3.1.3 Behandlung des Wasserstoffatoms 549 3.1.4 Drehimpuls, Bahndrehimpuls, Spin, Gesamtdrehimpuls und Quantenzahlen 569 3.1.5 Kernpunkte des Abschnitts 3.1 582 3.1.6 Rechenbeispiele zu Abschnitt 3.1 584 3.1.7 Literatur zu den Abschnitten 1.4 und 3.1 586 3.2 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Atomen Atomaufbau und Periodensystem 586 3.2.1 Die Spektren der im engeren Sinne wasserstoffahnlichen Teilchen 588 3.2.2 Die optischen Spektren der Alkalimetalle 590 3.2.3 Die optischen Spektren der Mehrelektronenatome 594 3.2.4 Die Rontgenspektren 596 3.2.5 Das Auger-Spektrum 602 3.2.6 Die quantenmechanische Behandlung von Mehrelektronenatomen 604 3.2.7 Pauli-Prinzip, Hund sche Regeln und Aufbauprinzip 606 3.2.8 Kernpunkte des Abschnitts 3.2 608 3.2.9 Rechenbeispiele zu Abschnitt 3.2 609 3.2.10 Literatur zu Abschnitt 3.2 609 3.3 Materie im elektrischen und im magnetischen Feld 610 3.3.1 Das Verhalten der Materie im elektrischen Feld. Dielektrizitatskonstante und elektrische Polarisation 611 3.3.2 Das Verhalten der Materie im magnetischen Feld 623 3.3.3 Kernpunkte des Abschnitts 3.3 632 3.3.4 Rechenbeispiele zu Abschnitt 3.3 633 3.3.5 Literatur zu Abschnitt 3.3 633 3.4 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Molekulen 634 3.4.1 Das Lambert-Beer sche Gesetz 635 3.4.2 Quantenmechanische Behandlung der Absorption 636 3.4.3 Das Rotationsspektrum 646 3.4.4 Das Schwingungsspektrum 649 3.4.5 Das Rotations-Schwingungsspektrum 654 3.4.6 Das Raman-Spektrum 659 3.4.7 Die Elektronen-Bandenspektren 664 3.4.8 Emission aus elektronisch angeregten Zustanden 669 3.4.9 Photoelektronen-Spektroskopie 675 3.4.10 Die magnetische Resonanz 678 3.4.11 Die Mo.ssbauer-Spektroskopie 693 3.4.12 Kernpunkte des Abschnitts 3.4 695 3.4.13 Rechenbeispiele zu Abschnitt 3.4 696 3.4.14 Literatur zu Abschnitt 3.4 698 3.5 Die chemische Bindung 699 3.5.1 Die ionische Bindung 700 3.5.2 Die kovalente Bindung 705 3.5.3 Die metallische Bindung 722 3.5.4 Kernpunkte des Abschnitts 3.5.3 736 3.5.4 Die van der Waals sche Bindung 736 3.5.5 Mehrelektronensysteme 737 3.5.6 Kernpunkte des Abschnitts 3.5 747 3.5.7 Rechenbeispiele zu Abschnitt 3.5 748 3.5.8 Literatur zu Abschnitt 3.5 749 3.6 Molekulsymmetrie und Struktur 750 3.6.1 Die Symmetrie von Molekulen 750 3.6.2 Dipolmoment und optische Aktivitat 756 3.6.3 Symmetrie der Molekulorbitale 758 3.6.4 Symmetrie und Spektroskopie 766 3.6.5 Struktur von Festkorpern 769 3.6.6 Struktur von Festkorperoberflachen und nanoskopischen Systemen 772 3.6.7 Struktur von Flussigkeiten 782 3.6.8 Struktur von flussigen Kristallen 783 3.6.9 Kernpunkte des Abschnitts 3.6 784 3.6.10 Aufgaben zu Abschnitt 3.6 785 3.6.11 Literatur zu Abschnitt 3.6 785 4 Die statistische Theorie der Materie 787 4.1 Die klassische Statistik und die Quantenstatistiken 788 4.1.1 Die verschiedenen Statistiken 788 4.1.2 Der Impulsraum, der Phasenraum und die Zustandsdichte 789 4.1.3 Allgemeines