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Chimica Fisica I

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Physical Chemistry I

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Anno accademico 2020/2021

Codice attività didattica
MFN1261
Docente
Prof.ssa Silvia Casassa (Titolare del corso)
Corso di studio
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Anno
1° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
7
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Analisi matematica (integrali e differenziali di funzioni a più variabili).
Mathematical analysis (derivatives and integrals of multi-variables functions).
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

Il corso fornisce agli studenti le nozioni di base della termodinamica classica, con elementi di cinetica, necessarie per prevedere il comportamento di sistemi solidi, liquidi e gassosi a composizione chimica anche complessa, sottoposti a variazioni di temperatura, volume, pressione e in condizioni di reattività chimica.

Il corso è completato da esercitazioni numeriche. Introduce il concetto di funzione di stato; introduce i potenziali termodinamici U, H, S, A e G e le relazioni che li legano; fornisce le condizioni generali di naturalità e di equilibrio nei sistemi chiusi. Descrive le proprietà termodinamiche dei miscugli ideali gassosi, liquidi e solidi; ricava le condizioni specifiche di equilibrio di fase e di reazione; fornisce la capacità di leggere i diagrammi di fase. Infine, si forniscono agli studenti i fondamenti chimico-fisici della cinetica chimica fenomenologica.

The course provides the background elements of the classic thermodynamics together with some basic concepts of kinetic related to statistic thermodynamics.  

It aims at the comprehension of the mechanisms which rules the transformation of matter under a change in temperature, pressure, volume or composition.

The main relationships between the four thermodynamics potential have to be fully understood as well as their dependency from temperature pressure and composition.
The four Principle of the Thermodynamics must become a substrate through which interpret the macroscopic properties of matter, in equilibrium condition.
Pure substance and ideal mixtures should be described properly by using thermodynamics observables and concepts.
Thermodynamic equilibrium conditions have to be related and compared with the kinetic side of any process.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Comprensione del rapporto tra le proprietà microscopiche e quelle macroscopiche della materia. Inquadramento generale dei fenomeni chimico-fisici in cui è coinvolta la temperatura, il passaggio di calore ed energia tra i corpi.
Capacità nel tradurre concetti termodinamici in leggi ed equazioni matematiche.

Possibilità di utilizzare i concetti della termodinamica per una comprensione dei fenomeni chimico-fisici, quali: le reazioni chimiche e le transizioni di fase di sistemi semplici e complessi.

Comprehension of the relationship between microscopic and macroscopic properties of matter. Comprehension of the definition of the state of a systems and of theprocesses which can occur, as induced by temperature, volume, pressure and composition variations.


Ability in translating thermodynamic concepts into mathematical equations.

Possibility to exploit the thermodynamics concepts and machinery to better understand several chemical-physics processes as chemical reactions and phase transition in simple and complex systems.

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Programma

Cenni di dinamica molecolare per introdurre il concetto di temperatura ed energia di un sistema termodinamico.
Le proprietà dei gas ideali; equazioni di stato, funzioni di stato. Il fattore di compressione e la legge degli stati corrispondenti.
Zeresimo principio e temperatura empirica; scala della temperatura del gas perfetto.
Le proprietà dei gas reali; equazione di van Der Waals. Temperatura, pressione e volume critico.
I processi, isotermici, isobari, isocori, adiabatici; reversibili e irreversibili.
Calore e lavoro.
Il primo principio: energia interna, entalpia, calori specifici. Le trasformazioni permesse.
II secondo principio: entropia e spontaneità dei processi termodinamici. Energia di Helmholtz e di Gibbs.
Le quattro equazioni fondamentali per un sistema chiuso. Le condizioni di naturalità e di equilibrio in un sistema chiuso.
Il terzo principio.

Le sostanze pure: potenziale chimico e condizioni di equilibrio di fase, il concetto di varianza, i diagrammi di fase. Le curve di monovarianza e l'equazione di Clapeyron. Le curve di sublimazione e di ebollizione e l'equazione di Clausius-Clapeyron.

Il punto critico.

