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CHIMICA FISICA (011FA)

A.A. 2021 / 2022

Periodo 
Secondo semestre
Crediti 
8
Durata 
64
Tipo attività formativa 
Base
Percorso 
[PDS0-2019 - Ord. 2019] comune
Syllabus 
Lingua insegnamento 

Italiano

Obiettivi formativi 

Conoscenza e capacità di comprensione
La frequenza al corso consentira' agli studenti di:
- acquisire il linguaggio di base della termodinamica
- apprendere i principi fondamentali della termodinamica classica
- comprendere la connessione fra i principi generali della termodinamica classica e i fenomeni di interesse piu' specificamente chimico
- conoscere e comprendere le leggi empiriche che regolano la velocita' delle reazioni chimiche
- conoscere i meccanismi di reazione di alcune reazioni chimiche complesse
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente che avra’ frequentato con profitto il corso sarà in grado di:
- interpretare i processi reali in termini termodinamici
- valutare la spontanietà di un processo chimico
- prevedere l’influenza di temperatura e pressione sui processi di interesse chimico
- interpretare i diagrammi di fase per sistemi a 2 componenti
- valutare gli aspetti cinetici generali di un processo chimico
- risolvere esercizi numerici di chimica fisica

Autonomia di giudizio
Utilizzare in modo critico i concetti astratti acquisiti e saperli interconnetere. Lo studente sara’ capace di inquadrare le informazioni da un punto di vista quantitativi e di sfruttare i concetti astratti acquisiti durante il corso per capire un problema reale

Abilità comunicative
Acquisizione e utilizzo del linguaggio specifico rigoroso per poter esporre correttamente gli argomenti trattati nel corso

Capacità di apprendimento
I concetti di base della termodinamica classica e della cinetica empirica acquisiti durante il corso rappresenteranno un background solido con cui poter approfondire in modo autonomo aspetti specifici di studi successivi in diverse discipline

Prerequisiti 

Gli studenti che accedono a questo insegnamento devono conoscere la chimica generale ed aver acquisito le nozioni di base per il calcolo di derivate, integrali e soluzioni di semplici equazioni differenziali

Contenuti 

Chimica Fisica
PARTE I : Termodinamica classica
- Descrizione di sistemi macroscopici
Natura della Termodinamica. Sistema termodinamico e ambiente. Stato di un sistema e proprietà termodinamiche. Variazione delle proprietà del sistema e processo termodinamico. Processi reversibili e irreversibili.
- La prima legge della Termodinamica
Calore e lavoro. Energia interna e prima legge della termodinamica. Il lavoro di volume. Calcolo del lavoro di volume. Lavoro reversibile ed irreversibile. Calore e capacità termica.
Entalpia e capacità termica a pressione costante.
- Termochimica
Legge d' Hess. Entalpie standard di formazione. Entalpia standard di reazione. Utilizzo dei dati termochimici e calcolo delle entalpie standard di reazione. Calorimetri adiabatici e misura dei calori di reazione. Effetto della temperatura sull’entalpia di reazione e legge di Kirchhoff.
- La seconda legge della Termodinamica
Il verso dei processi spontanei. Definizione di entropia. Calcoli di variazioni di entropia per processi caratteristici. Il ciclo di Carnot.
Enunciato del secondo principio della termodinamica. Variazioni di entropia in processi reversibili. Variazioni di entropia in processi irreversibili. Criterio di spontaneita'. Criterio di spontaneità a T,P costanti.
- Le proprietà dell’ energia di Gibbs.
Definizione di energia di Gibbs. Energia di Gibbs e spontaneità di un processo. Dipendenza dell’energia di Gibbs da pressione e temperatura. Energia di Gibbs molare. Gli equilibri di fase nelle sostanze pure. Diagrammi di fase per sistemi ad un componente: equazione di Clapeyron. L’equazione di Clausius-Clapeyron
- Le miscele semplici
Sistemi a piu’ componenti e grandezze parziali molari. Dipendenza dell’energia di Gibbs dalla composizione. Il potenziale chimico di un componente nella fase liquida. Soluzioni ideali e legge di Raoult. Legge di Henry. Regola delle fasi di Gibbs. Diagrammi di fase per sistemi a due componenti. La regola della leva. Diagrammi P-T-composizione. Gli azeotropi. La distillazione delle miscele liquide. I diagrammi di stato liquido-liquido. I diagrammi di stato liquido-solido. Le proprietà colligative: abbassamento crioscopico, innalzamento ebullioscopico, pressione osmotica.
- Trattamento termodinamico dell’equilibrio chimico
Grado di avanzamento di una reazione. Variazione dell’energia di Gibbs con il grado di avanzamento della reazione. Costante di equilibrio ed energia di Gibbs standard di reazione. Effetto della temperatura sulla costante di equilibrio ed equazione di van't Hoff . Effetto della pressione.

