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CHIMICA FISICA III - Corso B (cognomi L-Z)

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PHYSICAL CHEMISTRY III

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
MFN1168
Docente
Gloria Berlier (Titolare)
Corso di studio
Chimica e Tecnologie Chimiche
Anno
2° anno
Periodo
Secondo periodo
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto
Prerequisiti
Matematica
Fisica
Chimica generale ed inorganica
Chimica Organica
Chimica Fisica
Mathematics
Physics
General and inorganic chemistry
Organic chemistry
Physical Chemistry
Propedeutico a
Nessuna propedeuticita'
The course is not preparatory to future courses
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

L'insegnamento si propone di fornire agli studenti i fondamenti delle interazioni intermolecolari e della cinetica chimica fenomenologica.

The course provides foundations on intermolecular interactions and phenomenological chemical kinetics.

 

 

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

Alla fine dell'insegnamento il/la student* dovrà essere in grado di spiegare ed eventualmente giustificare formalmente i concetti e la fenomenologia riconducibili a:
• Interazioni elettrostatiche
• Forze dispersive e loro ruolo nelle fasi condensate
• Polarizzazione
• Legame ad idrogeno e sue proprietà
• Interazioni intermolecolari e termodinamica
• Legge di Trouton
• reazione elementare
• meccanismo di reazione
• energia di attivazione di un processo chimico
• ordine di reazione
• approssimazione dello stato stazionario
• reazioni catalizzate
• isoterma di adsorbimento di Langmuir
• reazioni alle superfici
• meccanismo di Langmuir
• meccanismo di Rideal

• molecolarità di una reazione
• velocità di una reazione chimica
• stadio determinante la reazione
• tempo di dimezzamento
• controllo termodinamico e cinetico
• catalisi enzimatica
• Inibizione enzimatica
• fisisorzione e chemisorzione.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

L* student* dovra' essere in grado di svolgere semplici esercizi numerici con particolare riguardo al trattamento delle unita' di misura. Dovra' essere in grado di trattare dati sperimentali secondo un modello lineare di cui dovra' stimare la pendenza e l'intercetta con metodi geometrici.

Autonomia di giudizio

Gli/le student* dovranno essere in grado di valutare criticamente i risultati di calcoli e l'accettabilità degli stessi in base alle conoscenze chimiche acquisite.

Abilità comunicative

Gli/le student* dovranno essere in grado di esprimere i concetti fondamentali utilizzando un linguaggio corretto in un breve testo che evidenzi le conoscenze acquisite in un discorso logico.

Knowledge and understanding

Students should be able to explain (also using adequate formalism, if necessary) the meaning and phenomenology related to:
• Electrostatic interactions
• Dispersive forces and their role in condensed phases
• Polarization
• Hydrogen bond and its main features
• Thermodynamics of the interaction
• Trouton law
• Elementary chemical step
• Reaction mechanism
• Activation energy of a chemical process
• Reaction order
• Stationary state approximation
• catalyzed reactions
• Adsorption and the Langmuir isotherm
• Reactions at surfaces
• Langmuir mechanism
• Rideal mechanism
• Reaction molecularity
• rate of a chemical reaction
• Rate determing step
• Reaction half-time
• Kinetic versus thermodynamic control
• Enzyme catalysis
• Enzymatic inhibition
• Physisorption and chemisorption

Applying knowledge and understanding

The student should also be able to solve simple numerical exercises with particular care on units of measurements. The student should also be able to handle experimental data with a linear regression model of which slope and intercept should be determined in  a geometrical fashion.

Making judgements

Students should be able to critically evaluate the results of calculations and the acceptability of the same based on their acquired chemical knowledge.

Communication skills

Students should be able to express fundamental concepts using correct language in a short text highlighting the acquired knowledge in a logical discourse.

