CHIMICA FISICA I CON ESERCITAZIONI

Anno accademico e docente
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English course description
Anno accademico
2018/2019
Docente
JUSEF HASSOUN
Crediti formativi
8
Periodo didattico
Secondo Semestre
SSD
CHIM/02

Obiettivi formativi

Conoscenza e comprensione
Scopo del corso “Chimica Fisica I con Esercitazioni” è di fornire al laureato piena comprensione dei principi che governano i processi fisici e le trasformazioni chimiche nonché la conoscenza dei principali modelli chimico-fisici in uso per la loro descrizione. Il corso fornisce una conoscenza approfondita dei principi e delle applicazioni della chimica fisica, dei fondamenti fisici alla base della chimica e dei concetti di base di termodinamica chimica. Il corso illustra l’applicazione dei metodi della termodinamica classica allo studio ed alla comprensione delle transizioni di fase, delle proprietà delle miscele e dell'equilibrio chimico.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
l laureato è in grado di applicare in modo critico le varie conoscenze chimico-fisiche acquisite che gli permettono l’interpretazione teorica dei processi osservati e l’utilizzo pratico delle tecniche sperimentali ad essi associati. Il laureato conosce la termodinamica e la applica all’interpretazione dei processi chimico-fisici ed delle reazioni chimiche; il laureato conosce i le transizioni di fase, delle proprietà delle miscele e dell'equilibrio chimico e le loro implicazioni nei sistemi chimici ed è in grado di applicare tali conoscenze alla descrizione di sistemi reali; il laureato è in grado di mettere in pratica le suddette conoscenze nella caratterizzazione dei sistemi chimici, chimico-fisici, nella scienza dei materiali.ENG

Prerequisiti

Corsi di matematica, chimica generale, fisica generale.

Contenuti del corso

Sistemi termodinamici: sistemi isolati, chiusi, aperti. Concetto di equilibrio termodinamico. Proprietà termodinamiche: proprietà estensive e intensive. Temperatura: principio zero della Termodinamica. Termometro a mercurio e termometro a gas ideale. Equazione di stato per i gas ideali. Equazioni di stato approssimate per liquidi e solidi. Coefficiente di espansione termica e compressibilità termica. Il primo principio della Termodinamica: lavoro, calore, energia interna. Energia interna per un gas ideale: la teoria cinetica dei gas. Concetto di differenziale esatto. Trasformazioni reversibili e irreversibili: trasformazione isoterma e adiabatica per un gas ideale. L'entalpia: capacità termica a volume costante (Cv) e a pressione costante (Cp); valutazione di Cp-Cv. Le esperienze di Joule e Joule-Thomson. Termochimica: funzioni termodinamiche di reazione; stati standard; entalpia standard di reazione; legge di Hess; legge di Kirchhoff. Il secondo principio della Termodinamica: la funzione entropia (S); dS è un differenziale esatto. Interpretazione probabilistica dell'entropia: equazione di Boltzmann. Conversione di calore in lavoro. Macchine termiche. Ciclo di Carnot. Scala termodinamica di Kelvin delle temperature. Il terzo principio della Termodinamica: formulazione di Nernst; impossibilità di raggiungere lo zero assoluto. Entropia residua. Funzioni termodinamiche: energie libere di Helmholtz (A) e di Gibbs (G).Minimizzazione delle energie libere e raggiungimento dell'equilibrio. Energie libere e lavoro fornito da un sistema. Relazioni termodinamiche in un sistema all'equilibrio: le relazioni di Maxwell; equazione di Gibbs-Helmholtz. Il potenziale chimico. Equilibrio di fase. Equilibrio per una reazione chimica. Reazioni chimiche in miscele di gas ideali; equazione di van't Hoff. La regola delle fasi. Equilibrio di fase a un componente: diagramma di fase; punto critico. Entalpia ed entropia dei cambiamenti di fase; regola di Trouton. Equazione di Clapeyron: equilibrio liquido-vapore, solido-vapore, solido-liquido. Transizioni di fase solido-solido e polimorfismo. Transizioni di ordine superiore. Gas reali: equazioni di stato approssimate di van der Waals e di Redlich-Kwong; equazione del viriale; legge degli stati corrispondenti. Soluzioni: quantità molari parziali; quantità di mescolamento. Soluzioni ideali e loro proprietà termodinamiche; legge di Raoult. Soluzioni idealmente diluite; legge di Henry. Soluzioni non ideali: attività e coefficiente di attività; le due convenzioni per gli stati standard. Equazione di Gibbs-Duhem; coefficienti di attività per soluti non volatili. Soluzioni di elettroliti: concetto di forza ionica e teoria di Debye-Hueckel per i coefficienti di attività; estensione di Davies. Miscele di gas non ideali: la fugacità. Reazioni chimiche in sistemi non ideali: reazioni in soluzioni di non elettroliti; reazioni in soluzioni di elettroliti; effetto "sale" ed effetto dello ione comune. Proprietà colligative delle soluzioni: abbassamento della pressione di vapore, abbassamento del punto di congelamento, innalzamento del punto di ebollizione; pressione osmotica. Equilibrio liquido-vapore in sistemi a due componenti: soluzioni ideali e non ideali; distillazione frazionata; piatti teorici; azeotropo. Equilibrio solido-liquido a due componenti; punto eutettico. Celle elettrochimiche (cenni): celle galvaniche e celle elettrolitiche; equazione di Nernst; potenziali standard; elettrodo di riferimento; celle a concentrazione; celle a combustibile.

Metodi didattici

Il corso è basato su lezioni teoriche e esperienze di laboratorio, opportunamente illustrate nel dettaglio prima dell'inizio delle attività sperimentali. Gli studenti devono scrivere una relazione per ogni esperienza fatta, in cui, oltre all'esposizione dei dati e alla loro elaborazione, è richiesto un commento interpretativo, basato sulle conoscenze acquisite nelle lezioni teoriche.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'apprendimento è verificato preliminarmente nella discussione delle diverse esperienze di laboratorio, ed all'atto della stesura delle relazioni, che è prevista dopo il completamento di ciascun esperimento.
Vengono inoltre eseguite due prove scritte parziali (circa a metà ed a fine corso) o, in alternativa, una unica prova scritta dopo il corso, che devono essere sostenute dagli studenti prima della verifica finale mediante esame orale. Sia durante le prove scritte che durante quella orale si pongono allo studente varie domande, in genere esercizi numerici o di calcolo durante la prova scritta e domande teoriche durante quella orale. Le domande sono atte alla verifica della piena conoscenza teorica dei principi base della termodinamica, le loro implicazioni; la loro applicazione per l’interpretazione dei processi chimico-fisici e delle reazioni chimiche; le transizioni di fase, le proprietà delle miscele e l'equilibrio chimico e le loro implicazioni nei sistemi chimici reali e nella scienza dei materiali.

Testi di riferimento

P. Atkins, J. De Paula - "Chimica Fisica", Zanichelli, BO