00122 - CHIMICA FISICA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente conosce: - i concetti fondamentali relativi alla termodinamica, cinetica e elettrochimica di sistemi fisici, chimici, biochimici e chimico-farmaceutici e le strategie sperimentali per lo studio di tali sistemi; - gli aspetti fondamentali riguardanti l'interpretazione quantomeccanica degli insiemi atomico-molecolari e le relazioni fra struttura molecolare e proprietà macroscopiche di tali insiemi. Inoltre lo studente: - è in grado di comprendere gli aspetti energetici e cinetici dei meccanismi delle reazioni chimiche con particolare riguardo a quelle di interesse biologico, farmaceutico e farmacologico; - sa valutare criticamente la coerenza fra meccanismi ipotizzati per i sistemi chimico-fisici e i comportamenti sperimentalmente osservati; - possiede gli strumenti per comprendere argomenti relativi alla caratterizzazione strutturale dei farmaci e agli impianti dell’industria farmaceutica.

Contenuti

1. Richiami sulle leggi empiriche dei gas e il modello di gas ideale

 

1.1 Le leggi empiriche. 1.1.2. Concetto empirico di temperatura assoluta. 1.1.3. L'equazione di stato del gas ideale 1.1.4. Il significato di "postulato" e di "teoria" nelle scienze sperimentali. 1.2. Elementi di teoria cinetica dei gas. 1.3. Le miscele gassose a comportamento ideale.

 

2. Il comportamento dei gas reali

 

2.1. Le deviazioni dal comportamento ideale e le loro origini. 2.1.1. Le isoterme di un gas reale. 2.1.2. Le costanti critiche. 2.2. L'equazione di Van der Waals e le sue caratteristiche.

 

3. Termodinamica chimica: generalità e 1o Principio

 

3.1. Generalità e scopi della termodinamica chimica. 3.2. Alcuni termini importanti e loro significato in termodinamica. 3.3. 3 Calore e lavoro. 3.4. Lo "zeresimo" Principio della termodinamica: definizione termodinamica della temperatura. 3.5. Prima definizione di funzione di stato. 3.6. Energia interna di un sistema. 3.7. Il 1o Principio della termodinamica. L'energia interna è funzione di stato. 3.7.1. La convenzione dei segni. 3.7.2. Esperienza di Joule. 3.7.4. Calore specifico (e molare) a volume costante. 3.8. La funzione di stato entalpia H. 3.8.1 Calore specifico (e molare) a pressione costante. 3.9. Relazione fra Cp e Cv. 3.9.1. Dipendenza dei calori specifici dalla temperatura. 3.10. Concetto di trasformazione reversibile. 3.11. Espansione isoterma e reversibile del gas ideale. 3.12. Espansioni isoterme e irreversibili del gas ideale. 3.13. Espansione adiabatica e reversibile del gas ideale. 3.14. Espansioni adiabatiche e irreversibili del gas ideale.

 

4. Termodinamica chimica: Termochimica

 

4.1 La legge di Lavoisier-Laplace. 4.2. La formula di Kirchoff. 4.3. Stati di riferimento o stati standard. 4.4. Calore di formazione di una specie chimica. 4.5. La legge di Hess. 4.5. Calcolo delle energie di legame dai dati termochimici.

 

5. Termodinamica chimica: il 2o Principio della Termodinamica

 

5.1. Prima definizione dell'entropia e 2o Principio. 5.2. Variazioni entropiche in trasformazioni reversibili. 5.3. Variazioni entropiche in trasformazioni irreversibili. 5.4. Il S totale come criterio per stabilire la spontaneità di una trasformazione. 5.5. La funzione di stato energia libera G. Il G come criterio per stabilire la spontaneità di una trasformazione. 5.6.1. Significato fisico della funzione G. 5.8. Variazione dell'energia libera al variare della temperatura.

 

6. Termodinamica chimica: il 3o Principio della Termodinamica

 

6.1. Il teorema di Nernst. 6.2. L'estensione di Planck e Lewis-Randall. 6.2.1. La valutazione del valore assoluto di S per le sostanze. 6.2.2. Calcolo del So di una reazione chimica. 6.3. Entropia di miscela. 6.4. Entropia, probabilità, ordine e disordine. 6.5. Equazioni di Clapeyron. e di Clapeyron-Clausius. Applicazioni.

 

7. Termodinamica chimica: i potenziali chimici e la legge dell'equilibrio chimico

 

7.1. Il potenziale chimico. 7.2. L'espressione del potenziale chimico per il gas ideale. 7.3. L'espressione del potenziale chimico per il gas ideale in miscela di gas ideali. 7.4. La derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. 7.4.1 Considerazioni sulla costante di equilibrio Kp. 7.5. Influenza della pressione sulla posizione dell'equilibrio. 7.6. La costante di equilibrio in funzione delle concentrazioni, Kc. Relazione fra Kp e Kc. 7.8. Influenza della temperatura sulla costante di equilibrio.

 

8. La regola delle fasi

 

8.1. Il problema del numero minimo di variabili necessarie a descrivere un sistema termodinamico. 8.2. La regola delle fasi e sue applicazioni.

