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Prof. Carlo Andrea Mattia


OBIETTIVI DEL CORSO

Lo studente alla fine del corso deve dimostrare di:

 a)  aver acquisito una conoscenza critica dei principi e delle applicazioni della Chimica Fisica;

 b)  conoscere i principi fisici su cui si basa la chimica, allo scopo di giustificare ed interpretare la struttura della materia;

 c)  aver acquisito una conoscenza generale dell'equilibrio termodinamico, della cinetica e della struttura molecolare;

 d) conoscere l'equilibrio chimico e fisico, mediante l'impiego della termodinamica chimica classica e la termodinamica statistica;

 e) conoscere le leggi cinetiche della trasformazione chimica in dipendenza del tempo e della temperatura;

  f)  conoscere la struttura delle molecole e le loro interazioni, utilizzando nozioni di meccanica quantistica e spettroscopia molecolare.

 

PREREQUISITI IRRINUNCIABILI

Conoscenza dei principi di analisi matematica e delle nozioni di chimica e di fisica svolte nel corsi di Matematica, di Chimica Generale ed inorganica e di Fisica del 1° anno del c.l.m. in Chimica e Tecnologia Farmaceutiche.

 

METODI DIDATTICI

Lezioni frontali ed esercitazioni numeriche.

 

VERIFICHE DI PROFITTO

Durante il corso saranno svolte prove in itinere di autovalutazione (quesiti a risposta singola o trattazione sintetica di argomenti) ed esercitazioni numeriche a piccoli gruppi.

L'accertamento finale consisterà:

- in una prova scritta (quesiti a risposta singola o trattazione sintetica di argomenti) di accesso ad un colloquio orale per coloro che presentano una scarsa frequenza ai corsi e non hanno sostenuto con esito soddisfacente le prove di autovalutazione in itinere.

- in un colloquio orale per coloro che hanno sostenuto con esito soddisfacente le prove di autovalutazione in itinere ed hanno frequentato con assiduità i corsi.

 

PROGRAMMA DEL CORSO

Proprietà della materia.  Principi base della chimica fisica. Teoria cinetica dei gas.

Mondo microscopico e mondo macroscopico. Definizioni. Lessico di base. Quantità di sostanza. Sistema isolato, chiuso e aperto. Grandezze intensive ed estensive. Volume, pressione, temperatura. Funzioni di stato. Temperatura assoluta. Principio di Avogadro. Equazione di stato dei gas ideali. Legge di Dalton delle pressioni parziali. Frazioni molari. Gas reali: equazione di van der Waals ed equazione del viriale.

Le leggi della termodinamica.

Energia, calore e lavoro. Trasformazioni reversibili e irreversibili. Processi a pressione costante: entalpia. Legge di Hess. Calorimetri. Capacità termica. Relazione tra CP e CV. Adiabatiche dei gas ideali. Ciclo di Carnot. Processi spontanei. Entropia. Entropie assolute. Entropia residua. Funzioni di stato ausiliari: energia libera di Helmhotz ed energia libera di Gibbs. Grandezze molari parziali. Potenziale chimico. Stati standard. Equilibrio termodinamico. Regola delle fasi. Equilibri di fase nelle sostanze pure. Diagrammi di stato. Punto triplo e punto critico. Dipendenza della pressione dalla temperatura: equazione di Clausius-Clapeyron. Reazioni esotermiche ed endotermiche. Costante d'equilibrio. Fugacità, attività e coefficienti di attività. Legge di Raoult. Soluzioni ideali. Soluzioni non ideali. Soluzioni non ideali diluite. Legge di Henry. Soluzioni reali. Dipendenza della costante d'equilibrio dalla temperatura: equazione di van't Hoff.

Soluzioni di non elettroliti. Soluzioni di elettroliti. Membrane biologiche. 

Il potenziale chimico di una sostanza in una miscela. Energia libera, entropia e entalpia di miscelamento per i gas ideali. Azeotropi. Proprietà colligative. Diminuzione della pressione di vapore. Innalzamento ebullioscopico e abbassamento crioscopico. Pressione osmotica. Proprietà colligative delle soluzioni reali. Conducibilità elettrica in soluzione. Grado di dissociazione. Calcolo della costante di equilibrio. Velocità ioniche. Ioni in soluzione acquosa. Sfera di idratazione. Ioni liberi e coppie di ioni. Attività ioniche. Legge di Debye-Huckel. Forza ionica. Fenomeni di trasporto. Diffusione semplice (legge di Fick). Pompa sodio-potassio.

Termodinamica statistica.