zur Aufstellung der Verteilungsfunktionen 795 4.1.4 Die Bose-Einstein-Statistik 795 4.1.5 Die Fermi-Dirac-Statistik 802 4.1.6 Die Boltzmann-Statistik 804 4.1.7 Vergleich der Statistiken 807 4.1.8 Kernpunkte des Abschnitts 4.1 809 4.1.9 Rechenbeispiele zu Abschnitt 4.1 809 4.2 Statistische Thermodynamik 810 4.2.1 Die Zustandssumme und die thermodynamischen Funktionen 811 4.2.2 Molekulzustandssumme und Systemzustandssumme 817 4.2.3 Berechnung der Zustandssumme 819 4.2.4 Berechnung der thermodynamischen Daten eines idealen einatomigen Gases (ohne Elektronenanregung) 827 4.2.5 Thermodynamische Daten des idealen Kristalls 830 4.2.6 Das Elektronengas 840 4.2.7 Das Photonengas 850 4.2.8 Berechnung von Gleichgewichtskonstanten von Gasreaktionen 854 4.2.9 Kernpunkte des Abschnitts 4.2 858 4.2.10 Rechenbeispiele zu Abschnitt 4.2 859 4.3 Die kinetische Gastheorie 861 4.3.1 Maxwell sches Geschwindigkeits-rteilungsgesetz 862 4.3.2 Druck eines Gases auf die Gefa..sswandungen 868 4.3.3 Zahl der Sto..sse auf die Wand 870 4.3.4 Der Gleichverteilungssatz der Energie 871 4.3.5 Kernpunkte des Abschnitts 4.3 876 4.3.6 Rechenbeispiele zu Abschnitt 4.3 876 4.3.7 Literatur zu Kapitel 4 877 5 Transporterscheinungen 879 5.1 Die mittlere freie Weglange der Gasmolekule 880 5.2 Die Stosszahlen der Gasmolekule 888 5.3 Transporterscheinungen in Gasen 890 5.3.1 Die allgemeine Transportgleichung fur Gase 890 5.3.2 Die Diffusion in Gasen 892 5.3.3 Die innere Reibung in Gasen 897 5.3.4 Die Warmeleitfahigkeit in Gasen 900 5.3.5 Vergleich der Koeffizienten der Transportgro..ssen bei Gasen 901 5.4 Laminare Stromung in engen Rohren 903 5.5 Zusammenfassungen zu den Abschnitten 5.1 bis 5.4 906 5.5.1 Kernpunkte der Abschnitte 5.1 bis 5.4 906 5.5.2 Rechenbeispiele zu den Abschnitten 5.1 bis 5.4 906 5.5.3 Literatur zu den Abschnitten 5.1 bis 5.4 907 5.6 Die elektrische Leitfahigkeit in Festkorpern 908 5.6.1 Das Ohm sche Gesetz 908 5.6.2 Die elektrische und thermische Leitfahigkeit in Metallen 909 5.6.3 Die elektrische Leitfahigkeit von elektronischen Halbleitern 914 5.6.4 Die elektrische Leitfahigkeit von festen Ionenleitern 918 5.6.5 Kernpunkte des Abschnitts 5.6 919 5.6.6 Rechenbeispiele zu Abschnitt 5.6 920 5.6.7 Literatur zu Abschnitt 5.6 920 5.7 Die elektrokinetischen Erscheinungen 921 5.7.1 Die Elektroosmose 921 5.7.2 Das Stromungspotential 925 5.7.3 Die Elektrophorese 926 5.7.4 Kernpunkte des Abschnitts 5.7 926 5.7.5 Literatur zu Abschnitt 5.7 927 6 Kinetik 929 6.1 Die experimentellen Methoden und die Auswertung kinetischer Messungen 930 6.1.1 U.. bersicht 931 6.1.2 Analysentechnik 932 6.1.3 Langsame Reaktionen 936 6.1.4 Schnelle Reaktionen 938 6.1.5 Molekularstrahltechnik 941 6.1.6 Kernpunkte des Abschnitts 6.1 942 6.1.7 Rechenbeispiele zu Abschnitt 6.1 943 6.2 Formale Kinetik komplizierterer Reaktionen 944 6.2.1 Mikroskopische Reversibilitat 944 6.2.2 Chemische Relaxation 946 6.2.3 Folgereaktionen 947 6.2.4 