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Tirocinio formativo attivo (TFA) Chimica Fisica Dr. Sergio Brutti Calendario Venerdì 7/6/2013 Lunedì 10/6/2013 Giovedì 13/6/2013 Venerdì 14/6/2013 Venerdì 14/6/2013 - Dr. Sergio Brutti Dr. Sergio Brutti Prof. R.Teghil Prof.ssa C.Minichino Prof.ssa C.Minichino Le lezioni si terranno sempre nella sala-biblioteca del dipartimento di Scienze L’insegnamento della Chimica Fisica nella classe concorsuale A013 Contenuti di chimica fisica nell’ambito dell’insegnamento della classe A013 Argomenti Materiale e percorsi di insegnamento didattico (slides) disponibili all’indirizzo www2.unibas.it/sbrutti/TFA Programma ministeriale classe A013 – chimica fisica Fonte: Decreto ministeriale del 11 agosto 1998 N°357 (SO n.192 del 18.11.98 GU 18-11-98 n.270) - programmi di accesso al SSIS classe 13/A Premessa: le parti del programma ministeriale riguardanti argomenti chimico-fisici sono sempre difficilmente distinguibili da quelli che ricadono sotto la denominazione “chimica generale” e in misura minore da quelli di “chimica analitica”. Programma ministeriale classe A013 – chimica fisica Natura della materia (sovrapposizione chim. generale/chimica fisica) L'atomo ed i suoi costituenti. Teorie atomiche. Le regole quantiche. Orbitali atomici. Orbitali molecolari. Ibridizzazione. Configurazioni elettroniche degli elementi. La tavola periodica. Le combinazioni degli atomi e molecole. Geometria molecolare Programma ministeriale classe A013 – chimica fisica Gli stati di aggregazione della materia (sovrapposizione chimica generale/chimica fisica) Lo stato solido. Il reticolo cristallino. Vari tipi di cristalli. Difetti nelle strutture dei solidi. Struttura dei metalli. Semiconduttori Lo stato gassoso. Leggi empiriche. Teoria cinetica dei gas. Legge di Graham. I gas reali. Deviazione dal comportamento ideale. Equazione di Van der Waals. Lo stato liquido. Equilibrio di fasi. Le soluzioni. I colloidi. Modello di soluzione ideale. La legge di Raoult. I potenziali chimici. Soluzioni diluite. La legge di Henry. Soluzioni reali: attività e coefficiente di attività. Equilibrio chimico costante d'equilibrio, fattori che influenzano l'equilibrio. Programma ministeriale classe A013 – chimica fisica Elettrochimica Conducibilità delle soluzioni elettrolitiche. Potenziali degli ioni in soluzione. Elettrolisi. Celle galvaniche. Equazione di Nernst. Potenziale d'elettrodo. Tipi di elettrodi. (sovrapposizione chimica analitica/chimica fisica) Conduttimetria. Elettrodeposizione. Potenziometria. Amperometria. Coulombometria. Polarografia. Stripping anodico. Programma ministeriale classe A013 – chimica fisica Cinetica chimica La velocità di reazione e fattori che la influenzano. Ordine della reazione. Costante di velocità. Equazione cinetica. Meccanismi di reazione. Teoria degli urti . Catalisi. Catalizzatori L'impiego dei catalizzatori nelle reazioni chimiche su scala industriale. Teoria della catalisi. Problemi connaturati alla conduzione di una reazione realizzata in presenza di un catalizzatore. Programma ministeriale classe A013 – chimica fisica Termodinamica Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio. Programma ministeriale classe A013 – chimica fisica Analisi spettrofotometriche in emissione ed in assorbimento Leggi di propagazione delle onde elettromagnetiche. Interazione energia-materia. Regole di selezione. Intensità ed ampiezza delle righe spettrali. Spettrografia. Quantometria. Plasma. Emissione di fiamma. Spettrofotometria in assorbimento atomico. Spettrofotometria W-VIS. Spettrofotometria I.R. Turbidimetria e nefelometria. Spettrofotometria di rilassamento. Analisi polarimetriche. Spettrometria di massa. Strategia del TFA – chimica fisica La strategia di insegnamento si focalizza nell’affrontare un argomento specifico per lezione nell’ambito dei contenuti disciplinari definiti nel decreto ministeriale n. 357. L’obiettivo è quello di consolidare le strategie di insegnamento di argomento