I miscugli omogenei: grandezze di mescolamento, grandezze molari parziali. La reazione chimica: le condizioni di naturalità e di equilibrio.
I miscugli eterogenei:potenziali chimici, condizioni di equilibrio di fase, di reazione e regola delle fasi.
I miscugli gassosi: i miscugli di gas ideali; i miscugli gassosi reali . La reazione chimica in fase gassosa: le grandezze standard di reazione e le costanti di equilibrio. L'influenza delle variabili fisiche sullo spostamento dell'equilibrio.

Diagrammi di fase binari. Equilibri liquido-vapore: zeotropi, azeotropi e distillazione frazionata. Lacune di miscibilità ed equilibrio liquido-liquido. L'equilibrio liquido-solido e solido-solido: sistemi peritettici, eutettici semplici e di soluzioni solide.

Introduzione alla cinetica chimica.. Definizione operativa di velocita' di reazione. Cinetica chimica e stechiometria di reazione. Relazione tra la velocita' di reazione e coefficienti stechiometrici. Definizione di reazione elementare. Molecolarita'. Relazione tra ordine di reazione e molecolarità.
Forma integrata delle leggi. Reazioni di ordine 0, 1 e 2..Decadimento radioattivo come processo del primo ordine. Datazione radioattiva. Temperatura e velocita' di reazione. Legge di Arrhenius.

Zeroth principle and empirical temperature, ideal gas temperature scale.
The properties of ideal gas, equations of state and state functions. Heat and work. The first law: internal energy, enthalpy, specific heats. The second principle: the thermodynamic temperature and entropy, reversibility and irreversibility. Helmholtz and Gibbs energy. The four basic equations for a closed system. The terms of naturalness and balance in a closed system. The third principle.
The pure substances: chemical potential and equilibrium phase, the concept of variance, the phase diagrams. The curves of monovariate Clapeyron equation. The sublimation and boiling curves of the Clausius-Clapeyron equation. The critical point.
The homogeneous mixtures: sizes of mixing, partial molar quantities. The chemical reaction: the conditions of naturalness and balance.
The heterogeneous mixtures: chemical potentials, equilibrium conditions, phase and reaction phase rule.
The gaseous mixture: A mixture of ideal gases, real gas mixtures. The chemical reaction in gas phase: the standard states and  reaction and equilibrium constants. The influence of physical variables on the shifting balance.
The mixed condensate states: the activity coefficients. The excess functions. The contributions of enthalpy and entropy terms of the deviations from ideal. Ideal dilute solutions. The conventions for the states of reference in condensed mixtures. Colligative properties. The measure of activity coefficients. The osmotic coefficient. Chemical reactions in condensed phase.
Binary phase diagrams. Liquid-vapor equilibrium: zeotropic, azeotropes and fractional distillation. Miscibility gaps and liquid-liquid equilibrium. The equilibrium liquid-solid and solid-solid: peritectic systems, simple eutectics and solid solutions ..
The electrochemical systems. The electrochemical potential. Galvanic cells: reaction cell, electromotive force (emf) of the cell and its measurement. Nernst equation and standard electrode potential.
Introduction to chemical kinetics .. Operational definition of rate 'reaction. Chemical kinetics and reaction stoichiometry. Relationship between the rate of reaction and stoichiometric coefficients. Empirical reaction order. Methods for determining the rate law. Definition of elementary reaction. Molecular. Relation between reaction and molecular order.Integrated form of the laws. Reactions of order 0, 1 and 2 .. Radioactive decay as a process of first order. Radioactive dating. Consecutive first order reactions. Exact analytical solution. Determining step of the rate  reaction. Steady-state approximation. Temperature dependence of the rate of the reactions. Arrhenius Law.. Outline of the theory of reaction dynamics.

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Modalità di insegnamento

Tipologia Insegnamento 

Lezioni frontali ed esercitazioni in classe. Utilizzo della piattaforma Moodle per lo svolgimento di attività originali da parte degli studenti/esse.

