Acquisizione dei fondamenti della chimica fisica riguardanti la
termodinamica classica; conoscenze di base della cinetica chimica
empirica

D1) Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente acquisirà la conoscenza e comprensione degli aspetti fondamentali della termodinamica classica e della cinetica chimica empirica.
D2) Conoscenza e capacità di comprensione applicate: lo studente acquisirà la capacità di applicare le conoscenze acquisite alla risoluzione di problemi basilari della termodinamica classica e della cinetica chimica.
D3) Autonomia di giudizio: lo studente acquisirà l’abilità di maturare dei giudizi su problemi ambientali in cui intervengono argomenti termodinamici e cinetici.
D4) Abilità comunicative: lo studente svilupperà linguaggio e proprietà comunicative adeguati a discutere tematiche generali riguardanti gli argomenti base della termodinamica classica e della cinetica chimica empirica.
D5) Capacità di apprendere: lo studente avrà gli strumenti per approfondire in modo autonomo le conoscenze nell’ambito della termodinamica e della cinetica chimica.

Il corso non e' soggetto a prerequisiti formali; tuttavia, essendo la
natura degli argomenti trattati di tipo formale-matematica (ancorche'
a livello elementare), sara' interesse degli studenti aver acquisito un bagaglio di matematica di base
comprendente derivate, integrali, funzioni di una o piu' variabili,
semplici equazioni differenziali.

TERMODINAMICA CLASSICA

Definizioni
* Termodinamica
* Sistemi
* Variabili di stato
* Processi reversibili e irreversibili

La temperatura e la sua misura
* Il principio zero
* Scale termometriche
* Temperatura assoluta

I gas
* La pressione
* Il gas ideale
* Pressione parziale
* I gas reali
* Il fattore di compressione
* L'equazione di Van der Waals
* Condensazione e punto critico

Il primo principio della termodinamica
* La conservazione dell'energia
* L'energia interna
* Calore e lavoro
* La forma differenziale del primo principio
* Il lavoro di volume
* Calcolo del lavoro di volume
* Lavoro reversibile e irreversibile
* L'energia interna del gas ideale e il teorema dell'equipartizione
* Capacita' termica a volume costante
* L'entalpia e la capacita' termica a pressione costante

Termochimica
* Variazioni di entalpia standard per processi chimici
* La legge di Hess
* L'entalpia standard di formazione
* Calcolo delle entalpie standard di reazione dalle entalpie standard
di formazione
* La variazione dell'entalpia standard con la temperatura: la legge
di Kirchhoff

Il secondo principio della termodinamica
* Il verso spontaneo dei processi e la definizione di entropia
* L'enunciato formale del secondo principio
* La definizione statistica dell'entropia
* La disuguaglianza di Clausius
* Lavoro reversibile e irreversibile: il caso generale
* Le variazioni di entropia nei processi chimici
* Il terzo principio della termodinamica
* L'energia di Gibbs
* L'energia standard di Gibbs molare

Le proprieta' dell'energia di Gibbs
* L'equazione fondamentale
* L'espressione dell'energia di Gibbs per un sistema chiuso a
composizione costante
* La variazione di G con la pressione e la temperatura
* L'energia di Gibbs molare del gas ideale

Le transizioni di stato
* I diagrammi di stato e la loro interpretazione
* La discussione termodinamica delle transizioni di stato: il
potenziale chimico
* L'espressione matematica dei limiti di fase

Le miscele semplici
* La dipendenza dell'energia di Gibbs dalla composizione
* Sistemi a piu' componenti
* L'espressione dell'energia di Gibbs di un sistema a piu' componenti
* Il potenziale chimico del componente di una fase liquida
* La legge di Raoult e la legge di Henry
* Le soluzioni ideali
* Le proprieta' colligative: abbassamento crioscopico, innalzamento
ebullioscopico e pressione osmotica
* Il potenziale chimico di un soluto che segue la legge di Henry
* L'attivita'

