CHIMICA FISICA I
cod. 00125

Anno accademico 2019/20
2° anno di corso - Primo semestre
Docente
CAMMI Roberto
Settore scientifico disciplinare
Chimica fisica (CHIM/02)
Campo
Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
Tipologia attività formativa
Caratterizzante
52 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in ITALIANO

Modulo dell'insegnamento integrato: CHIMICA FISICA I E LABORATORIO

Obiettivi formativi

Gli obiettivi formativi del Corso di Chimica Fisica I concordano con quelli previsti dal Consiglio di Corso di Studio:

Conoscenza e capacità di comprensione:
Lo studente
-possiede conoscenze di base delle caratteristiche dei differenti stati della materia e teorie utilizzate per descriverli;
‐possiede conoscenze di base dei princìpi della termodinamica, elettrochimica, teoria cinetica dei gas e cinetica chimica e delle loro applicazioni in chimica;
‐possiede conoscenze di base delle trasformazioni chimiche, compresa la catalisi, e l'interpretazione meccanicistica delle reazioni
chimiche;

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente:
‐ è in grado di eseguire calcoli elementari di bilancio energetico, determinazioni di costanti di equilibrio, di costanti cinetiche e di ordini di reazione;
- è capace di raccogliere dati scientifici attraverso le osservazioni e le misure di laboratorio, di elaborarli e di interpretarli;
- è in grado di utilizzare tecniche e metodologie chimico‐fisiche per ricavare proprietà molecolari e per il riconoscimento strutturale;
- possiede competenze informatiche di base relativamente a sistemi operativi, word processing, fogli elettronici, utilizzazione di basi di dati;

Autonomia di giudizio
Lo studente :
‐ è capace di raccogliere e valutare criticamente, presentare e discutere i risultati sperimentali acquisiti in attività svolte in collaborazione;
- è capace di programmare e condurre un esperimento, anche progettandone i tempi e le modalità;
‐ è capace di reperire e vagliare fonti di informazione di letteratura e di database di ambito chimico;
-è in grado di manipolare le sostanze in condizioni di sicurezza, di classificare le sostanze di scarto, residui di lavorazione e smaltirle correttamente;
è capace di correlare i dati e risultati acquisiti sperimentalmente con modelli teorici;

Abilità comunicative
Lo studente :
‐ è capace di comunicare, sia in forma orale che scritta nell'ambito delle attività e rapporti professionali, con un rigoroso rispetto del linguaggio chimico;
-è capace di interagire, comunicare con proprietà di linguaggio e metodo e collaborare proficuamente anche in modo propositivo con altre persone;
-è capace di elaborare e presentare dati sperimentali anche con l'ausilio di sistemi multimediali;
-è capace di interagire con altro personale sull’attuazione di procedure e delle necessarie misure di sicurezza in ambito chimico.

Capacità di apprendimento
Lo studente :
-è in grado di intraprendere studi accademici di livello superiore con un sufficiente grado di autonomia o di continuare la propria formazione professionale;
-è capace di lavorare per obiettivi, in gruppo o in modo autonomo;
-è in grado di adattarsi ad ambiti di lavoro e tematiche diverse;
-è in grado di interpretare, in modo autonomo, dati di letteratura tecnico scientifica, specialmente in campo pratico‐applicativo.

Prerequisiti

Nozioni di base di Chimica generale, Analisi matematica e Fisica generale.

Contenuti dell'insegnamento

1. Proprietà dei gas e legge zero della termodinamica.
2. Concetti di base della Termodinamica
3. Prima legge della termodinamica
4. Applicazioni della prima legge della termodinamica
5. Termochimica.
6. La seconda legge della termodinamica.
7. Equazione fondamentale della termodinamica e potenziali termodinamici.
8. Le proprietà dell’energia di Gibbs.
9. I potenziali chimici
10. Termodinamica delle transizioni di fase
11. Miscele e soluzioni
12. Equilibri liquido-vapore in sistemi a due componenti.
13. Proprietà colligative
14. Termodinamica dell’equilibrio chimico.
15. Cinetica Chimica.