specifico di apprendimento. La proposta operativa si articola per punti ed è adattabile ed estendibile ad altri argomenti. In particolare ogni argomento verrà proposto secondo questo schema: Strategia del TFA – chimica fisica 1. Individuazione di un percorso formativo 2. Identificazione del linguaggio specifico 3. Definizione dell’obiettivo formativo 4. Individuazione dei prerequisiti disciplinari e non disciplinari 5. Trattazione degli argomenti 6. Identificazione delle criticità (livelli di competenza matematica e di fisica/chimica di base) 7. Sperimentazione in laboratorio 8. Metodi di verifica dell’apprendimento Percorso proposto TERMODINAMICA Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio. Percorso proposto: Termodinamica Definizione generale La termodinamica si occupa dello studio delle variazioni di energia che accompagnano un processo chimicofisico in un sistema aperto/chiuso Criticità numero 1: Identificazione di un linguaggio specifico Energia Processo chimicofisico Sistema aperto/chiuso Il linguaggio specifico rappresenta una delle criticità comuni a tutti gli ambiti disciplinari della classe A013 Percorso proposto: Termodinamica Identificazione di un linguaggio specifico Universo Spazio delle osservazioni: è diviso in 2 porzioni - sistema e ambiente Sistema Porzione dell’universo nella quale hanno luogo le trasformazioni (es. provetta) Ambiente Porzione dell’universo in cui compiamo le osservazioni sul sistema. Esso è separato dal sistema da una “superficie di confine” (es. laboratorio) Percorso proposto: Termodinamica Identificazione di un linguaggio specifico Sistema aperto Sistema in grado di scambiare materia con l’ambiente circostante Sistema chiuso Sistema non in grado di scambiare materia con l’ambiente circostante Sistema adiabatico Sistema non in grado di scambiare energia con l’ambiente Sistema isolato Sistema non in grado di scambiare materia ed energia con l’ambiente Percorso proposto: Termodinamica Identificazione di un linguaggio specifico (anche visivo) Massa Sistema Energia Ambiente Criticità numero 2: Dare concretezza alle definizione mediante degli esempi Percorso proposto: Termodinamica Tornando alla definizione generale La termodinamica si occupa dello studio delle variazioni di energia che accompagnano un processo chimico-fisico in un sistema aperto/chiuso Criticità numero 3-4: Calore & lavoro Percorso proposto: Termodinamica Identificazione di un linguaggio specifico Processo chimico fisico Energia Trasformazione chimico fisica di un sistema che coinvolga trasferimenti di energia Es.1 Cambiamento di fase Es.2 Reazione chimica Capacità di un sistema di compiere lavoro Lavoro Forma di energia che viene scambiata quando un sistema varia il suo contenuto energetico fornendo utilità o immagazzinando utilità futura. Forza opponente x distanza Lavoro espansivo Forma semplice di lavoro che proviene dalla compressione/espansione di un gas in un contenitore adiabatico o non–adiabatico. w=-pambiente*DV Percorso proposto: Termodinamica Forma semplice di lavoro che proviene dalla compressione/espansione di un gas in un contenitore adiabatico o non–adiabatico. w=-pambiente*DV Lavoro espansivo Parete adiabatica Criticità numero 3: Dare concretezza alle definizione mediante degli esempi Sistema (gas) pambiente Espansione – w<0 Compressione – w>0 Il sistema compie lavoro Il sistema assorbe lavoro Sistema (gas) Sistema (gas) Percorso proposto: Termodinamica Identificazione di un linguaggio specifico (anche visivo) Forma di energia che viene scambiata Calore quando un sistema varia il suo contenuto energetico senza scambiare lavoro Trasformazione chimico-fisica che Processo trasferisce energia sottoforma di esotermico calore dal sistema all’ambiente Processo endotermico Trasformazione chimico-fisica che trasferisce energia sottoforma di calore dall’ambiente al sistema Esotermico Q<0 Flusso di calore Sistema Ambiente Endotermico Q>0 Percorso proposto: Termodinamica Forma di energia che viene