Insegnamento CHIMICA FISICA 1
| Nome del corso di laurea | Chimica |
|---|---|
| Codice insegnamento | 55009115 |
| Curriculum | Comune a tutti i curricula |
| Docente responsabile | Piergiorgio Casavecchia |
| CFU | 15 |
| Regolamento | Coorte 2018 |
| Erogato | Erogato nel 2019/20 |
| Erogato altro regolamento | |
| Anno | 2 |
| Periodo | Primo Semestre |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa integrata |
| Suddivisione |
CHIMICA FISICA 1
| Codice | 55078808 |
|---|---|
| CFU | 8 |
| Docente responsabile | Piergiorgio Casavecchia |
| Docenti |
|
| Ore |
|
| Attività | Base |
| Ambito | Discipline chimiche |
| Settore | CHIM/02 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | Italiano |
| Contenuti | Sintesi del Programma: 1) TERMODINAMICA: Gas reali; forze intermolecolari; equazioni di stato (van der Waals, Viriale). I tre principi della termodinamica: Lavoro, calore; energia interna; entalpia; capacità termiche; termochimica; entropia; energia libera; potenziale chimico. Equazione di Gibbs-Helmholtz. Equilibrio chimico. Relazioni termodinamiche fondamentali e equazioni di stato termodinamiche. Equazioni di Clapeyron e Clausius-Clapeyron. Soluzioni ideali e reali. Leggi di Raoult e Henry. Stati standard. Diagrammi di fase. Regola delle fasi di Gibbs e applicazioni. 2) MECCANICA QUANTISTICA: Fondamenti della teoria quantistica. Dualismo onda-particella. Principio di De Broglie. Effetto fotoelettrico. Effetto Compton. Quantizzazione. Principio di indeterminazione di Heisenberg. Operatori e osservabili. Equazione di Schrödinger e sue applicazioni a sistemi semplici: Particella nella scatola; rotatore rigido; oscillatore armonico. L'equazione di Schrödinger per l'atomo di idrogeno. Atomi idrogenoidi. Struttura e spettri atomici. |
| Testi di riferimento | Peter ATKINS e Julio DE PAULA, CHIMICA FISICA (quinta edizione italiana condotta sulla nona edizione inglese, con sito web), Ed. Zanichelli, Bologna (2012). |
| Obiettivi formativi | 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. |
| Prerequisiti | Per poter comprendere i contenuti trattati e gli obiettivi di apprendimento e' indispensabile che lo studente abbia seguito tutti i corsi di Chimica, Matematica e Fisica del primo anno di studi ed e' importante che ne abbia superato i corrispondenti esami. |
| Metodi didattici | Il corso e' organizzato nel seguente modo: - lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso, con anche soluzione di problemi numerici. - a complemento delle lezioni frontali, verranno tenute due ore di esercitazioni numeriche settimanali svolte dal docente o da un tutor. |
| Altre informazioni | Attivita' di didattica integrativa: Nell'ambito delle ore di programmazione complessiva almeno 10 ore saranno dedicate ad attività di supporto alla didattica. Specificatamente: -Lezione di chiarimento e ripasso sulle proprieta' dei gas ed esercizi numerici sui gas. -Lezione di chiarimento e ripasso sul Primo Principio della Termodinamica, energia interna, entalpia, termochimica, ed esercizi numerici relativi. -Lezione di chiarimento e ripasso sul secondo principio della Termodinamica, Entropia ed Energia libera, ed esercizi numerici relativi. -Lezione di chiarimento ed esercizi numerici sugli argomenti del primo esonero in itinere. -Lezione di chiarimento su argomenti di Meccanica Quantistica e struttura elettronica, ed esercizi numerici relativi in vista del secondo test in itinere. 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 o nel suo ufficio (stanza 24). |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L'esame complessivo (comprendente entrambi i moduli) dell'Insegnamento di Chimica Fisica 1 prevede la valutazione delle relazioni scritte sulle esperienze di laboratorio (obbligatorie), una prova scritta e una prova orale. La prova scritta e' a stimolo chiuso con risposta aperta e consiste nello svolgimento di n. 6 problemi sui vari argomenti dei due moduli (durata prova: tre ore e mezza). La prova scritta e' considerata superata anche se vengono superate con almeno la sufficienza le due prove scritte "in itinere" previste ad intervalli regolari durante il corso (a circa metà corso e a fine corso) e consistenti ciascuna nello svolgimento di n. 6 problemi (stimolo chiuso con risposta aperta; durata tre ore e mezza). Il superamento delle due prove in "itenere" o della prova scritta unica e la consegna delle relazioni di laboratorio consentono l'accesso alla prova orale. La prova scritta e' finalizzata a verificare la capacita' di applicare correttamente le conoscenze teoriche, la capacita' di comprenione delle problematiche proposte e la capacita' di comunicare in modo scritto. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 45 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacita' di comprensione raggiunta dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nei programmi dei due moduli. La prova orale consentira' inoltre di verificare la capacita' di comunicazione dell'allievo con proprieta' di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione sugli stessi argomenti a contenuto teorico. |
