Obiettivi formativi
Attraverso lo svolgimento di esercizi ed esperimenti,lo studente potrà approfondire e consolidare le proprie conoscenze di Termodinamica chimica, Cinetica chimica ed Elettrochimica, specialmente per ciò che riguarda gli aspetti applicativi, l'acquisizione e l’analisi critica di dati e le informazioni che si possono ricavare da tali dati.
Le esercitazioni numeriche e di laboratorio costituiranno per lo studente occasione di interagire in modo diretto ed immediato col docente e con gli altri studenti, dando l’opportunità di esprimere giudizi autonomi e riflessioni personali ed offrendo un’occasione per sviluppare capacità di comunicazione e senso critico.
Le tematiche affrontate nel corso di Chimica Fisica 1 sono fondamentali per poter comprendere ed interpretare correttamente le trasformazioni chimiche. In tale contesto, le esercitazioni hanno lo scopo di rafforzare le capacità dello studente di affrontare argomenti quali la reattività, i meccanismi di reazione, gli equilibri chimici, etc., che sono centrali e ricorrenti lungo tutto il percorso di formazione di un laureato in Chimica.
Prerequisiti
Conoscenza dei concetti fondamentali di:
Chimica Generale
Analisi Matematica
Fisica
Contenuti dell'insegnamento
Il corso costituisce un adeguato supporto e completamento del corso di Chimica Fisica 1. I concetti sviluppati in tale ambito saranno applicati alla risoluzione di problemi ed allo svolgimento di esperimenti di laboratorio.
Programma esteso
Lezioni introduttive
Norme di comportamento e di sicurezza in laboratorio, in relazione alla tipologia di esperienze che verranno affrontate.
Cenni di teoria degli errori.
La misura di grandezze fisiche. Tipi di misura. Tipi di errore: precisione ed accuratezza. Media. La stima dell’incertezza. Presentazione dei dati sperimentali. Propagazione degli errori casuali. Il metodo dei minimi quadrati. Regressione lineare.
Lezioni complementari
Termochimica sperimentale
Principi di calorimetria. Bomba calorimetrica adiabatica. Calorimetria differenziale a scansione (DSC). Il calorimetro di Regnault.
Conducibilità di soluzioni elettrolitiche
Conducibilità: definizione ed unità di misura. Conduttori ionici o elettrolitici. Conducibilità specifica. Conducibilità molare ed equivalente. Conducibilità equivalente a diluizione infinita. Equazione di Onsager. Legge della indipendente migrazione degli ioni. Conducibilità ioniche limite equivalenti. Mobilità ionica. Elettroliti deboli: grado di dissociazione. Legge della diluizione di Ostwald. Il conduttimetro: principi di funzionamento.
Elettrochimica
Celle elettrochimiche. Tipi di elettrodi. Semireazioni. Potenziale di contatto liquido. Reazioni di cella. Potenziale di cella e lavoro elettrico. Forza elettromotrice (f.e.m.). Relazione tra misure elettriche e grandezze termodinamiche. Equazione di Nernst. Celle a concentrazione. Celle all’equilibrio. Potenziali standard e loro misura. Calcolo della costante di equilibrio. Misura dei coefficienti di attività. Serie elettrochimica. Misura del pH. Coefficiente di temperatura della f.e.m. e calcolo delle grandezze termodinamiche.
Cinetica chimica
Velocità di reazione: definizione. Leggi cinetiche, ordini di reazione e costante cinetica. Leggi cinetiche integrate (solo formule). Tempo di dimezzamento. Legge di Arrhenius ed energia di attivazione. Tecniche sperimentali in cinetica chimica: la registrazione del progresso di una reazione chimica. Metodologie: analisi in tempo reale, metodi ad estinzione, tecniche a flusso, tecniche a flusso interrotto, fotolisi a lampo. Analisi delle misure cinetiche: metodo dell’integrazione, metodo delle velocità iniziali, metodo del tempo di dimezzamento, metodo dell’isolamento.
Esercitazioni numeriche – argomenti
Leggi dei gas
Gas ideale, gas di van der Waals. Variabili ridotte. Principio degli stati corrispondenti.
Termodinamica del gas ideale
Capacità termica. Trasformazione isoterma reversibile ed irreversibile. Trasformazione adiabatica
reversibile ed irreversibile.
Termochimica
H e U di reazione. Legge di Kirchoff. Legge di Hess.
Secondo principio della termodinamica.
Variazioni di entropia del sistema, dell’ambiente, dell’universo. Spontaneità di un processo. Enrgia
di Gibbs, Helmholtz, e funzioni lavoro. S e G in: processi di riscaldamento o raffreddamento,
espansione o compressione isoterma, reazioni chimiche, transizioni di fase. Equilibrio chimico.
Quoziente di reazione e costante di equilibrio. Legge di van’t Hoff.
Miscele e soluzioni
Pressione di vapore e legge di Raoult. Soluzioni ideali. Grandezze molari parziali. Proprietà
colligative: pressione osmotica, innalzamento ebullioscopico, abbassamento crioscopico. S e G
di mescolamento.
Equilibri di fase.
Equazione di Clapeyron e di Clausius-Clapeyron.
Elettrochimica
Potenziali di cella. Potenziali standard. Celle elettrochimiche. Reazioni agli elettrodi. Semireazioni.
f.e.m. ed energia di Gibbs. Equazione di Nernst. Coefficiente di temperatura della f.e.m. e
grandezze termodinamiche. Attività e coefficienti di attività ionici medi. Legge limite di Debye-
Hückel e modificazioni. Forza ionica.
Cinetica chimica
Velocità di reazioni. Leggi cinetiche e ordine di reazione. Leggi cinetiche integrate. Costante cinetica e legge di Arrhenius.
Esercitazioni di laboratorio
1. Misura della tensione di vapore e determinazione del calore di vaporizzazione di un liquido puro (acetone).
2. Misura del pKa di un indicatore da misure spettrofotometriche.
3. Determinazione dei calori di formazione di alcuni ioni da misure calorimetriche.
4. Determinazione della solubilità di un sale poco solubile da misure conduttometriche.
5. Conducibilità di elettroliti in soluzione.
6. Determinazione del potenziale standard dell’elettrodo Zn2+/Zn.
7. Termodinamica della reazione di cella in una pila commerciale.
8. Studio della cinetica di idrolisi del 2-cloro-2-metil-butano per via conduttometrica.
9. Studio della cinetica della reazione tra cristallo violetto e NaOH per via spettrofotometrica
Bibliografia
Sillen: Problemi di Chimica Fisica - Piccin Editore Padova
P.W.Atkins: Chimica Fisica - Zanichelli Bologna
A.M.Halpern: Experimental Physical Chemistry - 1997 -Prentice Hall
Lionel M.Raff: Principles of Physical Chemistry - 2001 - Prentice Hall
W.J.Moore : Chimica Fisica - Piccin Editore Padova
Metodi didattici
Didattica frontale
Esperienze di Laboratorio
Esercitazioni numeriche
Modalità verifica apprendimento
La verifica della preparazione raggiunta dallo studente viene effettuata attraverso l'esame delle relazioni di laboratorio e completata mediante una prova scritta. La valutazione finale sarà data in occasione dell’esame congiunto (Chimica Fisica 1 e Laboratorio), nell’ambito del quale può essere prevista una discussione sul lavoro svolto.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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