scambiata quando un sistema varia il suo contenuto energetico senza scambiare lavoro Calore Criticità numero 4: Dare concretezza alle definizione mediante degli esempi Parete non adiabatica Assorbimento di calore T↑ – DV=0 Sistema Q>0 (gas) Sistema (gas) pambiente Cessione di calore T↓ – DV=0 pambiente Sistema Q<0 (gas) pamb Percorso proposto: Termodinamica Effetto sulla temperatura di un sistema che non scambia lavoro con l’ambiente dovuto ad un flusso di calore Calore Criticità numero 4: Astrazione matematica Q = C·DT C = capacità termica di una sostanza, proprietà specifica di ogni materiale DT=Q/C Q>0 T(1) T(2)>T(1) T(2)=T(1)+DT Percorso proposto: Termodinamica Calore Sistema Lavoro Criticità numero 5: Convenzione dei segni W>0 Q>0 Sistema Q<0 W<0 Ambiente Obiettivo formativo : Termodinamica Finalità del percorso formativo. Esso va definito con chiarezza alla luce dei programmi ministeriali, dell’autonomia del docente e della preparazione della classe Esempio - Ricapitolazione termodinamica degli argomenti di Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio. Obiettivo formativo : Termodinamica Obiettivo A: Descrizione delle leggi fondamentali della termodinamica chimica. Razionalizzazione matematica dei principi della termodinamica. Introduzione alle funzioni di stato. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico e delle costanti di equilibrio. Esperienze di laboratorio. Obiettivo B: Descrizione elementare delle leggi fondamentali della termodinamica chimica. Razionalizzazione matematica dei principi della termodinamica. Fenomenologia dell’equilibrio chimico su basi termodinamiche. Obiettivo formativo : Termodinamica Definizione di un obiettivo formativo e strutturazione di un percorso formativo coerente. La determinazione ex ante di un percorso formativo e del livello di profondità nell’illustrazione dei contenuti proposti deve basarsi su una chiara conoscenza dei prerequisiti necessari e delle potenzialità reali dell’infrastruttura didattica. Prerequisiti disciplinari Prerequisiti non-disciplinari Dotazione dei laboratori Obiettivo formativo : Termodinamica Definizione di un obiettivo formativo e strutturazione di un percorso formativo coerente. Esempio: Descrizione delle leggi fondamentali della termodinamica chimica. Razionalizzazione matematica dei principi della termodinamica. Introduzione alle funzioni di stato. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico e delle costanti di equilibrio. Esperienze di laboratorio. Prerequisiti: Concetti base (es. reazione chimica; trasformazione di fase; Pressione; temperatura; equazione del gas ideale, principio zero) Prerequisiti: Competenze matematiche (es. logaritmo; elementi di calcolo differenziale ed integrale) Dotazione dei laboratori (es. dewar, termometri e/o termocoppie; calorimetro adiabatico; ) Obiettivo formativo : prerequisiti Stato gassoso Stato di aggregazione della materia caratterizzato da assenza di volume proprio e forma propria. Variabili di stato gassoso Proprietà intensive (P,T) ed estensive (n,V) che descrivono univocamente lo stato fisico di un gas. Mole ed argomenti correlati Insieme di 6.022 *1023 particelle. Peso atomico, peso molecolare. Criticità numero 6: Concetto di mole Obiettivo formativo : prerequisiti Pressione Temperatura Principio zero Scale termometriche Forza che insiste sull’unità di superficie: origine molecolare (urti elastici). Unità di misura (Pascal, atmosfere, bar, torr) Proprietà che indica il verso del flusso di energia tra 2 oggetti in contatto diatermico (che scambiano calore). Il flusso di energia è dall’oggetto a temperatura maggiore a quello a temperatura inferiore. Dati 3 corpi in contatto attraverso pareti diatermiche se A si trova in equilibrio termico con B e B con C, alloca anche C è in equilibrio termico con A. Data un corpo ad una data temperatura essa può essere espressa in K, C, F. Obiettivo formativo : prerequisiti Legge di Boyle Legge di Charles Principio di Avogadro Equazione