69087 - CINETICA E TERMODINAMICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del cors, lo studente conosce i principi termodinamici che regolano gli scambi energetici tra sistemi chimici, la conversione tra differenti forme di energia, l'equilibrio chimico in sistemi a più componenti e a più fasi, anche risolvendo problemi numerici. Sa raccogliere dati scientifici attraverso l'uso di tecniche e metodologie di tipo chimico-fisico, ricavando proprietà molecolari da dati calorimetrici ed elettrochimici. Lo studente conosce inoltre la cinetica chimica classica, sa descrivere i moti in fase gassosa e liquida compresi quelli diffusivi, sa investigare schemi cinetici classici e formulare le leggi di reazione, sa affrontare schemi cinetici complessi compresi quelli catalitici in fase omogenea ed eterogenea, sulle superfici e sugli elettrodi.

Contenuti

Termodinamica

Sistemi termodinamici.

Calore, lavoro ed energia interna.

Entropia e suo significato statistico. Temperatura assoluta.

Equilibrio termodinamico.

Funzioni di stato ausiliarie: entalpia, energie libere di Gibbs e Helmholtz. Equazioni fondamentali. Capacità termiche. Termochimica. Potenziale chimico.

Transizioni ed equilibri di fase (sistemi a un componente). Regola delle fasi. Grandezze molari parziali, soluzioni ideali e reali, attività.

Transizioni ed equilibri di fase (sistemi a due componenti). Diagrammi di fase. Miscele reattive: equilibrio chimico e costanti di equilibrio.

Termodinamica elettrochimica.

Cinetica Chimica con elementi di Termodinamica statistica

Teoria cinetica dei gas. Distribuzione delle velocità molecolari. Cammino libero medio e frequenza di collisione. Diffusione ed effusione.

Distribuzione delle energie molecolari. Teorema di equipartizione delle energie. Legge di distribuzione di Boltzmannn delle popolazioni. Necessità della meccanica quantistica nella trattazione delle energie molecolari.

Proprietà di trasporto di un gas perfetto: diffusione, conducibilità termica, viscosità. Conducibilità delle soluzioni elettrolitiche. Conducibilità a diluizione infinita. Legge della migrazione indipendente. Mobilità degli ioni.

Introduzione alla cinetica di reazione. Definizione di velocità di reazione, ordine di reazione, molecolarità, processi elementari, unità di misura delle costanti cinetiche.

Integrazione delle equazioni cinetiche (primo, second’ordine, caso A+B->C, ordine n) e loro applicazioni. Tempi di semivita, relazione tra cinetica di processi elementari e stechiometria.

Processi cinetici non-elementari, costruzione loro equazioni cinetiche differenziali. L'equilibrio chimico come processo non-elementare. Integrazione sistemi di equazioni cinetiche.

Approssimazione dello stato stazionario. Equazioni cinetiche consecutive illustrate per mezzo della soluzione analitica, dello stato stazionario e numerica.

Dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura: Equazione di Arrhenius.

Esempi di meccanismi di reazione Lindelmann-Hinshelwood. Michaelis-Menten; Lineweaver-Burk.

Cinetica di trasferimento di fase. Equazione di Langmuir. Determinazione energia di adsorbimento, tempi di vita su superfici. Adsorbimento in presenza di reazioni.

Elementi di meccanica statistica. Derivazione legge di Distribuzione di Boltzmann. Probabilità' ed entropia. Metodo degli insiemi di Gibbs. Calcolo dell'energia interna. Funzioni di partizione e loro connessione con funzioni termodinamiche e potenziale chimico. Calcolo della costante di equilibrio dalle funzioni di partizione. Teoria dello stato di transizione.

Testi/Bibliografia

Appunti di lezione

Per tutti i moduli: Atkins, J. De Paula Chimica Fisica, Zanichelli

Per termodinamica: S. Bromberg and K:A. Dill, Molecular Driving Forces, Garland Science, New York, 2002. Capitoli: 2, 3, 7, 8

Per cinetica: dispense di Termodinamica Statistica disponibili online

Metodi didattici

L’insegnamento si compone di 11 CFU di cui 5 CFU dedicati alla Termodinamica e 6 CFU alla Cinetica Chimica con Elementi di Termodinamica Statistica. Entrambe le parti comprendono 1CFU di laboratorio che verrà svolto in parte nel laboratorio didattico di Chimica Fisica e in parte nel Laboratorio Informatico.

Le lezioni frontali saranno mirate alla comprensione teorica e all'utilizzo pratico di strumenti per risoluzione di problemi di termodinamica e di cinetica chimica. Le lezioni saranno accompagnate da esercizi numerici e da attività svolte in laboratorio che forniranno agli studenti l'opportunità di affrontare problemi reali sia individualmente sia in piccoli gruppi.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Cinetica: Due prove scritte che possono essere sostenute in itinere o come prove parziali alla fine del corso. La I prova consiste in una domanda di teoria sulla prima parte del corso e nella risoluzione di un meccanismo cinetico complesso. La II prova è costituita da domande aperte sulla teoria svolta nella seconda parte del corso. Per essere ammessi alla valutazione della II prova bisogna aver superato la I. La validità della I prova è di sei mesi, mentre se viene sostenuta in itinere permette di sostenere la II prova entro la sessione estiva.

Termodinamica: esame scritto ed orale. L'esame scritto è mirato al raggiungimento da parte dello studente di una conoscenza pratica di come trattare problemi di termodinamica. L' esame orale è mirato al raggiungimento da parte dello studente della comprensione delle metodologie teoriche della termodinamica.

Il voto finale del Corso integrato viene definito, come media pesata dei voti riportati nelle due parti del corso.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, proiettore, laboratori didattici (informatico e sperimentale)

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Sonia Melandri

Consulta il sito web di Francesco Paolucci

Consulta il sito web di Francesco Scagnolari

Consulta il sito web di Giovanni Valenti