| Programma esteso | Programma: 1) TERMODINAMICA: Introduzione al corso. 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. 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. Deduzione dei termini degli stati fondamentali ed eccitati degli atomi in base al principio di Pauli e alle regole di Hund. |
LABORATORIO DI CHIMICA FISICA 1
| Codice | 55078807 |
|---|---|
| CFU | 7 |
| Docente responsabile | Fausto Ortica |
| Docenti |
|
| Ore |
|
| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche |
| Settore | CHIM/02 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | 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. |
| Testi di riferimento | P.W. ATKINS, 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. |
| Obiettivi formativi | Lo studente apprenderà nozioni fondamentali della termodinamica dell'equilibrio chimico e dei processi elettrochimici. Le abilità principali che verranno sviluppate riguarderanno la capacità di applicare le conoscenze acquisite nella soluzione di vari problemi di carattere concettuale e numerico relativi a questi argomenti. |
| Prerequisiti | Per poter comprendere i contenuti trattati e gli obiettivi di apprendimento e' indispensabile che lo studente abbia seguito tutti i corsi di Chimica, Matematica e Fisica del primo anno di studi ed e' importante che ne abbia superato i corrispondenti esami. |
| Metodi didattici | Il corso consiste in lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio sui seguenti argomenti: termochimica (calori di combustione); soluzioni (volumi parziali molari) ed elettrochimica (numeri di trasporto; verifica dell'equazione di Onsager sulle conducibilità ioniche). Per le esperienze di laboratorio gli studenti saranno divisi in gruppi da 2 al massimo 3 unità. |
| Altre informazioni | La frequenza è consigliata ed è obbligatoria per le attività di laboratorio. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L'esame complessivo (comprendente entrambi i moduli) dell'Insegnamento di Chimica Fisica 1 prevede la valutazione delle relazioni scritte sulle esperienze di laboratorio (obbligatorie), una prova scritta e una prova orale. La prova scritta e' a stimolo chiuso con risposta aperta e consiste nello svolgimento di n. 6 problemi sui vari argomenti dei due moduli (durata prova: tre ore e mezza). La prova scritta e' considerata superata anche se vengono superate con almeno la sufficienza le due prove scritte "in itinere" previste ad intervalli regolari durante il corso (a circa metà corso e a fine corso) e consistenti ciascuna nello svolgimento di n. 6 problemi (stimolo chiuso con risposta aperta; durata tre ore e mezza). Il superamento delle due prove in "itinere" o della prova scritta unica e la consegna delle relazioni di laboratorio consentono l'accesso alla prova orale. La prova scritta e' finalizzata a verificare la capacita' di applicare correttamente le conoscenze teoriche, la capacita' di comprensione delle problematiche proposte e la capacita' di comunicare in modo scritto. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 45 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacita' di comprensione raggiunta dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nei programmi dei due moduli. La prova orale consentirà inoltre di verificare la capacita' di comunicazione dell'allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione sugli stessi argomenti a contenuto teorico. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
| Programma esteso | 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 (eq. 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. Trattamento dei dati sperimentali. Presentazione dei dati, Calcolo dell'errore e della sua propagazione nelle misure sperimentali. 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). |