Stati e livelli energetici. Microstati e configurazioni. Approssimazione di Stirling. Metodo dei moltiplicatori indeterminati di Lagrange. Legge di Boltzmann sulla distribuzione delle popolazioni degli stati. Funzione di ripartizione di una particella. Legge di distribuzione per un sistema canonico. Interpretazione statistica del calore, lavoro, energia ed entropia. Fluttuazioni in un sistema canonico. Funzione di ripartizione del sistema. Particelle distinguibili ed indistinguibili. Principio di equipartizione dell'energia.  Moti molecolari. Gradi di libertà traslazionale, rotazionale e vibrazionale. Lacune di miscibilità tra liquidi.

Cinetica chimica ed Elettrochimica.

Velocità di reazione. Ordine di reazione. Velocità specifica. Equazione di velocità in forma integrata. Tempi di dimezzamento. Misura della velocità di reazione. Dipendenza delle velocità di reazione dalla temperatura. Meccanismo di reazione. Molecolarità della reazione. Relazione tra costante d'equilibrio e costanti cinetiche. Catalisi. Influenza del catalizzatore sull'equilibrio. Intermedio di reazione. Stadio determinante la velocità di reazione. Distribuzione delle velocità e dell'energia di Maxwell-Boltzmann. Collisioni molecolari. Teoria dello stato di transizione. Meccanismo di Lindemann-Hinshelwood. Approssimazione dello stato stazionario. Reazioni complesse. Cinetica enzimatica. Celle elettrochimiche. Forza elettromotrice. Pila Daniell. Lavoro prodotto dalla cella in condizioni reversibili. Relazione ΔG e potenziale di cella. Condizioni standard. Equazione di Nernst. Determinazione di ΔH° e ΔS° di reazione per via elettrochimica. pH-metro.

Meccanica quantistica. Atomi e molecole.  Forze intermolecolari.

Mondo microscopico e mondo macroscopico. Meccanica quantistica, spettroscopia e diffrazione. Teoria ondulatoria della luce. Teoria quantistica di Planck. Effetto fotoelettrico. Postulato di De Broglie. Spettri atomici. Modello di Bohr. Funzione d'onda. Equazione d'onda di Schrödinger. Principio di indeterminazione di Heisenberg. Particella in una scatola. Effetto tunnel. Atomo di idrogeno (e sistemi idrogenoidi). Coordinate polari. Orbitali atomici. Lo spin dell'elettrone. Transizioni spettrali e regole di selezione. Atomi a molti elettroni. Legame chimico. Teoria del legame di valenza (VB). Ibridazione. Risonanza. Teoria dell'orbitale molecolare (MO). Combinazione lineare di orbitali atomici (LCAO). Molecole biatomiche. Molecole poliatomiche. Simmetria e sovrapposizione. Teoria delle bande di conduzione. Momento dipolare elettrico permanente. Interazione ione-dipolo, dipolo-dipolo, ione-dipolo indotto, dipolo-dipolo indotto. Interazioni di dispersione o di London. Polarizzabilità. Raggio di van der Waals. Il legame a idrogeno. Spettroscopia elettronica. Principio di Franck-Condon. Spettroscopia vibrazionale. Approssimazione armonica. Oscillatore anarmonico. Spettroscopia rotazionale. Rotatore rigido. Spettroscopia Raman. Fluorescenza e fosforescenza. Metodi diffrattometrici e di risonanza.

 

TESTI CONSIGLIATI

Numerosi sono i testi, sia italiani che stranieri, in grado di fornire in misura tra loro equivalente gli elementi necessari allo studio degli argomenti descritti nel programma d'esame. Di seguito si riporta un elenco che include i testi più diffusi ed utilizzati nelle Università italiane e straniere. Si raccomanda l'uso di testi pubblicati negli ultimi anni.

P.W. Atkins, Elementi di Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna.

M.R. Di Cocco; C. Manetti; A. Miccheli, Principi di Chimica Fisica, EdiSES, Napoli.

S. Capasso, La Chimica Fisica attraverso gli esercizi, Loghìa, Napoli

A. Gavezzotti, Principi di Chimica Fisica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano.

R. Chang, Chimica Fisica I, Zanichelli, Bologna.

R. Chang, Chimica Fisica II, Zanichelli, Bologna.

B. Pispisa, Chimica Fisica Biologica, Aracne, Roma.

P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna.

G. M. Barrow, Physical Chemistry for the Life Science, Mc Graw Hill Int. Book Company (in inglese).

W.J. Moore, Chimica Fisica, Piccin, Padova.