 

Oggetto:

Programma

Interazioni inter-molecolari. Interazioni a corto e lungo raggio. Legge di Coulomb. Interazione tra ioni. Costante di Madelung in solidi ionici. Definizione di dipolo elettrico. Interazione ione-dipolo generalizzata e raggio di idratazione. Interazione dipolo-dipolo permanenti. Interazioni di Keesom. Energie libere di interazione. Multipoli elettrici e loro interazioni.
Interazioni dipolo-dipolo indotto. Polarizzabilita' atomica e molecolare. Trattazione semiclassica delle interazioni dispersive di London. Solidi e liquidi di van der Waals. Interazioni repulsive e totali. Il legame ad idrogeno. Ruolo delle forze dispersive in addotti legati con legame ad idrogeno. Aspetti termodinamici delle forze intermolecolari. Regola di Trouton. Forze di interazione in gas, liquidi e solidi. Solidi cristallini amorfi e polimerici. Proprieta' dei materiali riconducibili alla struttura atomica.
Ore: 12
Cinetica chimica: note introduttive. Relazione tra cinetica e termodinamica. Esempi intuitivi di controllo cinetico delle reazioni. La definizione operativa di velocita' di reazione. Cinetica chimica e stechiometria di reazione. Relazione tra la velocita' di reazione e i coefficienti stechiometrici. Ore: 4
Ordine di reazione empirico. Relazione tra ordine di reazione e coefficienti stechiometrici. Metodi per la determinazione della legge cinetica. Metodo dell'isolamento. Metodo dei coefficienti angolari iniziali. Ore:4
Concetto di reazione elementare. Molecolarita'. Scrittura delle equazioni
cinetiche per le reazioni elementari. Relazione tra ordine di reazione e
molecolarità. Ore: 4
Leggi cinetiche in forma integrata. Reazioni di ordine 0. Reazioni del primo ordine. Reazioni di secondo ordine. Confronto tra i due. Difficoltà sperimentali nella interpretazione dei dati cinetici. Reazioni vicine all'equilibrio. Relazione tra costanti cinetiche di semireazione e costante di equilibrio termodinamica. Ore: 4
Decadimento radioattivo come processo del primo ordine. Datazione radioattiva. Reazioni consecutive. Soluzione analitica esatta. Stadio determinante la velocita' di reazione. Ore:2
Approssimazione dello stato stazionario. Temperatura e velocita' di reazione. Legge di Arrhenius. Legge di Arrhenius generalizzata. Ore: 4
Reazioni con pre-equilibrio. Reazioni di ordine terzo. Energia di attivazione negativa. Tecniche per lo studio delle reazioni ultra-veloci. Tecniche di flusso. Metodi di rilassamento. Ore: 4
Reazioni competitive al primo ordine. Controllo termodinamico. Controllo cinetico. Reazioni unimolecolari. Meccanismo di Lindemann-Hinshelwood. Ore: 4
Cinetica alle superfici: adsorbimento. Fisisorzione, chemisorzione.
Isoterma di Langmuir.  Ore: 4
Catalisi e ruolo delle superfici. Meccanismo di Molina per la distruzione
dell'ozono stratosferico. Il ghiaccio come catalizzatore. Ore: 2
Entalpia isosterica di adsorbimento. Velocita' di adsorbimento.
Coefficiente di adsorbimento (sticking probability). Velocita' di
desorbimento. Ore: 2
Reazioni catalizzate da enzimi. Equazione di Lineweaver-Burk.
Meccanismo delle reazioni catalizzate da enzimi. Esempio dettagliato di
funzionamento enzimatico. La serina proteinasi: meccanismo di azione.
Inibizione enzimatica (competitiva, acompetitiva, non competitiva).
Esempio numerico dettagliato di linearizzazione. Ore: 4

