Università degli Studi di Perugia

• Chimica Fisica 1
• Laboratorio di Chimica Fisica 1

Prova scritta e orale.

Da definire.

1) TERMODINAMICA:
Generalità. Sistemi termodinamici, funzioni di stato, grandezze parziali molari. Forze intermolecolari. Equazioni di stato di sistemi in fase gassosa e condensata. Equazione di van der Waals, stato critico, principio degli stati corrispondenti e valutazione del fattore di compressibilità di gas reali puri e in miscela. Calore; lavoro.
1° Principio della Termodinamica.
Esperienze di Joule. Energia interna; entalpia. Capacità termiche a volume e pressione costante. Pressione interna. Processi isotermi e adiabatici reversibili e irreversibili.
Termochimica: leggi, calorimetria. Entalpie di formazione, combustione, atomizzazione dei composti chimici. Entalpia di legame e di risonanza. Equazione di Kirchhoff. Bilanci termici.
2° Principio della Termodinamica.
Entropia: approccio termodinamico e statistico. Ciclo e teorema di Carnot. Diseguaglianza di Clausius. Entropia come criterio di spontaneità e di equilibrio.
Funzioni ausiliarie: funzioni di lavoro ed energia libera. Condizioni di equilibrio in sistemi chiusi: equazione di Gibbs-Helmholtz. Relazioni termodinamiche fondamentali ed equazioni termodinamiche di stato. Potenziale chimico. Equazione di Gibbs-Duhem.
3° Principio della Termodinamica.
Comportamento della materia in prossimità dello zero assoluto. Entropie assolute e loro utilizzazione.
Applicazioni dei principi della Termodinamica. Sistemi gassosi perfetti e reali: potenziale chimico, fugacità, coefficienti di fugacità, diagrammi di Newton e regola di Lewis-Randall.
Sistemi polifase: deduzione termodinamica della regola delle fasi, equazione di Clausius-Clapeyron; leggi di Raoult e di Henry; equazione di Duhem-Margules. Potenziale chimico e convenzioni sugli stati standard nelle soluzioni. Distillazione. Analisi termica. Diagrammi di fase.
2) MECCANICA QUANTISTICA E STRUTTURA ATOMICA
Introduzione. Natura ondulatoria e corpuscolare delle particelle e delle radiazioni. Il corpo nero. Effetto fotoelettrico. Effetto Compton. Esperienza di Davisson e Germer.
Dinamica dei sistemi microscopici e principi della meccanica quantistica. Equazione di Schrödinger. Quantizzazione. Operatori e osservabili. Principio di indeterminazione.
Trattamento di sistemi modello. Particella nella scatola; oscillatore armonico; rotatore rigido bidimensionale e tridimensionale.
Spettri atomici e struttura atomica. Assorbimento, emissione, probabilità di transizione. Trattamento quanto-meccanico per l'atomo di idrogeno e spettro dell'atomo di idrogeno.
Modello vettoriale per sistemi mono- e poli-elettronici; numeri quantici L, S, J; accoppiamenti LS e jj. Quantizzazione spaziale: effetto Zeeman normale e anomalo. Deduzione dei termini degli stati fondamentali ed eccitati degli atomi in base al principio di Pauli e alle regole di Hund. Diamagnetismo; paramagnetismo; effetto magnetico-calorico.

TERMODINAMICA: Gas. I tre Principi: Lavoro, calore; energia interna; entalpia; capacità termiche; entropia, energia libera, potenziale chimico. Diagrammi di fase. Soluzioni. MECCANICA QUANTISTICA: Equazione di Schrödinger. Particella nella scatola, oscillatore armonico, rotore rigido. Struttura e spettri atomici.

Lezioni frontali.

Peter ATKINS e Julio DE PAULA, CHIMICA FISICA (quinta edizione italiana condotta sulla nona edizione inglese, con sito web), Ed. Zanichelli, Bologna (2012).

Come da programma del corso, gli studenti acquisiranno una dettagliata conoscenza di base della Termodinamica Chimica di equilibrio, che è fondamentale in molte aree della Chimica e anche in altre discipline scientifiche, e delle prime basi della Meccanica Quantistica, che sono fondamentali in Chimica.
Per quello che riguarda la Termodinamica, gli studenti alla fine del corso avranno una conoscenza dettagliata dei gas reali, dei Principi ed applicazioni della Termodinamica, dei diagrammi di fase, delle soluzioni ideali e reali. Per quello che riguarda la Meccanica Quantistica, gli studenti alla fine del corso avranno chiare le limitazioni della Meccanica Classica, i fondamenti della Teoria Quantistica, dell'equazione di Schroedinger, dei modelli fondamentali della particella nella scatola, del rotatore rigido e dell'oscillatore armonico, dell'atomo di idrogeno ed atomi idrogenoidi, delle basi della struttura e spettroscopia atomica. Sia nel campo della Termodinamica che della Meccanica Quantistica gli studenti svilupperanno la capacità di risolvere una varietà di problemi numerici. I concetti fondamentali con cui gli studenti diventeranno familiari sono centrali per il proseguimento dei loro studi nel corso di laurea triennale in Chimica.

