98836 - FONDAMENTI DI CHIMICA FISICA

Conoscenze e abilità da conseguire

L’insegnamento si propone di fornire le nozioni base di termodinamica classica applicata ai sistemi chimici, in particolare allo studio quantitativo dell'equilibrio chimico in sistemi in fase gas o condensata e in sistemi eterogenei. Gli studenti saranno in grado di: calcolare la costante di equilibrio, determinare la sua dipendenza dalle condizioni fisiche del sistema, e calcolare la composizione all'equilibrio, anche in presenza di equilibri multipli, stabilire se una reazione sia spontanea nelle condizioni date. Inoltre, gli studenti saranno capaci di leggere e interpretare i diagrammi di fase di sistemi monocomponente e multicomponente per trattare le condizioni di equilibrio fisico a applicarle alle tecniche di separazione dei componenti delle soluzioni. Gli studenti sapranno calcolare le costanti cinetiche e stabilire gli ordini di reazione a partire da misure sperimentali di composizione in funzione del tempo arrivando a determinare la legge cinetica della reazione in esame e sapranno determinare come essa dipenda dalla temperatura e gli eventuali effetti catalitici.

Contenuti

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Prerequisiti

La conoscenza del programma di Matematica della Scuola Secondaria Superiore, con particolare riguardo alle nozioni elementari del calcolo differenziale e integrale. Alcuni aspetti di queste tematiche, di particolare rilevanza per lo studio della Chimica Fisica, verranno ripresi e integrati durante il corso.

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. La temperatura critica. Il fattore di compressibilità. Le equazioni di stato del gas reale. La liquefazione dei gas.

Primo principio della termodinamica

• Definizione di lavoro, calore ed energia interna. Il lavoro di espansione. L'espansione reversibile. Le transizioni termiche. La calorimetria e la capacità termica. Funzioni di stato e funzioni di percorso. I cambiamenti dell'energia interna. La definizione di entalpia. La misura della variazione di entalpia. Dipendenza dell'entalpia dalla temperatura. La relazione tra le capacità termiche. Le trasformazioni adiabatiche. Il lavoro nelle trasformazioni adiabatiche. L'effetto di Joule-Thompson.

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.

Secondo principio della termodinamica

• L'entropia. La definizione termodinamica dell'entropia. L'entropia come funzione di stato. 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 disuguaglianza di Clausius. Il terzo principio della Termodinamica. L'entropia assoluta basata sul terzo principio.
  

Energia di Gibbs

• 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. 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 generale di equilibrio materiale a temperatura e pressione costanti.

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 e 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. La relazione dell'attività con la quantità di sostanza. Definizione del potenziale chimico standard per i componenti delle soluzioni ideali e reali. Le proprietà colligative.

• 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

• La termodinamica delle reazioni: l'energia di Gibbs di reazione; la variazione dell'energia di Gibbs di reazione con la composizione; reazioni all'equilibrio; l'energia di Gibbs di reazione standard.

• La costante di equilibrio: la composizione all'equilibrio; la costante di equilibrio in termini di concentrazione; L'interpretazione microscopica delle costanti di equilibrio.

• Effetto delle condizioni: L'effetto della temperatura; l'equazione di van't Hoff. L'effetto della compressione sulla composizione all'equilibrio.

• La presenza di un catalizzatore. Ioni in soluzione: i coefficienti di attività ionici medi; la teoria di Debye-Hückel; la migrazione degli ioni.

Cinetica chimica

• La cinetica chimica empirica: la definizione di velocità; tecniche sperimentali. Le leggi cinetiche: la costante cinetica; l'ordine di reazione; la determinazione delle leggi cinetiche.
  

• Le leggi cinetiche integrate: reazioni di ordine zero; reazioni del 1° ordine;reazioni del 2° ordine; tempo di dimezzamento. La dipendenza delle velocità di reazione dalla temperatura: i parametri di Arrhenius; la teoria degli urti per reazioni in fase gas; la teoria dello stato di transizione.

Testi/Bibliografia

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

Testo consigliato

• P. Atkins, J. De Paula, Elementi di Chimica Fisica. Quarta edizione italiana Zanichelli, Bologna.

Durante l'attività formativo lo studente può avvalersi del seguente testo di esercizi risolti per le applicazioni numeriche più semplici.

• A. Gambi Esercizi di Chimica Fisica, 2° edizione Zanichelli, Bologna.

Metodi didattici

Lezioni frontali

Ogni lezione consiste nell'esposizione ragionata dei contenuti del programma, coadiuvata dalla descrizione di diagrammi e grafici proiettati su schermo per facilitare la comprensione. Nei casi ritenuti più istruttivi il docente abbinerà la risoluzione di esercizi e problemi numerici.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

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

· conoscenza approfondita degli argomenti di termodinamica classica e cinetica chimica illustrati durante le lezioni frontali.

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

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso un'unica prova scritta della durata di 2 ore. Per sostenere la prove d'esame è necessaria l'iscrizione tramite bacheca elettronica. La prova scritta consiste in 4 quesiti, che sono problemi numerici relativi agli argomenti di termodinamica di equilibrio di sistemi chiusi (1), equilibrio fisico (1), equilibrio chimico (1) e  cinetica chimica (1). Ogni quesito consente di ottenere da 5 a 8 punti per un totale di 30 punti. Per superare l'esame è necessario conseguire un punteggio minimo di 18/30. Per lo svolgimento della prova scritta è necessaria una calcolatrice scientifica ed è ammesso l’uso di libri e appunti.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore e lavagna convenzionale.

File in formato .pdf con il materiale didattico delle lezioni, slide di teoria e degli esercizi risolti discussi a lezione, testi di prove scritte d'esame con le soluzioni scritte dal docente.

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

In alternativa possono essere richiesti al docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Bizzocchi

Consulta il sito web di Francesco Segatta