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.
