2020/2021

2021/2022

DM270

CHIM/02 (CHIMICA FISICA)

DIPARTIMENTO DI CHIMICA

CHIMICA

PERCORSO COMUNE

2°

Primo Semestre (27/09/2021 - 21/01/2022)

9

72 ore di attività frontale

ITALIANO

SCRITTO E ORALE CONGIUNTI

CAPSONI DORETTA (titolare) - 3 CFU
GHIGNA PAOLO - 6 CFU

Si richiede allo studente di conoscere gli aspetti di base del calcolo differenziale ed integrale a più variabili.
Inoltre, è richiesta la padronanza delle nozioni acquisite nel corso del 1° anno del corso di laurea triennale in chimica, ed in particolare : 1) Reazioni chimiche e loro bilanciamento in base alla stechiometria. 2) Equilibrio chimico. Espressione della legge di azione di massa. 3) Diagrammi di fase di sostanze pure (es acqua e diossido di carbonio). Indispensabili prerequisiti sono infine concetti generali di fisica come spettro elettromagnetico, energia, etc.

La chimica fisica può essere considerata, in un certo senso, come la teoria della chimica. In questo corso di base, dedicato ai principi della termodinamica classica e alle nozioni fondamentali di meccanica quantistica, si forniscono allo studente gli strumenti fondamentali per la comprensione delle leggi fisiche che governano le trasformazioni chimiche.
Alla fine del corso lo stidente dovrebbe essere in grado di comprendere, anche quantitativamente i principi che stanno alla base delle relazioni struttura/proprietà/reattività chimica.

Per quanto riguarda la meccanica quantistica, gli obiettivi formativi sono i seguenti.
Origine della meccanica quantistica. Familiarizzazione con il formalismo della equazione di Schroedinger ed utilizzo dei diversi operatori. Dalle soluzioni della equazione di Schroedinger per l'atomo di idrogeno agli orbitali.

Dopo una introduzione generale sui principi della termodinamica, si passano ad esaminare le equazioni di stato dei gas ideali e reali, facendo qualche accenno ai fondamenti della teoria cinetica dei gas. Si considera quindi il primo principio della termodinamica in termini di calore e lavoro. Questi concetti vengono formalizzati tramite l'introduzione delle funzioni di stato energia interna ed entalpia, e le loro relazioni. In questo modo si possono introdurre in maniera quantitativa gli aspetti energetici che governano le trasformazioni in generale e le trasformazioni chimiche in particolare, attraverso i concetti fondamentali della termochimica: entalpia di formazione, entalpia integrale di dissoluzione, entalpia di reazione e loro dipendenza dalla temperatura. Gli aspetti sperimentali della termochimica vengono introdotti grazie alla calorimetria.
Si passa quindi a considerare il secondo principio della termodinamica: si introduce la funzione entropia come indicatore della direzione di evoluzione di un sistema, e poi alla espressione della entropia assoluta di una sostanza grazie al terzo principio della termodinamica. L'insufficienza dell'entropia come potenziale chimico porta di conseguenza all'introduzione della funzione energia libera (di Gibbs e di Helmoltz). Ciò permette di discutere le condizioni di equilibrio chimico in un sistema e la dipendenza della costante di equilibrio di una reazione chimica da pressione e temperatura.
Gli equilibri di fase in sistemi a un componente vengono discussi tramite le equazioni di Clapeyron e di Clausius Clapeyron, e la regola delle fasi.
Si passano quindi in esame gli equilibri di fase in sistemi a due componenti: equilibrio liquido-vapore a pressione e temperatura costante, e gli equilibri solido-liquido, esaminando i principali tipi di diagrammi di fase e la loro interpretazione. Concludono questa parte del corso la discussione delle proprietà di miscele liquide ideali e reali (attività e coefficiente di attività, volumi molari parziali, proprietà colligative) e delle condizioni di equilibrio in sistemi elettrochimici attraverso l'introduzione del potenziale elettrochimico.


La crisi della fisica classica e la introduzione della meccanica quantistica. La equazione di Schroedinger e l’interpretazione di Born della funzione d’onda. La teoria quantistica: tecniche ed applicazioni: il moto di una particella in una scatola, il moto vibrazionale, il rotore rigido. Struttura e spettri dell’atomo idrogenoide.

Tutti gli argomenti verranno affrontati con lezioni frontali.
E' prevista la risoluzione, discussa con tutti gli studenti, di alcuni esempi numerici su tutti i punti del programma. Tale attività che si affianca alle lezioni frontali dovrebbe facilitare lo studente a saper affrontare e discutere tutti gli aspetti della materia.

Peter Atkins - Julio de Paula - James Keeler "Chimica Fisica" (VI ed. italiana condotta sulla XI ed. inglese)
Casa Editrice Zanichelli
Le slide usate dal docente durante le lezioni sono rese disponibli agli studenti

L'esame è suddiviso in una prova scritta e una prova orale. Nella prova scritta lo studente deve dimostrare di saper risolvere, sulla base degli esempi numerici discussi durante le lezioni, alcuni problemi concernenti tutti gli argomenti trattati nelle lezioni frontali.
La parte orale prevede l'approfondimento dei citati argomenti, con particolare attenzione ad eventuali carenze segnalate da errori commessi dallo studente in sede di prova scritta.

Le modalità di verifica dell'apprendimento vengono discusse con gli studenti nel corso delle lezioni introduttive.

Il corso fornisce strumenti atti a perseguire gli obiettivi 7 e 12 dell'agenda 2030 dell'Onu.