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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 dell'attività didattica
MFN1165
Docenti
Prof. Alessandro Erba (Titolare del corso)
Prof. Gianmario Martra (Titolare del corso)
Michele Cutini (Esercitatore)
Corso di studi
Chimica e Tecnologie Chimiche
Anno
1° anno
Tipologia
Di base
Crediti/Valenza
8
SSD dell'attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'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 insegnamento

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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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Modalità di insegnamento

L'insegnamento prevede lezioni frontali per un totale di 7 CFU (56 ore) e esercitazioni per un totale di 1 CFU (16 ore).

The course is based on frontal lessons for a total of 7 CFU (56 hours) and  exercises for a total of 1 CFU (16 hours).

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Per l'a.a 2019-2020, a partire dalla sesione di aprile 2020, gli esami si svolgeranno in modalità telematica. Per la sessione di aprile, a cui possono partecipare gli studeni che hanno seguito l'insegnemanto negli anni precedenti, erogato in presenza, l'esame si svolgerà in una forma scritta equivalente a quella d elle sessioni che l'anno preceduta: 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

Per gli appelli a partire dalla sessione estiva 2020: LEGGERE ATTENTAMENTE FINO IN FONDO

Per gli appelli a partire dalla sessione estiva 2020, e fintanto che si dovrà utilizzare la modalità telematica, l’esame si svolgerà sempre in forma scritta, e sarà basato su 2 domande aperte e 2 esercizi, ed il tempo complessivo a disposizione per lo svolgimento sarà di 2 h, con gli incrementi dovuti per le studentesse/studenti con disabilità sensoriali e con DSA.

Tale formato verrà mantenuto per gli studenti e le studentesse della coorte 2019-2020, a cui l'insegnamento è stato erogato a distanza, anche quando sarà possibile tornare a svolgere gli esami in aula. In questo caso, per le studentesse e gli studenti delle coorti precedenti si tornerà invece al formato indicato più sopra (3 domande, 3 esercizi, 3 h).

Tornando al formato "2 domande, 2 esercizi, 2 h", le domande, anche articolate, saranno finalizzate alla verifica non solo delle conoscenze, ma anche della comprensione delle stesse. I quesiti non riguarderanno quindi aspetti meramente nozionistici (quali definizioni, enunciati, etc), ma richiederanno, ad esempio, di associare dei commenti agli aspetti di conoscenza, anche in termini di spiegazione dei passaggi formali necessari per pervenire all’obiettivo di una dimostrazione, collegamenti tra contenuti correlati di argomenti diversi.

Quanto agli esercizi, dato che durante l’insegnamento in modalità a distanza è stato possibile mettere a disposizione solo gli svolgimenti già eseguiti e completi, anche se con un commento, e non presentarne lo svolgimento passo a passo, gli esercizi, che costituiranno argomento di esame, saranno dello stesso tipo di quelli presentati e commentati in associazione all’insegnamento, e che sono disponibili nel materiale didattico e su Moodle (con commento) anche per gli studenti degli anni accademici precedenti.

Anche per gli esercizi verrà richiesto non solo di svolgere i passaggi formali, ma di riportare considerazioni sui criteri di scelta del metodo da adottare per la risoluzione.

In base a queste considerazioni, a ciascuna delle risposte ai quesiti verrà assegnato fino un massimo di 9 punti, mentre allo svolgimento di ciascun esercizio verrà assegnato fino ad un massimo di 6 punti, per un totale di 30 punti. In caso di svolgimenti particolarmente brillanti la commissione potrà assegnare la lode.

Vista l’eccezionalità del momento, per le sessioni che prevedono due appelli, in caso di esito insufficiente o di non accettazione del voto conseguito al primo appello sarà consentito ripetere l’esame nell’ambito della stessa sessione.  Tale possibilità era già prevista per chi si ritira nel corso della prova, e viene mantenuta.