Programma esteso

1 Proprietà dei Gas e Legge Zero della Termodinamica
1.1 Stato fisico dei gas
1.2 Temperatura e Legge Zero della termodinamica
1.3 Scale Termometriche
1.4 Equazione di stato dei gas ideali
1.7 Teoria cinetica dei gas
1.8 Isoterme dei gas reali: temperatura critica e condensazione
1.9 Interazioni molecolari nei gas reali
1.10 Comprimibilità dei gas reali
1.11 Equazione di stato del viriale
1.12 Equazione di stato di van der Waals
1.13 Isoterme di van der Waals
1.14 Legge degli stati corrispondenti

2 Concetti di Base della Termodinamica
2.1 I sistemi termodinamici
2.2 Stato di un sistema termodinamico: variabili di stato e funzioni di stato
2.3 Trasformazioni di stato
2.4 Stati di equilibrio e stati di non-equilibrio

3 Prima legge della Termodinamica
3.1 Lavoro, calore, energia
3.2 Le basi sperimentali della prima legge
3.3 La formulazione della prima legge: l’energia interna
3.4 La misura del lavoro
3.5 La misura del calore e le capacità termiche
3.6 Corollari della prima legge
3.7 Trasformazioni di stato infinitesime
3.8 Le derivate parziali dell’energia interna
3.9 L’interpretazione molecolare dell’energia interna

4. Applicazioni della Prima legge della Termodinamica
4.1 Lavoro espansivo e non espansivo
4.2 Energia interna e scambi di calore a volume costante
4.3 Entalpia e scambi di calore a pressione costante
4.4 Le trasformazioni dei gas
4.5 Proprietà termodinamiche dei gas ideali
4.6 Proprietà termodinamiche dei gas reali

5 Termochimica
5.1 Calore di reazione e Legge di Hess
5.2. Entalpia ed energia di reazione
5.3 Entalpie standard di reazione
5.4 Effetto della temperatura
5.5 Relazione tra entalpia ed energia di reazione
5.6 Entalpia di transizione di fase
5.7 Interpretazione molecolare della termochimica
5.8 Il grado di avanzamento delle reazioni chimiche

6 Seconda Legge della Termodinamica
6.1 Processi irreversibili
6.2 L’entropia e la seconda legge della termodinamica
6.3 Corollari della seconda legge
6.4 Misura delle variazioni di entropia
6.5 Variazioni di entropia e trasformazioni irreversibili
6.6 Entropia delle sostanza pure
6.7 Terza legge della termodinamica
6.8 Entropia assoluta delle sostanze
6.9 Entropia standard di reazione
6.10 Interpretazione molecolare dell’entropia
6.11 Le macchine termiche

7 L’Equazione Fondamentale della Termodinamica e i potenziali termodinamici
7.1 Equazione fondamentale
7.2 Relazioni termodinamiche generali: equazione di Helmholtz, relazione tra capacità termiche
7.3 Criteri generali di spontaneità ed equilibrio: i potenziali termodinamici
7.4 I Sistemi isolati e l’entropia
7.5 Le trasformazioni isocore-isoterme e l’energia di Helmholtz)
7.6 Le trasformazioni isobare-isoterme e l’energia di Gibbs)
7.7 Teorema del lavoro non-espansivo

8 Le proprietà dell’ energia di Gibbs
8.1 Energia di Gibbs standard di sostanze pure
8.2 Dipendenza dalla temperatura e l’equazione di Gibbs-Helmholtzù
8.3 Dipendenza dalla pressione
8.4 Energia di Gibbs di gas ideali e reali, di liquidi e di solidi puri.