Nel caso dovessero permanere le restrizioni a causa del Covid,  le lezioni si svolgeranno a distanza, in diretta, utilizzando la piattaforma WebEx e, una volta terminate, saranno rese disponibili sul Moodle.

In tutti i casi, le lezioni si svolgeranno in accordo con l'orario accademico.

In caso di problemi tecnici (connessione e/o mancanza di supporto informatico adeguato) si prega di contattare la docente.

 Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria, ma fortemente consigliata

Frontal lectures and exercises in classroom. The Moodle e-learning platform is used to suggest and perform original activities.

If due to the Covid, the restrictive measures should persist, lessons will take place through the WebEx platform, face-to face, according to the Accademic calendar. Lessons will be subsequently upload on the Moodle platform and be made accessible to all.

Not obbligatory, but strongly suggested

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame si compone di una parte scritta ed una orale.

Qualora dovessero persistere le limitazioni dovute al Covid, sia l'esame scritto che l'orale si svolgeranno attraverso la piattaforma WebEx, il giorno indicato da calendario.

Studenti e studentesse sono invitati a contattare il docente in caso di problemi tecnici, quali l'impossibilità ad accedere a risorse informatiche e/o piattaforme on-line.

Inoltre, anche qualora si tornasse ad effettuare gli esami in presenza, lo studente/essa potrà richiedere di continuare ad usufruire della modalità on-line in caso di fragilità di salute o di residenza remota rispetto alla sede universitaria.

Per quanto riguarda l'esame orale, gli studenti/esse verranno suddivisi in gruppi di 4 e gli incontri via WebEx avverranno con la co-presenza di un docente e/o cultore della materia.

Nello scritto, vengono proposti alcuni problemi, simili a quelli affrontati durante le lezioni.
Se lo studente/studentessa supera lo scritto (almeno 18/30) può affrontare l'esame orale.
Durante il colloquio sarà verificata la conoscenza dei principi, delle equazioni, dei concetti e delle quantità fondamentali della termodinamica.

Lo studente/essa deve dimostrare di avere acquisito una comprensione globale della materia e di essere in grado di esporla con chiarezza.

 

 

ESAMI A DISTANZA: modalità orale secondo il Decreto Rettorale n.1097/2020.

The exam is composed by a written and oral (mandatory) part.

If due to the Covid, the restrictive measures should persist, both the exams will take place using the WebEx on-line platform. The students will be monitored during their written composition and will be subsquently interviewed in small groups (4) with the support of colleagues.

Students are kindly requested to contact the teacher in case of technical problems.

Furthermore, even if the exams are resumed in presence, in the event of health fragility or remote residence from the university, the student can request to substain the examination using the online mode.

The written exam contains 4-5 problems of thermodynamics, similar to the exercises proposed during the teaching.

If the student passes the written part (minimum mark required is 18/30) she/he can face the oral examination intended to verify the knowledge on principles, equations and fundamental thermodynamics quantities and concepts.

The final vote is an average of the two ratings.

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Attività di supporto

E' previsto un tutoraggio di supporto alla didattica

https://tutoratoonline.orientamente.unito.it/course/view.php?id=651

 

Supporting material and on-line tutoring

https://tutoratoonline.orientamente.unito.it/course/view.php?id=651

 

 

 

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Testi consigliati e bibliografia

P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004

G.K. Vemulapalli, Chimica Fisica, EdiSES, Napoli (1995).

D.A. Mc Quarrie, J.D. Simon, Chimica Fisica: un approccio molecolare, Zanichelli, Bologna (2000).

Dispense e slides del corso, fornite dal docente e scaricabili dal sito.

P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli (2004).

G.K. Vemulapalli, Chimica Fisica, EdiSES, Napoli (1995).

D.A. Mc Quarrie, J.D. Simon, Chimica Fisica: un approccio molecolare, Zanichelli, Bologna (2000).

Slides and notes of the lectures provided by the teacher, available on the web site.

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Orario lezioniV

Lezioni: dal 02/03/2021 al 11/06/2021

Nota: Per l'orario dettagliato consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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    Ultimo aggiornamento: 10/07/2020 13:08
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