00125 - CHIMICA FISICA I

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze di Termodinamica applicabili a sistemi di interesse chimico in condizioni di equilibrio. Utilizza la Termodinamica classica nello studio di equilibri di fase in sistemi monocomponente e pluricomponente, nello studio di proprietà di miscele e soluzioni ioniche e non ioniche, e nella trattazione dell'equilibrio chimico. Lo studente acquisisce le competenze necessarie per comprendere i principi fisici che soggiacciono alla chimica ed è introdotto alle applicazioni della termodinamica a problemi di Impianti Chimici, di Scienza dei Materiali e di Biochimica anche con l'ausilio di strumentazione e tecnologia informatica.

Contenuti

Il corso comprende lezioni sui seguenti argomenti:

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. Il fattore di compressibilità. I coefficienti del viriale e l'equazione di stato del viriale. La condensazione. Le costanti critiche. L'equazione di stato di van der Waals. Le caratteristiche dell'equazione e la sua affidabilità. Il principio degli stati corrispondenti.

Il primo principio della termodinamica. Definizione di lavoro, calore ed energia interna. L'espressione generale del lavoro. Il lavoro di espansione. L'espansione libera e contro una pressione costante. L'espansione reversibile. L'espansione reversibile isoterma. Le transizioni termiche. La calorimetria e la capacità termica. Funzioni di stato e funzioni di percorso. Differenziali esatti e inesatti. I cambiamenti dell'energia interna. L'esperimento di Joule. Le variazioni della energia interna a pressione costante. La definizione di entalpia; la misura della variazione di entalpia; la variazione di entalpia al variare della temperatura. La relazione tra le capacità termiche. Le trasformazioni adiabatiche. Il lavoro nelle trasformazioni adiabatiche. Le variazioni dell'entalpia a volume costante. La compressibilità isotermica. L'effetto di Joule-Thompson. La relazione tra Cv e Cp.

La 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.

Il secondo principio della termodinamica. L'entropia. La definizione termodinamica dell'entropia. L'entropia come funzione di stato. La temperatura termodinamica. La disuguaglianza di Clausius. 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 misura dell'entropia.

Il terzo principio della termodinamica. Il teorema di Nernst. L'entropia basata sul terzo principio.

L'energia di Helmholts e l'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. La variazione dell'energia interna con il volume. Le proprietà dell'energia di Gibbs. La variazione dell'energia di Gibbs con la temperatura e con la pressione.

Le trasformazioni fisiche delle sostanze pure. I diagrammi di stato. La stabilità delle fasi e i limiti delle fasi. Punti critici e punti di ebollizione, punti di fusione e punti tripli. Illustrazione di alcuni tipici diagrammi di stato. 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. La definizione di tensione superficiale. L'azione capillare. I fluidi supercritici.

Le miscele semplici. La descrizione termodinamica delle miscele. Le grandezze parziali molari: il volume parziale molare, 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. Varie definizioni di attività. Definizione del potenziale chimico standard per i componenti delle soluzioni ideali e reali. Le proprietà colligative.L'innalzamento ebullioscopico, l'abbassamento crioscopico. la solubilità, l'osmosi. Lo stato standard biologico.

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.

L'equilibrio chimico. Le reazioni chimiche spontanee. Il minimo dell'energia di Gibbs. L'energia di Gibbs di reazione. Reazioni endoergoniche ed esoergoniche. L'equilibrio chimico in vari sistemi: tra gas ideali, tra gas reali, per reazioni in soluzione, per reazioni eterogenee. Gli equilibri nei sistemi biologici. La risposta dell'equilibrio alle variazioni di temperatura o della pressione. L'equazione di van't Hoff.

L'equilibrio in elettrochimica. La definizione di potenziale chimico e di stato standard per gli ioni in soluzione. Le attività degli ioni: la definizione di attività, I coefficienti di attività medi. La legge limite di Debye-Huckel. Equilibrio chimico in soluzioni elettrolitiche. Risposta dell'equilibrio al pH. Gli equilibri tra ioni in soluzione acquosa. Le celle elettrochimiche. I potenziali standard e le loro applicazioni.

Le interazioni molecolari. Le proprietà elettriche delle molecole. Il momento di dipolo elettrico e la polarizzabilità. Le permettività relative e l'indice di rifrazione. Le interazioni tra dipoli: l'energia potenziale di interazione, interazioni dipolo-dipolo, interazioni dipolo-dipolo indotto, forze di dispersione. L'interazione attrattiva totale. Le interazioni repulsive. Il potenziale totale a sfere rigide e quello di Lennard-Jones. Il legame a idrogeno.

La teoria cinetica dei gas. Pressione e velocità molecolare. Frequenza d'urto. Il cammino libero medio. Gli urti contro la parete e contro le superfici. La velocità di effusione.

Esercitazioni numeriche in aula su problemi chimici relativi agli argomenti trattati nella teoria.

Testi/Bibliografia

Testi/Bibliografia

- P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica. Quinta edizione Zanichelli, Bologna.

- D. A. Mc Quarrie, J. D. Simon, Chimica Fisica. Zanichelli, Bologna.

- R. Chang, Chimica Fisica. Volumi 1, 2, Zanichelli, Bologna.

- A. Gambi Esercizi di Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna.

Metodi didattici

Ogni lezione consiste nella spiegazione dettagliata dei vari argomenti del corso, fatta con l'ausilio di formule, diagrammi e grafici proiettati su schermi per facilitare e velocizzare la comprensione. A ogni argomento il docente abbinerà la risoluzione di una serie di esercizi numerici. Gli studenti saranno stimolati a partecipare attivamente alle soluzioni fornendo suggerimenti e indicazioni. Gli esercizi proposti sono esemplificativi dei problemi di carattere chimico fisico risolvibili sulla base delle nuove competenze acquisite.

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 è costituito da due prove, scritta e orale. Nella prova scritta, che precede d'obbligo quella orale, lo studente dovrà risolvere alcuni problemi e/o esercizi sulla la determinazione di proprieta' e grandezze chimico fisiche, dimostrando di aver capito il significato delle numerose equazioni che caratterizzano lo studio della termodinamica chimica. Qualora sia richiesto nel testo dei problemi lo studente sarà tenuto a realizzare uno o più grafici. Il tempo messo a disposizione dello sudente è in genere di 4 ore. E' necessario presentarsi con una calcolatrice scientifica. E' possibile consultare libri e appunti, anche propri. La prova scritta è superata se lo studente totalizza 18 punti su 30. I 30 punti totali sono suddivisi sui vari esercizi a discrezione del docente. Superata la prova scritta lo studente è ammesso alla prova orale.

Per superare la prova orale lo studente dovrà rispondere ad alcune domande su argomenti dell'insegnamento dettati a lezione totalizzando almeno 18 punti su 30.

La media dei voti conseguiti nelle prove scritta e orale costituirà il voto finale espresso in trentesimi.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore, lavagna e gesso, fotocopie, file in formato pdf  con il materiale didattico delle lezioni, reperibili anche tramite username e password presso AMS Campus - AlmaDL - dell' Universita'  di Bologna.

 

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Elisabetta Venuti

Consulta il sito web di Elisabetta Canè