Die Quasistationaritat 951 6.2.5 Kernpunkte des Abschnitts 6.2 952 6.3 Reaktionsmechanismen 952 6.3.1 Der Lindemann-Mechanismus 953 6.3.2 Reaktionen mit vorgelagertem Gleichgewicht 956 6.3.3 Kettenreaktionen ohne Verzweigung 958 6.3.4 Kettenreaktionen mit Verzweigung 966 6.3.5 Explosionen 966 6.3.6 Kernpunkte des Abschnitts 6.3 970 6.3.7 Rechenbeispiele zu den Abschnitten 6.2 und 6.3 971 6.4 Die Theorie der Kinetik 972 6.4.1 Die einfache Stosstheorie 973 6.4.2 Die verfeinerte Stosstheorie 977 6.4.3 Die Theorie des aktivierten Komplexes 988 6.4.4 Kernpunkte des Abschnitts 6.4 996 6.4.5 Rechenbeispiele zu Abschnitt 6.4 996 6.5 Die Kinetik von Reaktionen in Losung 997 6.5.1 Bimolekulare Reaktionen in Losung 998 6.5.2 Anwendung der Theorie des aktivierten Komplexes auf Reaktionen in Losung 1004 6.5.3 Kernpunkte des Abschnitt 6.5 1007 6.5.4 Rechenbeispiele zu Abschnitt 6.5 1008 6.6 Die Kinetik heterogener Reaktionen 1008 6.6.1 Kinetik der Phasenbildung 1009 6.6.2 Auflosungsvorgange 1012 6.6.3 Verzunderungs- und Anlaufvorgange 1013 6.6.4 Kernpunkte des Abschnitts 6.6 1014 6.6.5 Rechenbeispiele zu Abschnitt 6.6 1014 6.7 Die Katalyse 1015 6.7.1 Allgemeines zu katalytischen Reaktionen 1016 6.7.2 Homogene Katalyse 1018 6.7.3 Heterogene Katalyse 1029 6.7.4 Kernpunkte des Abschnitt 6.7 1042 6.7.5 Rechenbeispiele zu Abschnitt 6.7 1042 6.7.6 Literatur zu den Abschnitten 6.1 bis 6.7 1043 6.8 Die Kinetik von Elektrodenprozessen 1044 6.8.1 Allgemeines zur Kinetik von Elektrodenreaktionen 1045 6.8.2 Die Durchtrittsuberspannung 1047 6.8.3 Die Diffusionsuberspannung 1054 6.8.4 Weitere Arten der U.. berspannung 1059 6.8.5 Die Zersetzungsspannung 1059 6.8.6 Kernpunkte des Abschnitts 6.8 1060 6.8.7 Rechenbeispiele zu Abschnitt 6.8 1060 6.8.8 Literatur zu den Abschnitten 1.5 und 6.8 1061 7 Mathematischer Anhang 1063 A Stirling sche Formel 1063 B Determination und Matrizen 1064 C Vektoren 1069 D Operatoren, Darstellung des Laplace-Operators in Polarkoordinaten 1071 E Unbestimmte Ausdrucke.
Regel von de l Hospital 1075 F Reihenentwicklung 1075 G Bestimmung von Maxima und Minima 1077 H Partialbruchzerlegung 1080 I Losung des Integrals R sin2xdx 1081 J Losung des Integrals R sin3xdx 1081 K Losung der Integrale R 1 0 xnex2dx 1082 L Losung des Integrals R 1 0 e12 ee=kTde 1085 M Losung des Integrals R 1 0 x3dex 1P1dx 1085 N Losungen der Differentialgleichung d2wdxP dx2 p k2wdxP 0 1086 O Losung der Differentialgleichung d2udxP dx2 k2udxP 0 1088 P Losung der Poisson-Boltzmann-Gleichung 1089 Q Losung der assoziierten Legendre schen Differentialgleichung 1090 R Losung der Schrodinger-Gleichung fur den harmonischen Oszillator 1098 S Losung der radialen Wellenfunktion des Wasserstoffatoms 1105 T Orthogonalitatsbeziehung der Wellenfunktionen 1110 U Weiterfuhrende Literatur zum Mathematischen Anhang 1111 Sachregister.
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Lehrbuch der Physikalischen Chemie
