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CHIMICA FISICA I - Corso A (cognomi A-K)

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PHYSICAL CHEMISTRY I

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
MFN1165
Docenti
Dr. Alessandro Erba (Titolare del corso)
Prof. Gianmario Martra (Titolare del corso)
Corso di studio
Chimica e Tecnologie Chimiche
Anno
1° anno
Tipologia
Di base
Crediti/Valenza
8
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto
Prerequisiti
Fondamenti di chimica, di analisi matematica, di fisica
Fundamental aspects of chemistry, matematics and physics
Propedeutico a
Chimica analitica, inorganica, organica, dei materiali, industriale
Analitical, inorganic, organic chemistry, material chemistry, industrial
processes
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

L'insegnamento fornisce i principi fondamentali che governano le proprietà  ed il comportamento della materia mediante un approccio macroscopico/ fenomenologico ma anche  microscopico. Lo studente potrà applicare la propria conoscenza tecnico-scientifica di base per affrontare le problematiche in campo chimico. In particolare avrà la competenza nell'interpretare i dati derivati dalle osservazioni sperimentali e misurazioni  e relazionarli ad una teoria appropriata.

Più in dettaglio, l'insegnamento fornisce i fondamenti della termodinamica classica. Introduce il concetto di funzione di stato; partendo dalle leggi  fondamentali, introduce i potenziali termodinamici 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 degli elettroliti.

The course gives the basic principles which govern the  properties and the behaviour of the matter, by means of  macroscopic and microscopic approaches. the student will be able to apply the acquired knowledge to solve chemical problems. In particular, the student will be able to correlate the experimental results with the suitable theory.

More in detail, the course gives the rudiments of the classical thermodynamics. It introduces the concept of state function,starting from the fundamental laws; it introduces the thermodynamic potentials and the relationships among them; it gives the general conditions of naturality and equilibrium in closed systems. The course describes the thermodynamic properties of gaseous, liquid and solid systems; it draws the specific conditions of phase and reactions equilibrium; it gives the ability to read the phase diagramms. It shows the properties of the electrolytes.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza delle equazioni fondamentali della termodinamica, capacità di applicarle, sapendo inquadrare correttamente un problema termodinamico.
Conoscenza delle proprietà delle soluzioni, delle condizioni per gli equilibri di fase e di reazione e la loro dipendenza dalle variabili fisiche e chimiche. Capacità di interpretazione dei diagrammi di fase binari ed in particolare delle sezioni isobare che descrivono l’equilibrio liquido-vapore, solido-liquido e solido solido.

Knowledge of the fundamental equations of thermodynamics, ability to solve a thermodynamic problem. Knowledge of the solutions properties, of  the conditions of the phase and equilibrium reactions and how they depend on the physical and chemical variables. Ability to read the phase diagramms and more in detail the isobaric sections that describe the equilibria: liquid-vapour, liquid-solid and solid-solid.

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Programma

Fondamenti di Termodinamica.

Premesse: dalle proprietà microscopiche dei sistemi chimici alle proprietà macroscopiche, stato di equilibrio, equazioni di stato e funzioni di stato. Lo zeresimo principio. Equazione di stato del gas perfetto e la teoria cinetica dei gas. I gas reali: l’equazione di stato del viriale e la temperatura di Boyle; l’equazione di Van der Waals. Le costanti critiche. Il principio degli stati corrispondenti.  Il primo principio: Lavoro, calore ed energia interna. Entalpia. Calori specifici. Il primo principio in azione:termochimica. 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: entropie convenzionali ed energie di Gibbs standards.

Termodinamica Chimica

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. Ordine delle transizioni di fase. I miscugli omogenei: grandezze di mescolamento, grandezze molari parziali, potenziali chimici. La reazione chimica in fase omogenea: le condizioni generali di naturalità e di equilibrio. I miscugli eterogenei: condizioni generali di equilibrio di fase, di reazione e regola delle fasi. Proprietà dei  miscugli gassosi: i miscugli di gas ideali; i miscugli gassosi reali e l’approssimazione di Lewis - Randall. La reazione chimica : le grandezze standard di reazione e le costanti di equilibrio. L’influenza delle variabili fisiche sullo spostamento dell’equilibrio.  Proprietà dei 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. 