PARTE II: Cinetica chimica
- La velocita di reazione. Legge di velocità e costante di velocità. Ordine di reazione. Le reazioni del primo ordine . Le reazioni del secondo ordine. Il tempo di dimezzamento. Processi elementari e leggi di velocità dei processi elementari. Meccanismi di reazione.
Dipendenza della velocita' dalla Temperatura e legge di Arrhenius.
- Cinetica di reazioni complesse
Le reazioni consecutive. l'approssimazione dello stato stazionario. Il pre-equilibrio.
Catalisi enzimatica ed equazione di Michaelis- Menten

Metodi didattici 

L'insegnamento consta di lezioni teoriche svolte in aula . Vengono derivati e discussi alla lavagna tutti i passaggi formali. Alla fine di specifici argomento vengono svolti alla lavagna esercizi numerici. Le slides utilizzate durante il corso sono messe a disposizione degli studenti sulla piattaforma MOODLE.
Eventuali cambiamenti alle modalità qui descritte, che si rendessero necessari per garantire l'applicazione dei protocolli di sicurezza legati all'emergenza COVID19, saranno comunicati nel sito web di Dipartimento, del Corso di Studio e dell'insegnamento”

Programma esteso 

PARTE I : Termodinamica classica
- Descrizione di sistemi macroscopici
Natura della Termodinamica. Sistema termodinamico e ambiente. Stato di un sistema e proprietà termodinamiche. Variazione delle proprietà del sistema e processo termodinamico. Processi reversibili e irreversibili.
- La prima legge della Termodinamica
Calore e lavoro. Energia interna e prima legge della termodinamica. Il lavoro di volume. Calcolo del lavoro di volume. Lavoro reversibile ed irreversibile. Calore e capacità termica.
Entalpia e capacità termica a pressione costante.
- Termochimica
Legge d' Hess. Entalpie standard di formazione. Entalpia standard di reazione. Utilizzo dei dati termochimici e calcolo delle entalpie standard di reazione. Calorimetri adiabatici e misura dei calori di reazione. Effetto della temperatura sull’entalpia di reazione e legge di Kirchhoff.
- La seconda legge della Termodinamica
Il verso dei processi spontanei. Definizione di entropia. Calcoli di variazioni di entropia per processi caratteristici. Il ciclo di Carnot.
Enunciato del secondo principio della termodinamica. Variazioni di entropia in processi reversibili. Variazioni di entropia in processi irreversibili. Criterio di spontaneita'. Criterio di spontaneità a T,P costanti.
- Le proprietà dell’ energia di Gibbs.
Definizione di energia di Gibbs. Energia di Gibbs e spontaneità di un processo. Dipendenza dell’energia di Gibbs da pressione e temperatura. Energia di Gibbs molare. Gli equilibri di fase nelle sostanze pure. Diagrammi di fase per sistemi ad un componente: equazione di Clapeyron. L’equazione di Clausius-Clapeyron
- Le miscele semplici
Sistemi a piu’ componenti e grandezze parziali molari. Dipendenza dell’energia di Gibbs dalla composizione. Il potenziale chimico di un componente nella fase liquida. Soluzioni ideali e legge di Raoult. Legge di Henry. Regola delle fasi di Gibbs. Diagrammi di fase per sistemi a due componenti. La regola della leva. Diagrammi P-T-composizione. Gli azeotropi. La distillazione delle miscele liquide. I diagrammi di stato liquido-liquido. I diagrammi di stato liquido-solido. Le proprietà colligative: abbassamento crioscopico, innalzamento ebullioscopico, pressione osmotica.
- Trattamento termodinamico dell’equilibrio chimico
Grado di avanzamento di una reazione. Variazione dell’energia di Gibbs con il grado di avanzamento della reazione. Costante di equilibrio ed energia di Gibbs standard di reazione. Effetto della temperatura sulla costante di equilibrio ed equazione di van't Hoff . Effetto della pressione.

PARTE II: Cinetica chimica
- La velocita di reazione. Legge di velocità e costante di velocità. Ordine di reazione. Le reazioni del primo ordine . Le reazioni del secondo ordine. Il tempo di dimezzamento. Processi elementari e leggi di velocità dei processi elementari. Meccanismi di reazione.
Dipendenza della velocita' dalla Temperatura e legge di Arrhenius.
- Cinetica di reazioni complesse
Le reazioni consecutive. l'approssimazione dello stato stazionario. Il pre-equilibrio.
Catalisi enzimatica ed equazione di Michaelis- Menten

Modalità di verifica dell'apprendimento 

La verifica dell’apprendimento avviene mediante un test scritto superato il quale si puo’ accedere alla prova orale. La prova orale consiste in almeno 2 questiti di termodinamica e almeno un questito di cinetica. Gli studenti devono dimostrare di aver acquisito : il linguaggio e la terminologia tenica corretti ; i concetti fondamentali trattati nel corso; la capacità di inquadrare ed esporre chiaramente gli argomenti. Il voto dell’esame si basa sul risultato della prova orale ed è espresso in trantesimi.
Eventuali cambiamenti alle modalità qui descritte, che si rendessero necessari per garantire l'applicazione dei protocolli di sicurezza legati all'emergenza COVID19, saranno comunicati agli studenti”

Altre informazioni 

Le slides delle lezioni frontali sono disponibili sulla piattaforma MOODLE

Testi di riferimento 

Peter W. Atkins, J. de Paula - CHIMICA FISICA - Zanichelli.


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