C9368 - 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

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.

1° 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.

2° 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. Il terzo principio della Termodinamica. L'entropia assoluta basata sul terzo principio.

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.

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. 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. Le soluzioni ideali e le soluzioni diluite ideali. Le soluzioni reali.

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.

Equilibrio chimico

La termodinamica delle reazioni: l'energia di Gibbs di reazione. La costante di equilibrio: la composizione all'equilibrio; la costante di equilibrio in termini di concentrazione. Effetto delle condizioni: L'effetto della temperatura; l'equazione di van't Hoff. L'effetto della compressione sulla composizione all'equilibrio.

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

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

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

Metodi didattici

Il corso è strutturato in lezioni frontali in aula con presentazione degli aspetti teorici degli argomenti trattati e con la risoluzione di esercizi 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 una prova scritta della durata di 2 ore ed una successiva prova orale. 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 6 a 10 punti per un totale di 32 punti.

Alla prova scritta segue una prova orale per verificare la conoscenza della teoria illustrata a lezione. Per superare l'esame è necessario conseguire un punteggio minimo di 18/30 allo scritto, e di dimostrare un’adeguata preparazione teorica alla prova orale. Per lo svolgimento della prova scritta è necessaria una calcolatrice scientifica ed è ammesso l’uso di libri e appunti.

Si raccomanda alle persone con DSA o disabilità temporanee o permanenti 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 docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, calcolatore portatile, lavagna.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Bizzocchi

Consulta il sito web di Francesco Segatta