69087 - CINETICA E TERMODINAMICA

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Istruzione di qualità Parità di genere Energia pulita e accessibile Lotta contro il cambiamento climatico

Anno Accademico 2021/2022

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 (Modulo 1 e 3)

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 (Modulo 2 e 4)

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

Per tutti i moduli:

P.W Atkins, J. De Paula, J. Keeler Chimica Fisica, VI ed. it., Zanichelli (2020)

oppure

P.W Atkins, J. De Paula, J Chimica Fisica, V ed. it., Zanichelli (2012)

Per termodinamica: dispense di termodinamica (Prof Paolucci) dispense di esercitazioni di termodinamica (Prof Valenti) disponibili online (IOL).

R.S. Berry Three Laws of Nature - A Little Book on Thermodynamics
Yale University Press 2019

Per cinetica: Slide, appunti delle lezioni e dispense di Termodinamica Statistica (Prof. Melandri) dispense di esercitazioni di cinetica (Prof Valenti) disponibili online (IOL)

Metodi didattici

  • Le lezioni frontali saranno mirate alla comprensione teorica e all'utilizzo pratico di strumenti per risoluzione di problemi di termodinamica (Modulo 1) e di cinetica chimica (Modulo 2).
  • Le lezioni saranno accompagnate da esercizi numerici (Modulo 3) che accompagneranno le lezioni teoriche attraverso lezioni frontali, esercitazioni numeriche e attraverso quiz di autovalutazione.
  • Le lezioni saranno accompagnate da attività svolte in laboratorio che forniranno agli studenti l'opportunità di affrontare problemi reali sia individualmente sia in piccoli gruppi. Sarà previsto un laboratorio di termodinamica nel corso del primo semestre e un laboratorio di cinetica nel corso del secondo semestre (Modulo 3). La parte laboratoriale del corso sarà suddivisa in tre fasi: i) preparazione pre-laboratorio: agli studenti verrà fornito materiale didattico (video, quiz di autovalutazione e lezioni in aula) prima del laboratorio in modo tale da arrivare preparati al laboratorio; ii) svolgimento in-laboratorio: verranno affrontate le principali tematiche del corso attraverso sperimentazione ed elaborazione dei dati; iii) valutazione post-laboratorio: al termine delle attività laboratoriali gli studenti elaboreranno i dati ottenuti con il supporto del docente e i risultati delle esperienze saranno discussi tramite presentazione powerpoint o relazione.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

 

Termodinamica: Due prove: I prova scritta ed una II prova orale. La I prova scritta è mirato al raggiungimento da parte dello studente di una conoscenza pratica di come trattare problemi di termodinamica. La II prova orale è mirata al raggiungimento da parte dello studente della comprensione delle metodologie teoriche della termodinamica. Per essere ammessi alla valutazione della II prova bisogna aver superato la I. La I prova è valida per sempre.

Cinetica: Per gli studenti in corso, due prove scritte che possono essere sostenute in itinere o come prove parziali entro la sessione estiva. La I prova consiste in una o due domande di teoria sulla prima parte del corso e nella risoluzione di un meccanismo cinetico complesso. La II prova è costituita da esercizi e domande aperte sulla teoria svolta nella seconda parte del corso. Per essere ammessi alla valutazione della II prova bisogna aver superato la I. Negli sessioni successive a quella estiva (Luglio) l'esame si svolge in un'unica prova. 

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

Anche la presenza, la partecipazione durante il laboratorio e la discussione finale dell’esperienza di laboratorio verrà considerata nel voto finale delle prove.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, proiettore, laboratori didattici (informatico e sperimentale), esercitazioni numeriche, supporto video, IOL e quiz di autovalutazione (attraverso l’utilizzo di IOL o di Kahoot)

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Sonia Melandri

Consulta il sito web di Francesco Paolucci

Consulta il sito web di Giovanni Valenti

Consulta il sito web di Giovanni Valenti