67035 - CHIMICA FISICA

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente ha acquisito le basi fisiche e matematiche per comprendere la struttura e le proprietà della materia e le trasformazioni fisiche e chimiche che riguardano atomi e molecole e i loro stati di aggregazione. Vengono illustrate le leggi della termodinamica, che si occupa delle trasformazioni di energia, e i fondamenti della cinetica, che indaga la velocità delle reazioni chimiche e i fattori che la influenzano. Infine, i principi di quantomeccanica e la loro applicazione spiegano in modo coerente le proprietà di atomi e molecole, la natura del legame chimico, e permettono di comprendere le loro proprietà spettroscopiche. Il corso prevede che gli argomenti teorici trattati siano integrati da esempi ed esercizi numerici e da prove pratiche di laboratorio.

Programma/Contenuti

Prerequisiti:

  • Funzioni elementari: potenze, radici, esponenziali e logaritmi. Equazioni Algebriche. Conoscenze di base del calcolo differenziale e integrale per funzioni a una o due variabili. Numeri complessi. Calcolo vettoriale. Principi di algebra lineare. Concetto di autofunzioni e autovettori. (Attività formativa: Matematica con esercitazioni).
  • Principali grandezze fisiche e relazioni che le legano, principali unità di misura.(Attività formativa: Fisica con esercitazioni).
  • Principi chimici fondamentali concernenti la struttura e le proprietà principali degli elementi, il legame chimico, le molecole e la loro geometria. Reazioni chimiche e loro bilanciamento. (Attività formativa: Chimica Generale e Inorganica con Laboratorio).
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Il programma si articola in due parti distinte. La prima concerne la Termodinamica d'equilibrio di sistemi chiusi e la cinetica delle reazioni chimiche. La seconda si basa sull'introduzione ai principi della meccanica quantistica 

 

Stati di aggregazione della materia. Descrizione degli stati della materia in termini di variabili di stato. Definizione di volume, pressione, temperatura, quantità di materia e delle rispettive unità di misura. Definizione di equazione di stato. Definizione di temperatura e pressione ambiente standard (SATP) Equazione di stato del gas ideale. Equazione combinata del gas ideale. Miscele di gas ideali e Legge di Dalton. Limiti di applicabilità dell'equazione del gas ideale. Gas reali e forze intermolecolari. Comportamento della CO2 al variare di pressione, volume molare e temperatura. Definizione di punto critico di un gas reale. Fattore di compressibilità di un gas reale. Equazione di stato del viriale. Equazione di stato di Van der Waals. Relazione tra variabili critiche e parametri dell'equazione di VdW

Definizione di sistema termodinamico (aperto, chiuso, isolato, adiabatico). Lavoro e calore quali modalità di trasferimento di energia. Primo principio della Termodinamica. Lavoro di espansione e lavoro extra. Lavoro meccanico in una espansione libera, in una espansione contro una pressione esterna costante e in una espansione reversibile. Scambi di calore a volume costante. Funzioni di stato e differenziali esatti. Derivate parziali dell'energia interna e di altre funzioni di stato. Definizione di capacità termica a volume costante e di pressione interna.

Energia interna di un gas perfetto. Capacità termica a volume costante e pressione interna di un gas perfetto. Definizione di entalpia. Relazione tra entalpia ed energia interna. Relazione tra entalpia e calore scambiato a pressione costante. Definizione di capacità termica a pressione costante. Capacità termica a pressione costante di un gas perfetto. Espansione isoterma di un gas perfetto. Espansione adiabatica di un gas perfetto. Termochimica. Variazioni entalpiche in condizioni standard. Definizione di entalpia di reazione, entalpia di combustione e entalpia di formazione. Dipendenza delle entalpie di reazione dalla temperatura. Legge di Kirchhoff

Trasformazioni spontanee. Secondo principio della termodinamica. Definizione di entropia. Variazioni di entropia per alcuni processi tipici: espansione di un gas a temperatura costante, espansione adiabatica reversibile, variazione di temperatura a volume e pressione costante, transizioni di fase. Entropie assolute e terzo principio della termodinamica. Entropia di reazione. Relazione tra entropia e spontaneità delle reazioni chimiche. Definizione di energia di Gibbs e di Helmholtz.