Per quanto riguarda gli aspetti tecnici e pratici dello svolgimento dell’esame:

1) qualche giorno prima della data dell’appello verrà eseguita una simulazione della modalità di consegna, che prevede che i fogli su cui si sono scritti risposte e svolgimenti degli esercizi vengano fotografati, e le foto inviate ai docenti tramite la piattaforma Moodle

2) gli iscritti all’appello verranno suddivisi in gruppi di numerosità indicativamente pari a 10, ciascuno dei quali svolgerà la prova tramite una sessione Webex dedicata, a cui saranno collegati due componenti della commissione, che sarà costituita dai docenti dell’insegnamento e da cultori della materia nominati dal Dipartimento

3) le norme per assicurare il corretto svolgimento della prova sono quelle contenute nelle Linee Guida inviate dall’Ateneo al corpo docente, relative anche agli esami di profitto scritti, che per la modalità riportata più sopra indicano:

Esami scritti su carta.
Lo studente svolge l’esame scrivendo su carta. Si applica a esami scritti di qualsiasi tipo, in particolare a esami che richiedano scrittura da parte dello studente di formule, schemi, grafici, disegni oltre a semplice testo. L’esame si svolge con Webex in videoconferenza tra il docente e gli studenti. La sorveglianza viene effettuata dal docente, che chiede allo studente di posizionare la videocamera del proprio dispositivo in modo da inquadrare il foglio su cui sta scrivendo e, possibilmente, lo studente e l'ambiebte immediatamente circostante.

Al termine della prova lo studente invia al docente il proprio elaborato come file pdf o jpg ottenuto digitalizzando quanto scritto mediante scanner (se disponibile) o fotografando le pagine con il telefonino o il tablet. Ogni sessione di esame può coinvolgere un numero limitato di studenti (indicativamente non più di 20) per consentire al docente una sorveglianza effettivamente efficace, ma anche per limitare i possibili problemi di connessione di rete, essendo necessario assicurare un collegamento costante tra il docente e ogni singolo studente.

In caso di esami con un elevato numero di studenti si possono attivare sottocommissioni che svolgeranno gli esami in sessioni parallele con prove di eguale complessità, ma diverse.
Per una migliore gestione dei tempi e per rendere più semplice la raccolta degli elaborati, si consiglia, anche per questa soluzione, di utilizzare la piattaforma Moodle. “

Inoltre, come negli esami in aula viene chiesto di depositare i telefoni cellulari di cui si è in possesso sulla cattedra, verrà chiesto di posizionarli nel campo di ripresa della videocamera, con lo schermo rivolto verso il basso. Eventuali esigenze diverse verranno valuate nel caso si presentino, e le relative modalità definite durante il collegamento per la simulazione della consegna.

 

 

For the academic year 2019-2020, until the examination session of April 2020 (in remote) included, 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.

For the following examination sessions: the form of the exam will take into account that for this academic year, teaching has been carried out in remote. The specific form is under evaluation, also depending on additional technical inputs from the University.

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Attività di supporto

Su Moodle:

- registrazioni di commenti vocali allo svolgimento di esercizi, resi già disponibili in forma di testo scritto (svolgimento completo) insieme alle lezioni a cui di riferiscono

- forum di discussione sui contenuti delle lezioni e sulle sessioni di esercizi

 
Tutoraggio pre-appelli d'esame.

Prima di ciascun appello d'esame, verrà svolto un un tutorato per la risoluzione di esercizi delle tipologie che potranno essere argomento dell'esame stesso. In particolare sono previste 4 sessioni di lavoro di 2 ore ciascuna nella settimana precedente ciascun appello. Tali attività saranno erogate tramite sessioni Webex in diretta, che saranno comunque registrate e rese disponibili su Moodle.
Per gli appelli di luglio e settembre, per i quali il tutorato verrà svolto dal Dr. Cutini, tali attività si svolgeranno sempre in orario 14-16 nelle seguenti date:
- 22,23,25,26 giugno
- 13,14,16,17 luglio
- 7,8,9,10 settembre

Il Dott. Cutini aggiornerà di volta in volta il link della sessione Webex in questa pagina web: https://chimicaetecnologie.campusnet.unito.it/do/avvisi.pl/Show?_id=919n
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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. Il potenziale chimico. Applicazione al caso dei gas.

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. The chemical potential. Application to gases.

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.

Testi consigliati e bibliografia

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  • Il materiale didattico è disponibile nella pagina web dell'insegnamento in forma di:
    - lezioni con registrazione della spiegazione del docente, su Moodle
    - file pdf delle elzioni, per l'eventuale stampa, nel materiale didattico su Campusnet.
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  • 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

Per l'a.a. 2019-2020: si consiglia una lettura tempestiva delle mail inviate dai docenti (tramite la lista di quanti sono registrati all'insegnamento)

Per gli a.a. precedenti:

Frequenza fortemente consigliata.

Attendance is strongly suggested.

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Ultimo aggiornamento: 18/06/2020 08:06
Location: https://chimicaetecnologie.campusnet.unito.it/robots.html
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