 

 

9. Equilibri in soluzione

 

9.1. Il modello di soluzione ideale. La legge di Raoult. 9.2. I potenziali chimici nell'equilibrio liquido--vapore. 9.3. Soluzioni diluite. La legge di Henry. 9.4. Soluzioni reali: attività e coefficiente di attività. 9.4.1. Determinazione dei coefficienti di attività. 9.5. Applicabilità della legge di Raoult e della legge di Henry. 9.6 Equilibri in soluzione. 9.7 Potenziali dei solidi. Equilibri eterogenei. 9.8 Liquidi parzialmente miscibili. 9.9. Proprietà colligative. 9.9.1. La pressione osmotica e la determinazione delle masse molari di composti macromolecolari. 9.10. Equilibrio di saturazione. 9.10.1. Solubilità in soluzioni reali. 9.11. Estrazione con solventi.

 

10. L'equilibrio elettrochimico

 

10.1. I potenziali degli ioni in soluzione. 10.2. Pile o celle galvaniche: definizioni e convenzioni.  10.3. Forza elettromotrice (f.e.m.) di una pila: l'equazione di Nernst. 10.4. Potenziale d'elettrodo, scala elettrochimica dei potenziali. 10.5. Tipi di elettrodi. 10.6. Pile a concentrazione senza e con trasporto. Numeri di trasporto. 10.7. Il potenziale di giunzione. 10.8 Determinazione di parametri termodinamici da misure elettrochimiche. 10.9. Dipendenza della f.e.m. dalla temperatura. 10.10. Misure di forze elettromotrici. 10.11. Determinazione dei coefficienti di attività di elettroliti. 10.12. la misura del pH di soluzioni per via potenziometrica.

 

 

11. Elementi di cinetica chimica

 

11.1. Generalità e scopi della cinetica chimica. 11.2. Velocità di reazione. 11.3. Ordine di reazione. 11.4. Molecolarità. 11.5. Costante di velocità. 11.6. Reazioni del primo ordine. 11.7. Reazioni del secondo ordine e successivi. Reazioni di ordine zero e 1/2. 11.8. Metodi per stabilire l'ordine di una reazione. 11.8.1. Il tempo di dimezzamento. 11.8.2. Il metodo dell'isolamento. 11.9. Studio cinetico di alcune classi di reazioni. 11.9.1. Reazioni opposte. 11.9.2. Reazioni parallele e reazioni consecutive. 11.9.3. Un tipo particolare di reazioni consecutive: le reazioni a catena. 11.10. Dipendenza delle costanti di velocità dalla temperatura e dalla forza ionica. 11.10.1. Interpretazione dell'equazione di Arrhenius in base all'ipotesi degli urti fra le molecole. 11.11. Cenni di dinamica di reazione molecolare. 11.11.1. Cenni di teoria degli urti. 11.11.2. Cenni di teoria dello stato di transizione. 11.12. Catalisi omogenea. 11.12.1. La catalisi enzimatica. Autocatalisi.

 

12. Sistemi chimici oscillanti e loro cinetica

 

12.1. La storia della scoperta dei sistemi oscillanti con particolare riguardo alla reazione di Belousov-Zhabotinsky (reazione BZ). 12.2. La reazione BZ in pratica 12.2.1. Il meccanismo FKN per la reazione BZ. 12.3. Condizioni necessarie affinchè un sistema presenti comportamento oscillante. 12.4. Metodi sperimentali per studiare la cinetica delle reazioni oscillanti. 12.5. I diversi tipi di catalizzatori per la reazione BZ. 12.6 Cenni sulla reazione oscillante di Briggs-Rauscher. 12.7. Cenni su alcunioscillatori biologici.

 

13. Elementi di Chimica quantistica

 

13.1. Dualismo corpuscolare-ondulatorio delle particelle. 13.2. Elementi di struttura atomica: l'equazione di Schroedinger. Cenni sulla struttura molecolare.

Testi/Bibliografia

S. Capasso, La Chimica Fisica attraverso esercizi, Loghia

R. Cervellati, Lezioni di cinetica chimica sperimentale e interpretativa, Edizioni CompoMat, Configni, RI, 2011, 15 euro

R. Chang, Chimica Fisica 1, Zanichelli, Bologna

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni numeriche

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso il solo esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una prova scritta della durata di 3 ore senza l'aiuto di appunti o libri, seguita da una prova orale a carattere facoltativo.

La prova scritta consiste in 5 problemi numerici, ciascuno seguito da una domanda a risposta aperta. Due problemi fanno riferimento alla termodinamica chimica, uno all'elettrochimica, uno alla cinetica chimica e il quinto ai fondamenti della chimica quantistica. I problemi numerici intendono accertare la comprensione degli aspetti energetici e dinamici delle reazioni chimiche con particolare riguardo a quelle di interesse biologico, farmaceutico e farmacologico. Le domande a risposta aperta intendono valutare la capacità di una corretta espressione scritta dei concetti appresi.

Ogni quesito consente di ottenere un massimo di 6 punti. L'esame scritto si intende superato se viene raggiunto il punteggio complessivo minimo di 18 punti. Gli studenti che desiderano migliorare l'esito dell'esame scritto possono sostenere una prova orale che verte sugli stessi argomenti.

Strumenti a supporto della didattica

videoproiettore, lavagna luminosa

Link ad altre eventuali informazioni

http://www.unibo.it/docenti/rinaldo.cervellati

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Rinaldo Cervellati