Energia di Gibbs di reazione. Combinazione del primo e del secondo principio della TD. Proprietà dell'energia di Gibbs. Dipendenza dell'energia di Gibbs dalla temperatura. Equazione di Gibbs-Helmholtz. Dipendenza dell'energia di Gibbs dalla pressione per fasi condensate e per gas. Definizione di fugacità di un gas reale.

Criterio di stabilità termodinamica di una fase della materia. Dipendenza della energia di Gibbs dalla temperatura e transizioni di fase. Diagrammi di stato di una sostanza pura. Diagrammi Pressione-Temperatura e localizzazione delle fasi nelle diverse aree del grafico. Punti caratteristici (punto triplo, punto critico). Derivazione dell'equazione di Clapeyron. Limite di fase solido-liquido. Limite di fase liquido-vapore. Equazione di Clausius-Clapeyron. Limite di fase solido-vapore.

Regola delle fasi di Gibbs. Grandezze parziali molari. Volume parziale molare. Energia di Gibbs parziale molare e potenziale chimico. Mescolamento spontaneo di due gas ideali. Entropia di mescolamento. Legge di Raoult e soluzioni ideali. Potenziale chimico di una soluzione ideale e reale.

Proprietà colligative. Abbassamento della pressione di vapore. Innalzamento ebulloscopico. Abbassamento crioscopico. Solubilità ideale di una sostanza. Pressione osmotica. Soluzioni molto diluite e legge di Henry.

Sistemi a due componenti. Diagrammi di fase liquido-vapore. Diagrammi pressione-composizione e temperatura-composizione. Localizzazione delle fasi nelle diverse aree del grafico. Regola della leva. Distillazione semplice e frazionata. Calcolo di diagrammi P-X e T-X per una miscela ideale. Miscele non ideali. Deviazioni positive e negative dalla legge di Raoult. Azeotropi di minimo e di massimo. Diagrammi di fase T-X liquido-liquido. Localizzazione delle fasi nelle diverse aree del grafico. Definizione di temperatura critica superiore e inferiore. Diagrammi di fase T-X solido-liquido.Localizzazione delle fasi nelle diverse aree del grafico. Definizione di punto eutettico. Diagrammi solido-liquido con formazione di composti (cenni)

Equilibrio chimico. Definizione del grado di avanzamento di una reazione. Relazione tra energia di Gibbs di reazione e quoziente di reazione. Definizione di costante di equilibrio. Relazione tra Kp, Kc e Kx. Costante di equilibrio espressa in termini di attività. Definizione degli stati standard per gas, liquidi puri, soluzioni e solidi. Effetto della pressione sulla composizione di equilibrio. Dipendenza della costante di equilibrio dalla temperatura. Equazione di Van't Hoff.

Introduzione all'elettrochimica. Celle galvaniche e celle elettrolitiche. Tipi di elettrodo. Semireazioni di riduzione. Definizione di anodo e catodo. Reazione di cella. Potenziale di cella e relazione con la variazione di energia di Gibbs di reazione. Equazione di Nernst. Relazione tra costante di equilibrio e potenziale standard di cella. Potenziali standard di elettrodo. Serie elettrochimica. Dipendenza del potenziale standard di elettrodo dalla temperatura. Coefficienti di attività ionici. Legge limite di Debye-Huckel

Introduzione alla cinetica chimica. Tecniche sperimentali per studiare la velocità delle reazioni. Definizione di velocità di reazione istantanea e iniziale. Leggi cinetiche e ordini di reazione. Determinazione delle leggi cinetiche. Metodo dell'isolamento e metodo delle velocità iniziali. Leggi cinetiche integrate: reazioni del primo ordine. Tempo di dimezzamento per reazioni del primo ordine. Leggi cinetiche integrate: reazioni del secondo ordine. Tempo di dimezzamento per reazioni del secondo ordine.

