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Chimica Fisica I

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Physical Chemistry I

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Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN1261
Docente
Dott. Silvia Casassa (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Anno
1° anno
Periodo didattico
Secondo semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
7
SSD dell'attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Analisi matematica (integrali, differenziali).
Mathematical analysis (derivatives and integrals).
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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 gassosi, liquidi e solidi; ricava le condizioni specifiche di equilibrio di fase e di reazione; fornisce la capacità di leggere i diagrammi di fase. Descrive le proprietà delle celle elettrochimiche. Infine, si forniscono agli studenti i fondamenti chimico-fisici della cinetica chimica fenomenologica.

The course provides the background elements of the classic t h e r m o d y n a m i c   t o g e t h e r  w i t h  s o m e  c o n c e p t  s o f s t a t i s t i c 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 mixed compounds 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 latemperatura, il passaggio di calore ed energia tra i corpi.
Capacità nel tradurre concetti termodinamici in leggi ed equazioni matematiche.

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

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Modalità di verifica dell'apprendimento

compito scritto e orale

writing and oral examination

Scritto articolato in esercizi e domande di teoria, integrato da una prova orale, nella quale lo studente deve dimostrare di avere acquisito una comprensione globale della materia e di essere in grado di esporla con chiarezza.

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Programma

Zeresimo principio e temperatura empirica; scala della temperatura del gas perfetto.
Le proprietà dei gas ideali; equazioni di stato e funzioni di stato. Calore e lavoro. Il primo principio: energia interna, entalpia, calori specifici. II secondo principio: entropia e temperatura termodinamica, reversibilità e irreversibilità. 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.
I miscugli condensati ideali e non: l’attività relativa e i coefficienti di attività. Le grandezze di eccesso. I contributi dei termini entalpici ed entropici alle deviazioni dall’idealità. Soluzioni diluite ideali. Le convenzioni per gli stati di riferimento nei miscugli condensati. Proprietà collegate. La misura dei coefficienti di attività. ll coefficiente osmotico. Le reazioni chimiche in fase condensata.
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..
I sistemi elettrochimici. Il potenziale elettrochimico. Celle galvaniche: reazione di cella, forza elettromotrice (fem) della cella e sua misura. Relazione di Nerst e potenziali standard di elettrodo.

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. Ordine di reazione empirico. Metodi per la determinazione della legge cinetica. 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. Reazioni consecutive di primo ordine. Soluzione analitica esatta. Reazioni con pre-equilibrio Stadio determinante la velocita' di reazione. Approssimazione dello stato stazionario.  Temperatura e velocita' di reazione. Legge di Arrhenius.. Cenni di dinamica di reazione e teoria degli urti.

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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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 altro materiale fornito dai docenti.

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 of the lectures Notes

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Note

Tipologia Insegnamento 

  • Lezioni: 48 ore (frontali) ed esercitazioni (12 ore)

 Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria, ma fortemente consigliata

 Lectures 48 h; exercises 12 h

Not obbligatory, but strongly suggested

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Ultimo aggiornamento: 18/05/2015 10:54
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