67035 - CHIMICA FISICA

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.

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).

L’insegnamento fornisce i fondamenti concettuali e metodologici della chimica fisica, con particolare attenzione all’analisi termodinamica e cinetica dei processi chimici, nonché ai principi quantistici alla base della struttura e delle proprietà molecolari. I contenuti sono organizzati in tre moduli principali, in coerenza con gli obiettivi formativi del corso di studio, e sono integrati da esercitazioni pratiche e numeriche mirate allo sviluppo delle abilità applicative.

Parte I TERMODINAMICA

Gas: ideali e reali

• Stati di aggregazione della materia e loro proprietà
• Equazione di stato del gas ideale
• Miscele di gas ideali e legge di Dalton delle pressioni parziali
• Limiti di validità dell’equazione del gas ideale
• Gas reali: introduzione alle forze intermolecolari
• Comportamento reale della CO₂ al variare di P, T e volume molare
• Punto critico e significato fisico
• Fattore di compressibilità Z e suo uso per valutare deviazioni dall’idealità
• Equazione del viriale: sviluppo in serie per i gas reali
• Equazione di Van der Waals

Sistemi termodinamici e Primo principio

• Sistemi termodinamici: aperti, chiusi, isolati, adiabatici.
• Lavoro e calore come forme di trasferimento di energia.
• Primo principio della termodinamica.
• Lavoro meccanico: espansione libera, contro pressione costante, reversibile.
• Calore a volume costante. Funzioni di stato e differenziali esatti.
• Derivate parziali dell’energia interna. Capacità termiche a volume e a pressione.

• Energia interna e capacità termica di un gas perfetto.
• Definizione e significato dell’entalpia.
• Relazione tra entalpia, energia interna e calore a pressione costante.
• Espansioni isoterme e adiabatiche di un gas perfetto.

Termochimica

• Variazioni di entalpia standard.
• Entalpia di reazione, combustione, formazione.
• Dipendenza dell’entalpia dalla temperatura: legge di Kirchhoff.

Secondo principio e entropia; Terzo principio

• Trasformazioni spontanee e secondo principio della termodinamica.
• Entropia: definizione e variazione in processi caratteristici (espansione, riscaldamento, transizioni di fase).
• Terzo principio: entropie assolute.
• Entropia di reazione e relazione con la spontaneità.
• Energie libere di Gibbs e di Helmholtz e relazione con la spontaneità del processo.
• Potenziali chimici

Energia di Gibbs

• Energia di Gibbs di reazione.
• Combinazione primo e secondo principio.
• Equazione di Gibbs-Helmholtz.
• Dipendenza di ΔG da temperatura e pressione.

Stabilità Termodinamica e diagrammi di fase

• Criteri di stabilità termodinamica.
• Dipendenza di ΔG e transizioni di fase.
• Diagrammi P-T di sostanze pure, punto triplo e punto critico.
• Equazioni di Clapeyron e Clausius-Clapeyron per i limiti di fase.

Fasi e soluzioni

• Regola delle fasi di Gibbs.
• Grandezze parziali molari: volume ed energia di Gibbs.
• Entropia di mescolamento. Miscele ideali e legge di Raoult.
• Potenziale chimico in soluzioni ideali e reali.

Proprietà colligative

• Abbassamento della pressione di vapore. Innalzamento ebullioscopico e abbassamento crioscopico.
• Pressione osmotica.
• Soluzioni diluite: legge di Henry.

Sistemi a due componenti

• Diagrammi liquido-vapore: P–X e T–X.
• Localizzazione delle fasi e regola della leva.
• Distillazione semplice e frazionata.
• Azeotropi, deviazioni dalla legge di Raoult.
• Diagrammi T–X liquido–liquido e solido–liquido.
• Punti eutettici e composti di formazione (cenni).

Equilibrio chimico

• Grado di avanzamento, energia di Gibbs e quoziente di reazione.
• Costante di equilibrio (Kp, Kc, Kx).
• Attività e stati standard.
• Effetti di temperatura e pressione sull’equilibrio.
• Equazione di Van’t Hoff.

Elettrochimica

• Celle galvaniche ed elettrolitiche. Elettrodi, anodo e catodo.
• Semireazioni e potenziale di cella.
• Relazione tra ΔG e potenziale di cella.
• Equazione di Nernst.
• Costante di equilibrio e potenziale standard.
• Serie elettrochimica e dipendenza da temperatura.
• Coefficienti di attività ionici. Legge limite di Debye-Hückel.

PARTE II 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.

Parte III 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

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 per lo studio sarà l'utilizzo di materiale distribuito dai docenti e 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 competenze acquisite durante le ore di lezione di teoria. 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 e valutazione dell'apprendimento

L’esame si compone di una prova scritta e di una prova orale che vengono svolte in successione nello stesso appello.

La prova scritta consiste di tre problemi numerici e di due domande a risposta aperta. Per lo svolgimento della prova scritta è utilizzabile unicamente la calcolatrice e un formulario (comprendente una copia della tavola periodica) preventivamente messo a disposizione su Virtuale.

Tempo fornito per la prova scritta: 120 minuti

Il colloquio orale, che si svolgerà a seguire, consiste di almeno due quesiti inerenti argomenti svolti nel corso (inclusa la parte teorica del corso di laboratorio), per una durata complessiva minima di 45 minuti

Il voto complessivo assegnato per entrambe le prove orale e scritta ha il valore massimo di 22/30, e l’esame si intende superato con una valutazione minima di 13/30.

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 qui sotto riportata)

Modalità di verifica dell' apprendimento dell'insegnamento 67037

Per ogni esperienza di laboratorio è richiesta la redazione da parte del gruppo di lavoro di una relazione sintetica, utilizzando il modello fornito dal docente, nella quale sono richiesti unicamente i dati sperimentali. Le relazioni sintetiche devono essere consegnate entro la sessione di laboratorio successiva, oppure, per l’ultima esperienza, entro 8 giorni dal suo svolgimento.

Almeno 24 ore prima della prova di esame finale si richiede la consegna, in forma digitale (Word oppure PDF), di una singola relazione di laboratorio dettagliata individuale su un’esperienza a scelta dello studente, redatta seguendo le indicazioni esposte dal docente durante il corso di laboratorio.

Il voto relativo all’insegnamento 67037 si compone della valutazione complessiva delle relazioni sintetiche di gruppo (massimo 5/30) e della relazione dettagliata individuale (massimo 5/30), per un massimo totale di 10/30, e si somma al voto ottenuto per l’insegnamento 67035.

N.B. La consegna, in forma digitale, della relazione dettagliata di una delle esperienze di laboratorio (a scelta dello studente), redatta secondo le modalità indicate nella parte di "Verifica dell’apprendimento” dell’insegnamento 67037, deve avvenire prima dell’esame. In caso di sua mancata consegna, la valutazione della parte di laboratorio si baserà unicamente sulle relazioni sintetiche di gruppo.

 

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

Dispense on-line.
Materiale supplementare on-line (esercitazioni, materiale bibliografico)

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisabetta Venuti

Consulta il sito web di Riccardo Tarroni