9 I Potenziali Chimici
9.1 Definizione
9.2 L’equazione di Gibbs-Duhem
9.3 Potenziali chimici di sostanze pure
9.4 I Potenziali chimici nelle miscele e soluzioni e l’attività termodinamica
9.5 I potenziali chimici e l’energia di Gibbs di reazione: direzione di spontaneità ed equilibrio chimico

10 Termodinamica delle Transizioni di fase
10.1 Diagrammi di fase di sostanze pure
10.2 L’equazione di Clapeyron
10.3 Regola delle fasi di Gibbs
10.3 Teorema di Duhem
10.4 Sistemi binari Liquido-Vapore
10.5 Soluzioni in equilibrio con solidi
10.6 Condensazione nelle isotermed di van der Waals: la costruzione di Maxwell
10.7 Classificazione delle transizioni di fase

11 Miscele e Soluzioni
11.1 I potenziali chimici nelle miscele e soluzioni
11.2 Sistemi ideali e sistemi reali
11.4 Miscele di gas ideali
11.5 Le soluzioni perfette
11.6 Le soluzioni diluite ideali
11.7 Le soluzioni reali
11.8 Termodinamica di mescolameto delle soluzioni perfette
11.9 Le soluzioni Reali e le funzioni di eccesso
11.10 Le Soluzioni regolari

12 Equilibri Liquido-Vapore
12.2 Tensioni di vapore nelle soluzioni perfette e la legge di Raoult
12.3 Tensioni di vapore nelle soluzioni diluite ideali e la legge di Henry
12.4 Tensioni di vapore nelle soluzioni reali, sistemi azeotropici

13 Proprietà Colligative e Solubilità
13.1 Innalzamento ebullioscopico
13.2 Abbassamento crioscopico
13.3 Pressione osmotica
13.4 Solubilità di soluzioni perfette

14 L’Equilibrio Chimico
14.1 Energia di Gibbs di reazione
14.2 Energia di Gibbs di reazione e lavoro non espansivo
14.3 Energia di Gibbs di reazione e attività termodinamiche
14.4 La legge d’azione di massa
14.5 Reazioni tra gas ideali
14.6 Reazioni in soluzioni ideali e reali
14.7 Reazioni eterogenee
14.8 Determinazione delle costanti di equilibrio
14.9 Effetto della temperatura
14.10 Effetto della pressione
14.11 Reazioni parallele e controllo termodinamico

15 Cinetica chimica
15.1 Velocità di reazione e leggi cinetiche
15.2 Leggi cinetiche e meccanismi di reazione
15.5 Equazioni cinetiche e meccanismi di reazione
15.5 Approssimazione dello stato stazionario
15.6 Effetto della temperatura
15.7 Teoria dello stato di transizione
15.8 Catalisi
15.9 Controllo cinetico e controllo termodinamico

Bibliografia

Peter W. Atkins,Julio De Paula, Chimica Fisica, 5a Ed., Zanichelli, 2012.
Ilya Prigogine,Dilip Kondepudi, Termodinamica. Dai motori termici alle strutture dissipative, Bollati-Boringhieri, 2002

Metodi didattici

Le attività didattiche vengono condotte mediante lezioni frontali (48h) integrate da seminari di approfondimento e tutoraggio (12h).
Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate sulla piattaforma Elly.
Le slide vengono considerate, insieme ai testi di riferimento parte integrante del materiale didattico. Gli studenti non frequentanti possono controllare il materiale didattico disponibile tramite la piattaforma Elly.

Modalità verifica apprendimento

Le modalità di verifica dell'apprendimento consistono:
- nella discussione critica delle relazioni relative alle esperienze condotte in laboratorio, con scala di valutazione 0-30 e peso 0.25
- in una prova scritta a risposte aperte, con scala di valutazione 0-30 e peso 0.25.
- in una prova orale mediante interrogazione, con scala di valutazione 0-30 e peso 0.50
Per le date degli appelli (sessione invernale febbraio, estiva giugno-luglio, autunnale settembre 2018) consultare Esse3

Altre informazioni

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