Il corso inizierà martedì 1 ottobre 2013 alle ore 9:00 in aula A e terminerà venerdì 20 dicembre 2013. Lezioni di recupero e ripasso saranno tenute nella settimana 7-10 gennaio 2014 con orario da definire.

Vedi anche ORARIO delle LEZIONI all'albo del Dipartimento.
Le attività didattiche del modulo di CHIMICA FISICA 1 si terranno dalle 9 alle 11 in Aula A dei giorni lunedì, mercoledì, giovedì e venerdì di ogni settimana a partire dal 1 ottobre 2013. La parte teorica del modulo di laboratorio verrà inserita negli stessi orari e nella stessa aula con modalità da definire, mentre le esperienze di laboratorio si svolgeranno nei pomeriggi (ore 15:00-19:00) con orario da definire.

Delle 64 ore di programmazione complessiva, 56 ore saranno dedicate alle lezioni frontali come da orario sopra), mentre le restanti 8 ore ad attività di supporto alla didattica sono da tenersi nella settimana 7-10 gennaio 2014 in orari da definire. Inoltre il docente sarà a disposizione degli studenti, per ulteriore attività di supporto alla didattica, dalle ore 15 alle ore 16 degli stessi giorni in cui si tengono le lezioni, o in aula A o nella piccola biblioteca del terzo piano del Dipartimento di Chimica o nel suo ufficio.

Facoltativa, ma fortemente consigliata.

Aula A. Dipartimento di Chimica, Via Elce di Sotto, 8, 06123 Perugia.

Dalle 15 alle 16 di ogni giorno in cui sono tenute le lezioni di Chimica Fisica 1 (lunedì, mercoledì, giovedì, venerdì). Assistenza agli studenti sarà fornita anche dopo la fine del corso con orario simile nello studio del docente.

Aula A oppure piccola biblioteca del 3° piano oppure ufficio del docente.

Equilibrio Chimico
Equilibrio chimico e suo significato termodinamico. Equilibrio chimico in fase gassosa: costante di equilibrio e sue espressioni, dipendenza della costante di equilibrio dalla temperatura. Principio di Le Chatelier e sua espressione analitica. Rendimento chimico. Equilibrio in fase eterogenea.
Elettrochimica dell'equilibrio (soluzioni ioniche)
Equilibri in soluzione. Potenziale chimico ed attività degli ioni in soluzione. La conducibilità ionica, il numero di trasporto e la loro determinazione sperimentale.
Teoria di Debye-Huckel e sua applicazione per la stima dei coefficienti di attività e della conducibilità di elettroliti (eqs. di Debye-Huckel e di Onsager).
Elettrochimica dell'equilibrio (le celle elettrochimiche)
Tipi di potenziale: elettrico, chimico ed elettrochimico. Celle elettrochimiche e loro classificazione. Concetto di reversibilità ed irreversibilità: cenni sul potenziale di giunzione interliquido. Equazione di Nernst. Convenzione sulle pile. Termodinamica delle celle elettrochimiche. Tipi di elettrodi.
Applicazione delle misure di f.e.m.: prodotto di solubilità e costanti di dissociazione.
Elettrochimica dinamica
Concetti principali e applicazioni: Polarografia , celle a combustibile.
Trattamento dei dati sperimentali
Presentazione dei dati, Calcolo dell'errore e della sua propagazione nelle misure sperimentali.
Durante il corso verranno svolte esercitazioni numeriche riguardanti gli argomenti trattati.
Esercitazioni di laboratorio
Vengono eseguite 4 esperienze sui seguenti argomenti:
Termochimica (calori di combustione); Soluzioni (volumi parziali molari); Elettrochimica (numeri di trasporto; verifica dell'equazione di Onsager sulle conducibilità ioniche).

Il corso è inteso a fornire allo studente le conoscenze per la comprensione dell'equilibrio chimico ed elettrochimico, integrate con esperienze di laboratorio di termochimica, equilibri, proprietà delle soluzioni ed elettrochimica.

Lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio

PETER ATKINS e JULIO DE PAULA, Chimica Fisica, Ed. Zanichelli, Bologna;
W.J. MOORE, Chimica fisica, Piccin, Padova;
SILLEN, LANGE, GABRIELSON, Problemi di Chimica Fisica, Piccin, Padova;
Integrati mediante appunti di lezione.

Lo studente apprenderà nozioni fondamentali della termodinamica dell'equilbrio chimico e dei processi elettrochimici

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Facoltativa per le lezioni frontali, obbligatoria per le esercitazioni di laboratorio

Dipartimento di Chimica, via Elce di Sotto, 8 06123 Perugia

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Quando volete in orario di lavoro

Dipartimento di Chimica, Sezione di Chimica Fisica, Via Elce di Sotto, 8 Edificio A secondo piano