A.A. 2014/2015 Corso di Laurea Triennale in Chimica e Chimica Industriale Chimica Fisica I Mod. A Codice SCC0414 Massimo Mella CFU SSD Lezioni (ore) Esercitazioni (ore) Laboratorio (ore) Anno Lingua 6 CHIM/02 32 24 0 I Italiano Obiettivi dell’insegnamento e risultati di apprendimento attesi Riportare una descrizione delle conoscenze, competenze e abilità che lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito al termine del corso, eventualmente facendo riferimento ai descrittori di Dublino. Conoscenza dei principali processi termodinamici, delle grandezze in gioco e del loro significato fisico e chimico, sia a livello macroscopico che microscopico; Capacità di selezionare i concetti, le formule ed equazioni da applicare nella risoluzione dei problemi quantitativi e nell’analisi di dati sperimentali o delle caratteristiche quantitative di sistemi macroscopici; capacità di estrapolazione e di semplificazione di sistemi complessi da sottoporre all’analisi termodinamica; Valutazione dell’impatto di semplificazioni quantitative, degli errori connessi e delle differenze tra vari processi, sistemi e stati fisici. Abilità nel trasferire le proprie intuizioni e analisi al gruppo di lavoro. Prerequisiti Frequenza al corso di Istituzioni di Matematiche I: proprietà dei logaritmi e degli esponenziali reali e complessi, definizione e utilizzo dei concetti di funzione, derivata ed integrale; calcolo combinatoriale. Cenni sulle funzioni a più variabili, derivate parziali e differenziali. Frequenza al corso di Chimica Generale e Inorganica I: reazioni chimiche e loro bilanciamento di carica e massa, unità di misura, stechiometria e concetti fondamentali sull’equilibrio chimico. Contenuti e programma del corso Introduzione alla Chimica Fisica e alle sue varie branche. Principi e definizioni. Sistema e Ambiente. Sistemi aperti, chiusi, isolati e adiabatici. Modelli e astrazioni. Punti di vista Macroscopico e Microscopico: il concetto di molecola ed i suoi aggregati. Grandezze macroscopiche, definizione astratta di temperatura e equilibrio termico. Principio zero della termodinamica. Equazione di stato sperimentale. Variabili di stato. I Gas: le leggi dei gas ideali (Boyle, Charles, Gay-Lussac, Avogadro); diagrammi pVT; Equazione di stato dei gas ideali. Teoria cinetica dei gas. Esempi di processi spontanei e disordine molecolare/energetico. Distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità. I gas reali: interazioni molecolari, fattore di compressione; i cambiamenti di fase e le costanti critiche; equazione di van der Waals e altre equazioni di stato; principio degli stati corrispondenti. Prima legge della termodinamica Calore, lavoro, energia interna; conservazione dell'energia; lavoro di compressione e di espansione; espansioni isoterme; capacità termica a volume costante e pressione costante; relazione tra Cp e Cv; relazione tra struttura molecolare, stato fisico e calore specifico. Entalpia; variazioni di entalpia con la temperatura; entalpia standard di trasformazione, legge di Hess, entalpia di formazione, ciclo di Born-Haber; legge di Kirchhoff; funzioni di stato; variazioni di energia interna; coefficiente di espansione; compressibilità isoterma; coefficiente di Joule-Thomson; espansioni adiabatiche. Seconda legge della termodinamica Processi spontanei, definizione statistica e termodinamica dell'entropia: variazione di entropia nei processi irreversibili; disuguaglianza di Clausius; variazioni di entropia in processi specifici; misure di entropia; Entropia di un gas ideale. Teorema di Nernst e terza legge della termodinamica; efficienza di processi termici: lavoro massimo, ciclo di Carnot, scala termodinamica delle temperature; refrigerazione; energia di Gibbs; funzioni di Gibbs molari standard; equazione fondamentale della termodinamical; proprietà della funzione di Gibbs: equazione di Gibbs-Helmholtz; potenziale chimico di un gas perfetto; gas reali e fugacità; stati standard; sistemi aperti e potenziale chimico: equazione fondamentale. Trasformazioni fisiche di sostanze pure Diagrammi di fase; equilibrio di fase; equazione di Clapeyron; equilibrio solido-liquido, liquido-vapore e solido-vapore; equazione di Clausius-Clapeyron; transizioni di fase. Proprietà di miscele semplici Grandezze parziali molari; equazione di Gibbs-Duhem; funzione di Gibbs, entalpia, entropia di mescolamento; potenziale chimico dei liquidi; soluzioni ideali: legge di Raoult, legge di Henry; miscele di liquidi; proprietà colligative: innalzamento ebullioscopico e abbassamento crioscopico, solubilità, osmosi; miscele di liquidi volatili: diagrammi tensione di vaporecomposizione e temperatura-composizione; distillazione, azeotropi; soluzioni reali: coefficiente di attività, stati standard del solvente e del soluto. Equilibrio chimico Funzione di Gibbs di reazione; equilibrio di reazione; composizione all'equilibrio; costante di equilibrio e funzione di Gibbs standard di reazione; influenza della pressione e della temperatura sull'equilibrio: principio di Le Chatelier; equazione di van't Hoff; esempi di equilibri di reazione. Tipologia delle attività didattiche Lezioni frontali (32 ore): sviluppo teorico degli argomenti; Esercitazioni quantitative (24 ore): simulazione di sistemi e processi fisici, soluzione di problemi quantitativi basati sugli argomenti del corso. Testi e materiale didattico Robert J. Silbey, Robert A. Alberty, Moungi G. Bawendi, Physical Chemistry IV Ed., Wiley Ken A. Dill, Sarina Bromberg, Molecular Driving Forces II Ed., Garland Science Peter Atkins, Julio de Paula, Atkins’ Physical Chemistry IX Ed., Oxford University Press Dispense ed appunti del corso, siti web con materiale rilevante Modalità di verifica dell’apprendimento Prova finale scritta d orale: prova scritta composta di 4-5 domande teoriche e quantitative (problemi d’abilità); prova orale basata sulla correzione dei compiti scritti e verifica delle capacità di utilizzo degli argomenti del corso in ambito chimico. Il giudizio finale sullo studente sarà basato sulla prova scritta in termini della capacità di affrontare problemi quantitativi scegliendo il giusto contesto, concetti, equazioni, e sulla precisione nello sviluppo; il giudizio della parte orale verrà basato sull’attitudine al ragionamento estemporaneo su casi realistici che il chimico si può trovare ad affrontare in ambito di ricerca. Il giudizio finale sarà concordato con il docente del Modulo B del Corso di Chimica Fisica I. Orario di ricevimento Previo appuntamento, tutti i giorni. Calendario delle attività didattiche Collegamento ipertestuale alla pagina degli orari e sedi del CdS Appelli d'esame Collegamento ipertestuale alla bacheca appelli