00125 - CHIMICA FISICA I

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze di Termodinamica applicabili a sistemi di interesse chimico in condizioni di equilibrio. Utilizza la Termodinamica classica nello studio di equilibri di fase in sistemi monocomponente e pluricomponente, nello studio di proprietà di miscele e soluzioni ioniche e non ioniche, e nella trattazione dell'equilibrio chimico. Lo studente acquisisce le competenze necessarie per comprendere i principi fisici che soggiacciono alla chimica ed è introdotto alle applicazioni della termodinamica a problemi di Impianti Chimici, di Scienza dei Materiali e di Biochimica anche con l'ausilio di strumentazione e tecnologia informatica.

Contenuti

Prerequisiti

La conoscenza dei contenuti degli insegnamenti di Matematica con esercitazioni e Chimica Generale e Inorganica. Questi prerequisiti vengono forniti dalle lauree triennali della classe L27 - scienze e tecnologie chimiche.

Programma

Le proprietà dei gas.

  • La pressione e la sua misura. La temperatura. Definizione di stato fisico. Modello del gas ideale. La legge di stato del gas ideale. Le miscele dei gas. Frazione molare e pressione parziale. I gas reali. Le interazioni molecolari. Il fattore di compressibilità. I coefficienti del viriale e l'equazione di stato del viriale. La condensazione. Le costanti critiche. L'equazione di stato di van der Waals. Le caratteristiche dell'equazione e la sua affidabilità. Il principio degli stati corrispondenti.

Il primo principio della Termodinamica

  • Definizione di lavoro, calore ed energia interna. L'espressione generale del lavoro. Il lavoro di espansione. L'espansione libera e contro una pressione costante. L'espansione reversibile. L'espansione reversibile isoterma. Le transizioni termiche. La calorimetria e la capacità termica. Funzioni di stato e funzioni di percorso. Differenziali esatti e inesatti. I cambiamenti dell'energia interna. L'esperimento di Joule. Le variazioni della energia interna a pressione costante. La definizione di entalpia; la misura della variazione di entalpia; la variazione di entalpia al variare della temperatura. La relazione tra le capacità termiche. Le trasformazioni adiabatiche. Il lavoro nelle trasformazioni adiabatiche. Le variazioni dell'entalpia a volume costante. La compressibilità isotermica. L'effetto di Joule-Thompson. La relazione tra Cv e Cp.
Termochimica
  • Definizione di stato standard. Le variazioni standard dell'entalpia. L'entalpia dei cambiamenti fisici, l'entalpia di trasformazione chimica. La legge di Hess. L'entalpia standard di formazione. La relazione tra l'entalpia di reazione e quelle di formazione di reagenti e prodotti. La dipendenza dell'entalpia di reazione dalla temperatura.

Il secondo principio della Termodinamica

  • L'entropia. La definizione termodinamica dell'entropia. L'entropia come funzione di stato. La temperatura termodinamica. La disuguaglianza di Clausius. La variazione dell'entropia a seguito di processi specifici: l'entropia delle transizioni di stato alla temperatura di transizione; l'espansione del gas perfetto; la variazione dell'entropia con la temperatura. La misura dell'entropia.Il terzo principio della Termodinamica Il teorema di Nernst. L'entropia assoluta basata sul terzo principio.

Energia di Gibbs e Energia di Helmholtz

  • Il lavoro massimo. Il lavoro massimo non espansivo. L'energia standard di Gibbs molare. L'equazione fondamentale della termodinamica. Le proprietà dell'energia interna. Le relazioni di Maxwell. La variazione dell'energia interna con il volume. Le proprietà dell'energia di Gibbs. La variazione dell'energia di Gibbs con la temperatura e con la pressione. Il criterio per le trasformazioni spontanee. Potenziale chimico. Condizione di equilibrio materiale in funzione del potenziale chimico.

Equilibrio fisico

  • Le trasformazioni fisiche delle sostanze pure. I diagrammi di stato. La stabilità delle fasi e i limiti delle fasi. Regola delle fasi. Punti critici e punti di ebollizione, punti di fusione e punti tripli. Illustrazione del diagrammi di stato p,T di acqua e CO2. Stabilità delle fasi e transizioni di stato. Il criterio termodinamico dell'equilibrio. La dipendenza della stabilità delle fasi dalla temperatura. La pendenza delle curve limite. L'equazione di Clausius-Clapeyron.
  • Le miscele semplici. La descrizione termodinamica delle miscele. Le grandezze parziali molari: il volume parziale molare, l'energia di Gibbs parziale molare, definizione di potenziale chimico di una sostanza pura. La dipendenza del potenziale chimico dalla pressione. Definizione di potenziale chimico standard per un gas ideale. L'equazione di Gibbs-Duhem. La Termodinamica del mescolamento. L'energia di Gibbs, l'entropia e l'entalpia di mescolamento.
  • Il potenziale chimico dei liquidi. Le soluzioni ideali e le soluzioni diluite ideali. Le soluzioni reali. L'attività. L'attività del solvente e l'attività del soluto. Varie definizioni di attività. Definizione del potenziale chimico standard per i componenti delle soluzioni ideali e reali. Le proprietà colligative. L'innalzamento ebullioscopico, l'abbassamento crioscopico. la solubilità, l'osmosi.
  • I diagrammi di stato per sistemi a più componenti. Regola delle fasi. I diagrammi della tensione di vapore: la composizione del vapore, l'interpretazione dei diagrammi e la regola della leva. I diagrammi temperatura composizione. La distillazione delle miscele, gli azeotropi e i liquidi immiscibili. I diagrammi di stato liquido-liquido: la separazione delle fasi,la temperatura critica di soluzione e la distillazione di liquidi parzialmente miscibili. I diagrammi di stato solido-liquido: gli eutettici.