Introduzione alla meccanica quantistica. Evidenze sperimentali che hanno portato alla meccanica quantistica. Lunghezza d'onda di De Broglie. Numeri complessi. Operatori. Derivazione dell' equazione di Schroedinger dipendente dal tempo per una particella libera. Autovalori e autovettori. Equazione di Schroedinger indipendente dal tempo. Postulati della meccanica quantistica. Particella in una buca di potenziale di dimensioni infinite. Principio di indeterminazione Heisenberg. Oscillatore armonico quantistico. Vibrazioni molecolari. Rotatore rigido. Livelli energetici molecolari. Spettri vibro-rotazionali.

Testi/Bibliografia

P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica. Quinta edizione Zanichelli, Bologna.

R. Chang, Chimica Fisica. Volumi 1, 2, Zanichelli, Bologna.

A. Gambi Esercizi di Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna.

Fondamentale sarà l'utilizzo di materiale distribuito dal docente reso disponibile in rete e degli appunti di lezione.

Metodi didattici

Questa unità del corso è costituito da lezioni frontali.

In ogni lezione il docente abbinerà all'esposizione della teoria prevista dal programma del corso una serie di esercizi numerici esemplificativi. Gli esercizi saranno risolti contestualmente dal docente stesso, con lo scopo di allenare lo studente alla soluzione dei problemi di carattere chimico fisico risolvibili sulla base delle nuove competenze acquisite. Gli studenti saranno stimolati a partecipare attivamente alle soluzioni fornendo suggerimenti e indicazioni.

Nella soluzione degli esercizi si consulteranno, se necessario, le tabelle di dati termodinamici pubblicate nei libri di testo.

 

Modalità di verifica dell'apprendimento

Durante lo svolgimento del corso agli studenti vengono somministrati due test scritti che costituiscono prove di accertamento dell'apprendimento in itinere (o prove parziali) che, se svolte e superate, concorrono alla definizione della valutazione finale. 

La prima prova si svolge approssimativamente a metà del corso ed è centrata sui concetti della termodinamica chimica e in particolare la termodinamica di equilibrio di sistemi chiusi a composizione costante, l'equilibrio fisico in sistemi a uno o due componenti, l'equilibrio chimico e l'elettrochimica. La seconda è effettuata al termine del corso ed è centrata su cinetica, quantomeccanica e spettroscopia.

Entrambe le prove consistono di 6 quesiti, che sono problemi numerici, anche accompagnati da domande teoriche. Per la risoluzione dei problemi è possibile fare uso di calcolatrice scientifica e consultare i libri di testo e/o i formulari messi a disposizione dal docente. Il tempo a disposizione dello studente e' di 3 ore.

La media aritmetica dei due voti conseguiti nelle prove in itinere forma un voto finale, espresso in trentesimi, che permette l'accesso all'esame orale illustrato di seguito. Per essere ammessi a sostenere la prova orale è necessario un punteggio minimo di 17/30 in almeno una delle due prove scritte.

Lo studente che non avesse svolto le prove in itinere o non le avesse superate con il punteggio minimo stabilito come sufficiente, deve sostenere una prova scritta della durata di 3 ore composta da 6 quesiti che vertono sull'intero programma del corso. Tale prova si svolge con le stesse modalità illustrate per le prove in itinere. La prova scritta si intende superata con un punteggio minimo di 17/30.

Al superamento della prova scritta segue un colloquio orale, che consiste di almeno due quesiti riguardanti argomenti del programma, a verifica che le competenze previste dal corso siano state conseguite. La durata della prova orale è mediamente di 45 minuti. La media aritmetica di parti scritta e orale dell'esame forma il voto finale di questa unità del corso.

Per la definizione della valutazione complessiva dei corsi 67035 (il presente, 10 crediti) e 67037 (Laboratorio di Chimica Fisica, 6 crediti,  vedi modalità di verifica dell' apprendimento dell'insegnamento 67037)

 

 

 

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna e gesso, PC, videoproiettore

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisabetta Venuti

Consulta il sito web di Riccardo Tarroni