Intermolecular interactions. Short and long range interactions. Coulomb law. Ion-ion interactions. Madelung constant in ionic systems. Electric dipole. Ion-dipole interaction. Idration radius. Permanent dipole-dipole interactions. Keesom interactions. Free energy of interactions. Electric multipoles and their interactions. Induced dipole-dipole interactions. Atomic and molecular polarizabilities. Semiclassic treatment of London dispersive interactions. van der Waals solids and liquids. Total and repulsive interactions. The hydrogen bond. Role of dispersion forces in hydrogen bond adducts. Thermodynamic aspects of intermolecular interactions.
Trouton rule. Interactions strength in gas, liquids and solids. Crystalline, amorphous and polymeric materials. Material properties derived from atomic features. Hours: 12
Introduction to chemical kinetics. Relationships between kinetics and
thermodynamics. Intuitive examples on the kinetic control of reactions.
Operational definition of reaction rate. Kinetics and stoichiometry.
Relationship between reaction rate and stoichiometric coefficients. Hours: 4 .
Empirical reaction order. Relationship between reaction order and
stoichiometric coefficients. Methods to determine the kinetic law.
Isolation method. Method of the initial angular coefficients. Hours: 4
Elementary reactions. Molecularity. Kinetic equations for elementary
reactions. Relationship between reaction order and molecularity. Hours: 4
Integrated kinetic laws. Zero order reactions. First order reaction. Second
order reaction. Comparison between first and second order reaction.
Experimental problems in determining the correct order. Reactions close
to equilibrium. Relationship between semireaction kinetic constants and
thermodynamic one. Hours: 4
Radioactive decay as first order process. Radiation dating. Consecutive
reactions. Exact analytical solution. Stage determining the reaction rate. Hours: 2
Stationary state approximation. Temperature and reaction rate.
Arrhenius law. Genralized Arrhenius law. Hours: 4
Pre-equilibrium reactions. Third-order reaction. Negative activation
energy. Techniques to study ultrafast reactions. Flux techniques.
Relaxation methods. Hours: 4
First order competitive reactions. Thermodynamic control. Kinetic control.
Unimolecular reactions. Lindelmann-Hinshelwood mechanism. Hours: 4
Kinetics at surfaces: adsorption. Physisorption, chemisorption. Langmuir
isotherm. Hours: 4
Catalysis and surfaces. Molina's mechanism for the stratospheric ozone
distruction. Ice as a catalyst. Hours: 2
Isosteric adsorption enthalpy. Adsorption rate. Sticking probability.
Desorption rate. Hours: 2
Enzyme as a catalysts. Lineweaver-Burk equations. Reactions catalyzed
by enzymes. Detailed example of enzymatic reactions. Serine proteinase:
action mechanism. Enzymatic inhibition (competitive, acompetitive, noncompetitive).
Detail example of linearization. Hours: 4

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Modalità di insegnamento

Le lezioni si svolgeranno in presenza

L'insegnamento viene svolto tramite lezioni frontali illustrando tutti i dettagli matematici dei vari concetti chimico fisici tramite il commento al file delle dispense fornite agli studenti.  Questa metodologia di soluzione e di impostazione dei problemi consente lo sviluppo di un metodo di studio dei concetti della chimica fisica. Nel corso si fara' uso di video su youtube su argomenti di non facile attaubilita' pratica  di cui viene fornito il link nella sezione dedicata al materiale didattico. Vengono svolte alcune lezioni dedicate all'utilizzo corretto di Excel per il trattamento dei dati sperimentali tramite regressione lineare.

Il materiale didattico è disponibile su Campusnet e Moodle

  • Comunicazione con gli studenti: email per domande specifiche

The lessons will take place in presence

Theaching is carried out through lectures illustrating all the mathematical details of the various chemical-physical concepts through the commentary on the file of the handouts provided to the students. This mode allows students connected remotely to follow various reasoning. This methodology of solving and setting problems allows the development of a method of studying the concepts of physical chemistry. During the course we will make use of videos on youtube on topics that are not easy to apply in practice, the link of which is provided in the section dedicated to teaching material. Some lessons are held dedicated to the correct use of Excel for the treatment of experimental data through linear regression.

Teaching material published on Campusnet and moodle:

  • Communication with students: email for specific questions
 
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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame  si svolge in forma scritta e consiste in 8 domande a risposta aperta che corrispondono ad elaborazione formale e concettuale dei temi del corso insieme ad esercizi numerici in cui lo studente deve svolgere calcoli numerici semplici o interpretare andamenti nei dati sperimentali utilizzando la regressione lineare. L'esame avrà durata di 120 minuti

Ogni esercizio verrà valutato da 0 a 5 punti e la valutazione finale sarà la media aritmetica, rapportata a 30/30. La media verrà integrata da una valutazione (da -3 a 3) relativa allo stile e la chiarezza nella elaborazione dei concetti, cura e rigore numerico nello svolgimento degli esercizi numerici con particolare riferimento all'uso corretto delle unità di misura. Lo svolgimento dei passaggi per raggiungere una formula finale è considerato fondamentale per mostrare la comprensione dei concetti. Il docente potrà ritenere insufficiente un elaborato quando alcuni concetti fondamentali, di cui si è data ampia discussione durante le lezioni in aula, non siano corretti, indipendentemente dallo svolgimento di altri esercizi. Il voto è espresso in 30esimi. In caso di superamento dell'esame (voto uguale o superiore a 18/30) se lo studente decide di non accettare il voto, la prova d'esame decadrà completamente e lo studente dovrà ridare interamente l'esame in una nuova sessione.


The examination includes 8 questions related to important concepts explained in the lectures and numerical exercises. Simple numerical elaboration of experimental data is also required. This includes the ability to make a manual linear best fit to a set of experimental data. The exam will last 120 minutes.

