Insegnamento / modulo CHIMICA FISICA AMBIENTALE
Laurea magistrale
CFU 6
Docente Riccardo Zanasi
Sistema termodinamico; ambiente; sistema aperto, chiuso, isolato; equilibrio meccanico, di materia,
termico, equilibrio termodinamico; proprietà termodinamiche intensive ed estensive; stato
termodinamico, funzioni di stato, temperatura, pressione, volume, volume molare; trasformazioni a
temperatura costante, a volume costante, a pressione costante adiabatiche. Equazioni di stato,
equazione di stato del gas ideale, costante dei gas. Gas reali, attrazione intermolecolare, repulsione
intermolecolare, potenziale 6-12 di Lennard-Jones, temperatura critica, punto critico, equazioni di
stato dei gas reali, del viriale, di van der Waals; effetto Joule-Thomson; equazioni di stato di liquidi
e solidi.
Primo principio della termodinamica. Processi esotermici ed endotermici; lavoro e calore; lavoro di
espansione; espansione libera; lavoro massimo di espansione; trasformazioni reversibili; capacità
termica, capacità termica specifica, capacità termica molare a volume e pressione costante;
espansione isotermica reversibile del gas ideale. Energia interna, variazione di energia interna;
enunciato del primo principio della termodinamica; misura della variazione di energia interna.
Entalpia. Capacità termiche a volume e pressione costante ed energia interna ed entalpia. Natura
molecolare dell’energia interna.
Termochimica. Stato standard di una sostanza. Entalpia delle trasformazioni fisiche, entalpie
standard di trasformazione. Trasformazioni a livello atomico e molecolare: entalpie standard di
ionizzazione; entalpia di legame. Entalpia delle trasformazioni chimiche, entalpia di reazione,
entalpia di combustione, combinazione delle entalpie di reazione e legge di Hess. Entalpia standard
di reazione; entalpia standard di formazione.
Secondo principio della termodinamica. Trasformazioni spontanee e non spontanee; stato di
disordine; misura del disordine di materia ed energia, entropia. Calcolo della variazione di entropia
per: processi ciclici, processi adiabatici reversibili, espansione di un gas ideale, incremento di
temperatura a volume costante e a pressione costante. L’entropia è una funzione di stato.
Eguaglianza della variazione di entropia per un processo reversibile ed irreversibile tra gli stessi
stati iniziale e finale. Variazione di entropia per processi spontanei: trasferimento di calore da un
corpo caldo a uno meno caldo; miscelamento di gas ideali inerti a temperatura e pressione costanti.
La variazione di entropia dell’ambiente; variazione totale di entropia per l’espansione.
Generalizzazione del secondo principio. Entropia ed equilibrio. Variazione di entropia per una
transizione di fase, regola di Trouton. Entropia assoluta e terzo principio della termodinamica.
Entropia standard molare. Entropia di reazione.
Svolgimento spontaneo delle reazioni chimiche; l’energia di Gibbs; condizione di spontaneità e
raggiungimento dell’equilibrio in termini di energia di Gibbs; quantità massima di lavoro di non
espansione ottenibile.
Gli equilibri di fase delle sostanze pure. Variazione dell’energia di Gibbs per una variazione di
temperatura e pressione. I diagrammi di stato; i confini di fase; equazione di Clapeyron; curva
limite solido-liquido, curva limite liquido vapore ed equazione di Clausius-Clapeyron, curva limite
solido-vapore; punti caratteristici, punto di ebollizione e di congelamento ordinari, punto critico,
punto triplo. Regola delle fasi. Diagramma di stato dell’acqua, dell’anidride carbonica.
Le proprietà delle miscele. Proprietà molari parziali; volume molare parziale; energia di Gibbs
molare parziale; potenziale chimico. Potenziale chimico di un gas; potenziale chimico standard;
potenziale chimico di un gas in una miscela di gas ideali; condizione di equilibrio di fase per le
miscele. Variazione di energia di Gibbs per il mescolamento spontaneo di gas ideali. Soluzioni
ideali; variazione dell’energia di Gibbs per il mescolamento di liquidi. Il potenziale chimico dei
componenti di una soluzione ideale; stati standard. Pressione di vapore di una soluzione ideale;
legge di Raoult. Soluzioni diluite ideali; pressione di vapore del soluto in una soluzione diluita
ideale; legge di Henry. Proprietà colligative; abbassamento della pressione di vapore; abbassamento
crioscopico e innalzamento ebullioscopio; pressione osmotica; legge di van’t Hoff della pressione
osmotica; osmometria; osmosi, osmosi inversa.
I principi dell’equilibrio chimico. Avanzamento di una reazione chimica; condizione di equilibrio;
variazione dell’energia di Gibbs in funzione dell’avanzamento della reazione. Energia di Gibbs di
reazione; condizioni di spontaneità e di equilibrio di una reazione chimica. Variazione dell’energia
di Gibbs con la composizione; energia di Gibbs standard di reazione; quoziente di reazione;
quoziente di reazione all’equilibrio, ovvero, costante termodinamica di equilibrio. Energia di Gibbs
standard di reazione in termini di entalpia ed entropia standard di reazione. Energia di Gibbs
standard di formazione. Effetto della temperatura sulla costante di equilibrio. Effetto delle presione
sulla composizione di equilibrio.
Reazioni accoppiate; attività biologica e termodinamica dell’ATP; stato standard biologico;
metabolismo anaerobico e aerobico. Formazione del legame peptidico.
Cinetica chimica; determinazione sperimentale della velocità di reazione, analisi in tempo reale,
metodo dell’estinzione, metodo a flusso, fotolisi a lampo. Definizione di velocità di reazione. Legge
cinetica e costante di velocità. Ordine di reazione. Determinazione della legge cinetica, metodo
dell’isolamento, metodo delle velocità iniziali. Forma integrata delle leggi cinetiche, reazioni di
primo ordine, reazioni di secondo ordine, tempo di dimezzamento. Velocità di reazione e
temperatura, legge di Arrhenius, fattore pre-esponenziale, energia di attivazione.
Testi di riferimento
Atkins P., De Paula J. - Elementi di Chimica Fisica - Zanichelli
Atkins P., De Paula J. - Chimica Fisica - Zanichelli
Levine I.N. – Physical Chemistry – McGraw-Hill
Verifica dell’apprendimento: esame orale.