Equilibrio chimico

  • Le reazioni chimiche spontanee. Il minimo dell'energia di Gibbs. L'energia di Gibbs di reazione. Reazioni endoergoniche ed esoergoniche. L'equilibrio chimico in vari sistemi: tra gas ideali, tra gas reali, per reazioni in soluzione, per reazioni eterogenee. La risposta dell'equilibrio alle variazioni di temperatura o della pressione. L'equazione di van't Hoff.

Elettrochimica di equilibrio

  • Le proprietà termodinamiche degli ioni in soluzione. Le celle elettrochimiche. Elettrodi e semireazioni di riduzione. Reazioni agli elettrodi. Tipi di elettrodi. Tipi di celle. Potenziali di giunzione liquida. Notazione IUPAC. Potenziale di cella. Relazione tra potenziale di cella e DeltaG di reazione. Equazione di Nernst. Celle a concentrazione. Potenziali standard e loro misura. La serie elettrochimica. Costanti di solubilità. Determinazione del pH. Funzioni termodinamiche da misure di potenziali di cella.


Testi/Bibliografia

L'adozione di un testo di chimica fisica e lo studio dei contenuti del programma sul testo sono necessarie al conseguimento delle abilità formative di questo corso.

Lo studente potrà scegliere tra uno di questi testi

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

- D. A. Mc Quarrie, J. D. Simon, Chimica Fisica. Zanichelli, Bologna.

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

-R. J. Silbey, R. A. Alberty,M. G. Bawendi, Physical Chemistry, 4th edition, Wiley, USA

Durante l'attività formativo lo studente può avvalersi di questo testo di esercizi risolti.

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

Metodi didattici

Lezioni frontali

Ogni lezione consiste nella trattazione approfondita dei contenuti del programma, coadiuvata dalla descrizione di diagrammi e grafici proiettati su schermo per facilitare la comprensione. Si mostrerà nel dettaglio come si derivano le equazioni oggetto di studio e di applicazione. A ogni argomento il docente abbinerà la risoluzione di esercizi e problemi numerici. Gli studenti saranno stimolati a partecipare attivamente alle soluzioni fornendo suggerimenti e indicazioni. Gli esercizi proposti sono esemplificativi dei problemi di carattere chimico fisico risolvibili sulla base delle nuove competenze acquisite. Nella soluzione degli esercizi si consulteranno, se necessario, le tabelle di dati termodinamici pubblicate nei libri di testo. Quando necessario la soluzione verrà ottenuta con la analisi dei dati sperimentali per via grafica.

Ogni studente frequentante è tenuto a seguire lo svolgimento dei calcoli con una propria calcolatrice scientifica.

Gli studenti non frequentanti possono chiedere al docente copia degli esercizi svolti in aula recandosi al ricevimento.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Potranno accedere alla prova d'esame gli studenti che abbiano soddisfatto le propedeuticità obbligatorie avendo superato gli esami degli insegnamenti di Matematica con esercitazioni e di Chimica Generale e Inorganica, dettati nel 1° semestre del 1° anno del corso di studi in Chimica Industriale, LT.

La prova d’esame mira a verificare il raggiungimento dei seguenti obiettivi formativi:

· conoscenza approfondita degli argomenti di Termodinamica classica illustrati durante le lezioni frontali.

· capacità di impiegare tali strumenti per risolvere problemi numerici di interesse chimico fisico.

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso una prova scritta finale di 4 ore, e una successiva prova orale della durata di 1 ora. Per sostenere le prove d'esame è necessaria l'iscrizione tramite bacheca elettronica. La prova scritta consiste in 5 quesiti, che sono problemi numerici relativi agli argomenti di Termodinamica di equilibrio di sistemi chiusi (2), equilibrio chimico (1), equilibrio fisico (1), elettrochimica (1). Ogni quesito consente di ottenere un massimo di 6 punti. Per lo svolgimento della prova scritta è necessaria una calcolatrice scientifica ed è ammesso l’uso di libri e appunti.

Per essere ammessi a sostenere la prova orale è necessario superare la prova scritta un punteggio minimo di 18/30 punti. La validità della prova scritta superata è limitata agli appelli di una stessa sessione d’esame.

La prova orale consta di 3 quesiti, uno sull'equilibrio fisico, uno sull'equilibrio chimico o di elettrochimica e uno sui Principi della Termodinamica applicati a sistemi di interesse chimico.

Ogni quesito consente di ottenere un massimo di 10 punti. La prova orale è superata con il punteggio minimo di 18/30 punti.

La media aritmetica dei voti conseguiti nelle prove scritta e orale costituirà il voto finale espresso in trentesimi.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, lavagna luminosa, lavagna e gesso.

Fotocopie, file in formato pdf con il materiale didattico delle lezioni, testi di 12 prove scritte d'esame con le soluzioni scritte dal docente.

Questi ausili sono reperibili anche tramite username e password presso la piattaforma IOL che è il deposito istituzionale dei materiali didattici degli insegnamenti dei Corsi di Laurea dell' Universita' di Bologna.

In alterantiva possono essere richiesti al docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisabetta Canè