The final score is the average of the score of each exercise (from 0 to 5 points), normalized to 30/30. The average is integrated by the evaluation (from -3 to+3 points) concerning clarity of the written style, proper and rigorous handling of numerical and measurement units in the exercises. The needed formal steps to arrive at a final formula are also required.
The teacher may evaluate a test as insufficient when serious flaws are found on basic important concepts (extensively explained during the lectures) despite the correctness of other points. The exam is passed if the final score is within the 18-30 range.  In case the student will get a score equal or higher than 18/30  but will not accept the vote the exam test should be repeated entirely in a new session and no reference at all to the previous score will be given.

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Attività di supporto

La docente e' disponibile su appuntamento via mail a discutere, ripetere e chiarire i concetti spiegati nelle lezioni. Qui li link alla stanza webex della docente

The teacher can be contacted through email to discuss, repeat and clarify any concept explained during the lessons. Here the link at the webex room of the teacher

Testi consigliati e bibliografia

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Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile come pdf degli appunti delle lezioni che sono sempre da considerarsi un compendio a libri di testo ufficiali.

I testi base consigliati per il corso sono:

P. Atkins e J. de Paula, Elementi di Chimica Fisica (V edizione italiana), Zanichelli,
2018.

P. Atkins e J. de Paula, Chimica Fisica (V edizione italiana), Zanichelli,
2012.

J.H. Noggle, Physical Chemistry, Third Edition, HarperCollins College
Publishers, 1996.
G.K. Vemulapalli, Chimica Fisica, EdiSes, 1995.

Infine sono di seguito indicati siti internet di interesse:

in generale le informazioni su wikipedia sono relativamente corrette ma devono essere criticamente verificate con gli appunti.

Si raccomanda la lettura della Nobel lecture di Gerhard Ertl disponibile al link http://www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=784 o lo scritto corrispondente disponibile sulle dispense per approfondimenti relativi alla catalisi eterogenea e le reazioni oscillanti.


Sono inoltre consigliati i seguenti video:
Cinetica enzimatica
http://www.youtube.com/watch?v=hR38o2Ec8b0&feature=related
Reazioni oscillanti
http://en.wikipedia.org/wiki/Belousov%E2%80%93Zhabotinsky_reaction
http://www.youtube.com/watch?v=4I8bnMUv08U
http://www.youtube.com/watch?v=3JAqrRnKFHo

Distruzione dell'ozono stratosferico
http://oceanworld.tamu.edu/resources/environmentbook/stratosphericozone.html
https://www.google.it/search?q=lacche+per+capelli+anni+60&ie=utf8&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:it:official&client=firefoxa&channel=fflb

The teaching material is availbale on the campusnet page. Reccommended
textbook are:

P. Atkins e J. de Paula, Elementi di Chimica Fisica (V edizione italiana), Zanichelli,
2018.

P. Atkins e J. de Paula, Chimica Fisica (V edizione italiana), Zanichelli,
2012.

J.H. Noggle, Physical Chemistry, Third Edition, HarperCollins College
Publishers, 1996.
G.K. Vemulapalli, Chimica Fisica, EdiSes, 1995.


A number of links to website are provided. In general wikipedia is a good source of information provided that the student will check carefully against more official sources the correctness of the concepts.

Important Links:
http://www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=784
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/ertlslides.pdf
Enzyme catalysis
http://www.youtube.com/watch?v=hR38o2Ec8b0&feature=related
Oscillatory reactions
http://en.wikipedia.org/wiki/Belousov%E2%80%93Zhabotinsky_reaction
http://www.youtube.com/watch?v=4I8bnMUv08U
http://www.youtube.com/watch?v=3JAqrRnKFHo
Logistic map
http://it.wikipedia.org/wiki/Mappa_logistica
Stratosferic ozone destruction
http://oceanworld.tamu.edu/resources/environmentbook/stratosphericozone.html
https://www.google.it/search?q=lacche+per+capelli+anni+60&ie=utf-8&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:it:official&client=firefoxa&channel=fflb



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Altre informazioni

https://unito.webex.com/meet/gloria.berlier
Registrazione
  • Chiusa
    Apertura registrazione
    27/02/2022 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/12/2023 alle ore 23:55
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 28/06/2023 08:47
    Location: https://chimicaetecnologie.campusnet.unito.it/robots.html
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