di stato dei gas Il prodotto del volume e della pressione di un gas isotermo è una costante Il volume di qalunque gas tende a zero al tendere a zero della temperatura assoluta del gas stesso Pari quantità in moli di gas differenti hanno lo stesso volume a parità di temperatura e pressione. Relazione matematica che correla le 4 variabili di stato pV=nRT Criticità numero 7: leggi dei gas ideali Obiettivo formativo : prerequisiti Relazione matematica che correla le 4 variabili di stato pV=nRT Processi chimico fisici sul piano p-V Dato un valore costante di n, ogni punto sul piano p-V corrisponde ad uno stato termodinamico univoco con pressione Equazione di stato dei gas T1=P1V1/nR P1 T=pV/nR V1 Volume Obiettivo formativo : prerequisiti Relazione matematica che correla le 4 variabili di stato pV=nRT Processi chimico fisici sul piano p-V Trasformazioni isobare pressione Equazione di stato dei gas Processo chimico fisico che avviene a pressione costante T1=P1V1/nR T2=P1V2/nR V1 V2 P1 Volume Obiettivo formativo : prerequisiti Relazione matematica che correla le 4 variabili di stato pV=nRT Processi chimico fisici sul piano p-V Trasformazioni isocore pressione Equazione di stato dei gas T3=P2V1/nR P2 P1 Processo chimico fisico che avviene a volume costante T1=P1V1/nR V1 Volume Obiettivo formativo : prerequisiti Relazione matematica che correla le 4 variabili di stato pV=nRT Processi chimico fisici sul piano p-V Trasformazioni isoterme Processo chimico fisico che avviene a temperatura costante pressione Equazione di stato dei gas T1=P1V1/nR P1 T1=P3V3/nR P3 V1 V3 Volume Obiettivo formativo : prerequisiti Algebra di base (1) Algebra di base (2) Operazioni aritmetiche elementari (moltiplicazione, divisione, sottrazione, addizione) tra numeri reali Operazioni aritmetiche avanzate (elevazione a potenza, logaritmo, numero di Nepero) tra numeri reali Criticità numero 8: Competenze algebriche della classe Calcolo differenziale ed integrale Concetto di quantità differenziale, derivata, integrale di funzione. Percorso proposto: Termodinamica Ricapitolazione degli argomenti Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio. SEQUENZA LOGICA DI SUCCESSIONE 1 Primo principio 3 Secondo principio 2 4 Legge di Hess. Entalpia. Entropia. Energia libera. Terzo principio. 5 Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio. Percorso proposto: Termodinamica Ricapitolazione degli argomenti – Primo principio L’energia interna di un sistema isolato è una costante Identificazione di un linguaggio specifico Energia interna Energia totale di un sistema; Unità di misura Joule / J Sistema isolato Percorso proposto: Termodinamica Ricapitolazione degli argomenti – Primo principio L’energia interna di un sistema isolato è una costante Massa Energia Sistema Ambiente L’energia interna è l’energia totale di un sistema. Se il sistema non è in grado di scambiare energia e materia con l’ambiente l’energia interna del sistema non può variare. Criticità numero 9 Percorso proposto: Termodinamica Primo principio Disaccoppiamo gli effetti 1. 2. Se un sistema non può scambiare materia con l’ambiente significa che il numero di moli (quantità di materia) che costituisce il sistema è costante. Se il sistema non può scambiare energia con l’ambiente significa che è adiabatico (non scambia calore) e che non scambia lavoro con l’esterno (non fa o subisce un lavoro). Massa Energia Sistema Ambiente Percorso proposto: Termodinamica Primo principio Se un sistema non scambia ne calore ne lavoro con l’esterno significa che la sua temperatura e il suo volume sono entrambi contemporaneamente costanti. Nel lavoro espansivo w=-pambiente*DV ed essendo w=0 se ne deduce che il volume del sistema non è cambiato (ISOCORO) Un sistema adiabatico che non scambia lavoro è ISOTERMO Criticità numero 9 Lavoro (w) Calore (Q) Sistema Ambiente Primo principio e variabili di stato Percorso proposto: Termodinamica Ricapitolazione degli argomenti – Primo principio L’energia interna di un