CHIMICA FISICA I con Laboratorio
Corso di Laurea: Chimica Industriale (triennale)
Anno di corso: II
Semestre: I
Attività formativa: di base
Numero di Crediti (CFU): 9 di cui 7 di lezioni frontali (56 ore), 1 di esercitazioni numeriche (12 ore) ed 1 di esercitazioni di
laboratorio (12 ore) per 80 ore complessive.
Docente: Prof.ssa Anita Scipioni
Dipartimento di Chimica
Edificio S. Cannizzaro, terzo piano, stanza 371
E-mail: [email protected]
Programma
Definizioni, scopi e limiti della Termodinamica
Stati e proprietà dei sistemi; rappresentazione termodinamica degli eventi naturali. Sistemi aperti, chiusi ed isolati.
Processo e cammino di un processo. Quantità intensive ed estensive. Variabili indipendenti, funzioni di stato e stato
termodinamico. Equilibrio termico, meccanico e chimico. Processi reversibili ed irreversibili. Lavoro coinvolto in
seguito ad una variazione di volume. Lavoro nei processi reversibili: esempi meccanici, elettrochimici, di superficie,
magnetici.
Primo Principio della Termodinamica
Formulazione del primo principio della termodinamica; calore, lavoro e variazioni di energia interna nelle
trasformazioni termodinamiche; capacità termiche; variazioni di entalpia nelle reazioni chimiche e dipendenza dalla
temperatura; misure calorimetriche.
Secondo Principio della Termodinamica
Trasformazioni di lavoro in calore e calore in lavoro, macchine termiche e rendimento. Ciclo di Carnot. Irreversibilità
intrinseca degli eventi naturali e il concetto di entropia come misura dell'irreversibilità delle trasformazioni
termodinamiche; secondo principio della termodinamica. Temperatura termodinamica. Variazioni di entropia nei
sistemi isolati. Diagrammi entropia-temperatura. Energia indisponibile e principio di dissipazione dell'energia.
Interpretazione dell'entropia in termini statistici, macrostati e microstati. Calcolo del numero di microstati. Equazione di
Boltzmann. Entropia e disordine. Entropia nelle trasformazioni di stato. Entropia di mescolamento. (7 ore)
Temperatura e sua misura
Misura della temperatura: scala pratica internazionale di temperatura; termometri a resistenza; termocoppie; effetto
Seebeck, effetto Peltier, effetto Thomson; effetto Volta; misura della fem di una termocoppia. Termocoppie più comuni.
Terzo Principio della Termodinamica
Teorema di Nernst ed enunciato di Planck. Cenni sulla determinazione sperimentale delle entropie assolute e calcolo
dell'entropia assoluta.
Termodinamica chimica
Combinazione del I e II Principio. Equilibrio termodinamico; energia libera di Gibbs e criterio di spontaneità delle
trasformazioni termodinamiche in condizioni isoterme ed isobare; energia libera di Helmholtz e criterio di spontaneità
delle trasformazioni termodinamiche in condizioni isoterme ed isocore. Transizioni di fase del primo ordine e cenni a
quelle di ordine superiore; interpretazione molecolare delle transizioni termodinamiche e concetto di cooperatività.
Diagrammi di fase per sistemi ad un solo componente. Sistemi a più componenti: fugacità, attività potenziale chimico,
grandezze parziali molari, legge di Gibbs-Duhem. Metodi sperimentali per la determinazione delle grandezze parziali
molari. Regola delle fasi, Soluzioni. Proprietà delle soluzioni: pressione osmotica, innalzamento della temperatura di
ebollizione, abbassamento della temperatura di fusione. Equilibrio chimico: costante di equilibrio termodinamica e sua
variazione con la temperatura e la pressione.
Studio di proprietà di superficie
Tensione superficiale: tensioattivi, micelle, liposomi, doppi-strati planari. Determinazione sperimentale della
concentrazione micellare critica.
Elettrochimica di equilibrio
Cenni sui circuiti in corrente continua. Misure di tensione: forza elettromotrice e differenza di potenziale; teorema di
Thevenin; errore nella misura di tensione; ponte di Wheatstone; misure di resistenza: metodo voltamperometrico.
Equilibrio in sistemi a più componenti e fasi. Lavoro utile nelle reazioni chimiche. Equilibrio elettrochimico. Ioni,
elettrodi. Attività di ioni in soluzione. Potenziale elettrochimico. Potenziali elettrodici standard. Forza elettromotrice:
definizione e misura. Celle elettrochimiche. Teoria delle soluzioni elettrolitiche: teoria di Debye-Hückel (cenni). La
conducibilità elettrica in soluzione: resistenza, resistività, conduttanza, conducibilità equivalente.
Cinetica chimica
La velocità delle reazioni chimiche: equazioni cinetiche integrate, ordine di reazione e molecolarità, tempo di
dimezzamento, dipendenza dalla temperatura di reazioni semplici (teoria di Arrhenius). Meccanismi di reazione. Metodi
sperimentali per la determinazione dell’ordine di reazione e della costante cinetica (metodi spettroscopici,
elettrochimici, polarimetria, metodi di flusso. Reazioni consecutive. Ipotesi dello stato stazionario. Stadio lento di una
reazione. Cinetica di reazioni reversibili. Reazioni parallele irreversibili e reversibili. Controllo termodinamico e
cinetico. Teoria delle collisioni (cenni). Cinetica enzimatica: equazione di Michaelis-Menten.
Approfondimenti
Aspetti termodinamici e cinetici di reazioni industriali.
Esperienze di laboratorio
Termochimica
1. determinazione del calore di combustione dell'acido benzoico.
Grandezze parziali molari
2. determinazione di volumi parziali molari mediante misure di densità di soluzioni acquose.
Equilibrio elettrochimico
3. dati termodinamici di una reazione chimica da misure di forza elettromotrice al variare della temperatura.
4. determinazione della costante di dissociazione di un acido debole mediante misure della conducibilità equivalente ed
equivalente limite.
Elettrochimica di non equilibrio
5. misura della capacità di un accumulatore.
Transizioni di fase
6. costruzione di un diagramma di fase della lega stagno-piombo.
Testi consigliati:
1. D. Gozzi – Termodinamica Chimica – Edizioni Nuova Cultura.
2. G. N.Lewis, M. Randall - Termodinamica - Leonardo Edizioni Scientifiche (Capp 1-8, per approfondimenti; non più
in commercio ma disponibile nella Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica, Edificio S. Cannizzaro) per il
prestito e la consultazione.
3. P.W. Atkins, J. De Paula - Chimica Fisica - Zanichelli Editore.
4. E. Fermi – Termodinamica – Boringhieri Editore.
5. R.J. Sime - Physical Chemistry - Methods, Techniques, Experiments - Saunders College Publ. (1988).
6. Dispense sulle esperienze di laboratorio scritte dal Prof. DanieleGozzi:
http://www.chem.uniroma1.it/didattica/offerta-formativa/insegnamenti/chimica-fisica-i-con-laboratorio-al
7. Dispense sulla cinetica chimica scritte dal Prof. Guido Gigli:
http://www.chem.uniroma1.it/sites/default/files/allegati_insegnamento/cinetica-luglio-2014_0.pdf
8. Dispense sugli aspetti termodinamici e cinetici di alcune reazioni industriali scritte dal Prof. Mario Beccari:
https://www.chem.uniroma1.it/sites/default/files/allegati_insegnamento/termodinamica%20e%20cinetica%20applicate
%20a%20processi%20industriali%20chimici.pdf