 

Fundamentals of Thermodynamics

Introduction. From microscopic properties of the chemical systems to the macroscopic ones, equilibrium states, state equations and state functions. The zeroth law. Ideal gas properties: the ideal-gas pVT equation, the gas kinetic theory. Real gases: virial and van der Waals equations, Boyle temperature, critical constants, law of the corresponding states. The first law: heat, work and the concepts of internal energy, enthalpy, and heat capacities. Effects of the first principle: termochemistry. The second law: entropy and thermodynamic temperature. Reversibility and irreversibility.The Helmholtz and Gibbs free energies. The four Gibbs equations in a closed system. The spontaneity and equilibrium conditions in a closed system. The third law:conventional entropies and standard reaction Gibbs energies.

Chemical Thermodynamics

One-component system: chemical potential, phase equilibrium conditions, number of degrees of freedom, phase diagrams. Two-phase equilibrium curves and the Clapeyron equation. Liquid-vapour and solid-vapour curves and the Clausius-Clapeyron equation. The critical point. Order of the phase transitions. Homogeneous mixtures: mixing quantities and partial molar  quantities, the chemical potentials. The chemical reaction: the spontaneity  and equilibrium conditions. Heterogeneous mixtures: the chemical potentials, phase equilibrium and reaction equilibrium contitions, the phase rule.  Gaseous mixtures: ideal gas mixtures; real gas mixtures and Lewis-Randall approximation.Chemical reactions : standard reaction quantities and equilibrium constants. Temperature and pressure dependence of the equilibrium constants.  Condensed homogeneous mixtures: ideal and non-ideal systems, relative activities and activity coefficients. Excess  functions: the enthalpic and entropic contributions. Ideally dilute solutions. The conventions for the reference states in the condensed mixtures.

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Modalità di insegnamento

L'insegnamento prevede lezioni frontali per un totale di 7 CFU (56 ore; gli argomenti di calorimetria prevedono 4 ore di lezione in laboratorio) e esercitazioni per un totale di 1 CFU (16 ore). La frequenza è fortemente consigliata.

The course is based on frontal lessons for a total of 7 CFU (56 hours; calorimetry topics are based on 4 hours of lessons in laboratory) and  exercises for a total of 1 CFU (16 hours). The attendance is highly recommended.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame è scritto e si svolge come segue: 3 quesiti a risposta aperta (che valgono 4 punti ciascuno) e 3 esercizi (che valgono 6 punti ciascuno). Il tempo a disposizione è di 3 ore. Viene valutata la capacità di impostare correttamente il problema (se viene usata l'equazione giusta), la capacità di elaborare i dati (se i calcoli vengono eseguiti correttamente, se le unità di misura sono quelle giuste), la capacità di spiegare e di commentare quanto scritto. La somma dei punteggi di quesiti ed esercizi è 30

The exam is written and is organized as follows: 3 open questions (corresponding to 4 points each) and 3 exercises (corresponding to 6 points each). The students have 3 hours to complete the exam. The ability of the student to correctly frame the problem (by means of the right equation) will be evaluated, as well as the ability to correctly elaborate the data (by making the calculations with the right units), and the ability to explain and discuss the obtained results. The sum of the points of questions and exercises is 30.

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Attività di supporto

ORARIO TUTORAGGI DI CHIMICA FISICA I

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Testi consigliati e bibliografia

  • Il materiale didattico presentato a lezione sarà disponibile presso il sito web del corso, dove lo studente troverà anche alcuni appunti scritti per esteso degli argomenti trattati a lezione.
  • Non viene consigliato un testo specifico, ma è fortemente consigliata la consultazione di uno buon testo di base di Chimica Fisica per   approfondimenti ed integrazioni. Alcuni suggerimenti: 1) I. N. Levine - PHYSICAL CHEMISTRY – McGraw-Hill International Editions. Chemistry Series. 2) G.K. Vemulapalli - CHIMICA FISICA, EdiSES; 3) P. W. Atkins - CHIMICA FISICA, Zanichelli (IV  edizione). Tutti i testi sono consultabili in biblioteca.

  • Lecture notes of the teacher are available on the website of the course.
  • Although a specific text is not required, further in-depth studies need to refer to some fundamental books including:1) P. W. Atkins - CHIMICA FISICA, Zanichelli (IV o V edizione).2) I. N. Levine - PHYSICAL CHEMISTRY – McGraw-Hill International Editions. Chemistry Series. 3) G.K. Vemulapalli - CHIMICA FISICA, EdiSES. All are available at the library.
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Note

Frequenza fortemente consigliata.

Attendance is strongly suggested.

Registrazione
  • Aperta
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    Ultimo aggiornamento: 28/06/2019 17:33
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