sistema isolato è una costante Identificazione di un linguaggio specifico Criticità numero 10 Energia interna FUNZIONE DI STATO Concetto di funzione di stato. Proprietà intensiva di un sistema termodinamico dipendente unicamente dalle sue variabili di stato. La variazione di una funzione di stato è indipendente dal percorso ma dipende unicamente dai valori iniziali e finali delle variabili di stato Percorso proposto: Termodinamica Energia interna Funzione di stato Astrazione matematica: DU= q + w Dipende da T e V 1 cal = 4.18 J Equivalenza calore-lavoro Principio di conservazione dell’energia Percorso proposto: Termodinamica Criticità numero 11 Principio di conservazione dell’energia Conservazione dell’energia nell’universo La variazione dell’energia interna di un sistema chiuso (che non scambia massa con l’ambiente) è uguale all’energia che ne attraversa la superficie di separazione con l’ambiente sottoforma di lavoro o calore. L’ambiente a sua volta subisce una variazione di energia interna uguale e contraria in segno rispetto al flusso di energia che coinvolge il sistema Percorso proposto: Termodinamica ENERGIA INTERNA Primo principio: enunciato formale FUNZIONI DI STATO LEGGE DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA Il lavoro necessario per modificare un sistema adiabatico da un determinato stato (caratterizzato da variabili V,T,p,n) ad un altro ugualmente determinato (da una nuova terna V’,T’,p’,n) è lo stesso, qualunque sia la maniera in cui il lavoro è stato effettuato. Le funzioni di stato (e quindi anche l’energia interna) dipendono solo dai valori delle variabili stato e non dal percorso per andare da uno stato ad un altro. Percorso proposto: Termodinamica Lavoro espansivo Forma semplice di lavoro che proviene dalla compressione/espansione di un gas in un contenitore adiabatico o non–adiabatico. w=-pambiente*DV Parete adiabatica Sistema (gas) pambiente Calcolo del lavoro compiuto da un sistema durante un processo chimico fisico. 1. 2. 3. Lavoro espansivo contro una pressione costante Lavoro compiuto in un’espansione libera Lavoro espansivo reversibile isotermo Percorso proposto: Termodinamica Lavoro espansivo Sistema (gas) Compiuto contro una pressione costante pambiente Criticità numero 3 Sistema (gas) Espansione – w<0 Il sistema compie lavoro Calcolo del lavoro compiuto da un sistema durante un una espansione contro una pressione costante esterna (ambiente) w=-pambiente*DV= w=-pambiente*(Vfinale-Viniziale) Percorso proposto: Termodinamica Lavoro espansivo Compiuto contro una pressione costante pressione w=-pambiente*DV= w=-pambiente*(Vfinale-Viniziale) Il lavoro compiuto dal sistema è pari all’area del rettangolo sotteso dalla trasformazione isobara descritta nel piano p-V Pamb w V1 V2 Percorso proposto: Termodinamica Lavoro espansivo Espansione libera ovvero contro il vuoto (pambiente=0) Sistema (gas) Sistema (gas) Criticità numero 12: espansione contro il vuoto Espansione libera Calcolo del lavoro compiuto da un sistema durante un una espansione libera (pressione ambiente nulla) w=0 Percorso proposto: Termodinamica Lavoro espansivo Gas (p,V,T) Espansione reversibile isoterma pambiente Criticità numero 13: espansione reversibile Gas (p’,V’,T) Espansione reversibile con Tsistema=costante Calcolo del lavoro compiuto da un sistema (gas ideale) durante un una espansione reversibile isoterma w=-nRT ln(Vfinale/Viniziale) Percorso proposto: Termodinamica Lavoro espansivo Espansione reversibile isoterma w=-nRT ln(Vfinale/Viniziale) pressione Il lavoro compiuto dal sistema è pari all’area sottesa dalla trasformazione isotermadescritta nel piano p-V T1=P1V1/nR P1 P3 W V1 T1=P3V3/nR V3 Percorso proposto: Termodinamica Ricapitolazione degli argomenti Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio. SEQUENZA LOGICA DI SUCCESSIONE 1 Primo principio 3 Secondo principio 2 4 Legge di Hess. Entalpia. Entropia. Energia libera. Terzo principio. 5 Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio.