Il trattamento termodinamico dell'equilibrio chimico
* Il grado di avanzamento della reazione
* La variazione dell'energia di Gibbs col grado di avanzamento della
reazione
* Il quoziente di reazione e la costante di equilibrio
* La risposta dell'equilibrio chimico alle perturbazioni
* L'equazione di van't Hoff

CINETICA EMPIRICA

I processi elementari
* La velocita' di un processo elementare
* Classificazione dei processi elementari
* Leggi cinetiche
* La dipendenza della velocita' di una reazione elementare dalla
temperatura

Le reazioni multistadio
* La velocita' delle reazioni multistadio
* Leggi cinetiche e reazioni multistadio
* La determinazione sperimentale della legge cinetica
* La dipendenza della concentrazione dal tempo: l'integrazione delle
leggi cinetiche
* I meccanismi di reazione
* Catalisi enzimatica

Testi per studio/consultazione Peter Atkins, Julio de Paula, James Keeker "Chimica Fisica", VI edizione italiana, ed. Zanichelli, Bologna, 2020

TERMODINAMICA CLASSICA
Definizioni
Termodinamica
Sistemi
Variabili di stato
Temperatura assoluta
Processi reversibili e irreversibili
I gas
La pressione
Il gas ideale
Pressione parziale
Il primo principio della termodinamica
La conservazione dell'energia
L'energia interna
Calore e lavoro
La forma differenziale del primo principio
Il lavoro di volume
Calcolo del lavoro di volume
Lavoro reversibile e irreversibile
Capacità termica a volume costante
L'entalpia e la capacità termica a pressione costante
Termochimica
Variazioni di entalpia standard per processi chimici
La legge di Hess
L'entalpia standard di formazione
Calcolo delle entalpie standard di reazione dalle entalpie standard di formazione
La variazione dell'entalpia standard con la temperatura: la legge di Kirchhoff
Il secondo principio della termodinamica
Il verso spontaneo dei processi e la definizione di entropia
Ciclo di Carnot
L'enunciato formale del secondo principio
La disuguaglianza di Clausius
Lavoro reversibile e irreversibile: il caso generale
Le variazioni di entropia nei processi chimici
Energia di Gibbs
L'equazione fondamentale
L'espressione dell'energia di Gibbs per un sistema chiuso a composizione costante
La variazione di G con la pressione e la temperatura
L'energia di Gibbs molare del gas ideale
L'energia standard di Gibbs molare
Le transizioni di stato
I diagrammi di stato e la loro interpretazione
La discussione termodinamica delle transizioni di stato: il potenziale chimico
L'espressione matematica dei limiti di fase
Le miscele semplici
L'espressione dell'energia di Gibbs di un sistema a più componenti
La dipendenza dell'energia di Gibbs dalla composizione
Il potenziale chimico del componente di una fase liquida
La legge di Raoult e la legge di Henry
Le soluzioni ideali
Le proprietà colligative: abbassamento crioscopico, innalzamento ebullioscopico e pressione osmotica
Diagrammi di fase S-L per sistemi a due componenti.
Il trattamento termodinamico dell'equilibrio chimico
Il grado di avanzamento della reazione
La variazione dell'energia di Gibbs col grado di avanzamento della reazione
Il quoziente di reazione e la costante di equilibrio
La risposta dell'equilibrio chimico alle perturbazioni
L'equazione di van't Hoff


CINETICA CHIMICA EMPIRICA
La velocità di reazione, la costante di velocità e l’ordine di reazione
Le leggi cinetiche differenziali e integrate : reazioni di ordine zero, di primo ordine e di secondo ordine.
Le reazioni che si avvicinano all’equilibrio.
La dipendenza della velocita' di reazione dalla temperatura. Equazione di Arrhenius e interpretazione dei parametri di Arrhenius.
Effetto di un catalizzatore
La dinamica di reazione. Introduzione alla teoria degli urti. Introduzione alla teoria dello stato di transizione e l’equazione di Eyring.
I meccanismi di reazione
Le reazioni elementari
Le reazioni elementari consecutive
L’approssimazione dello stato stazionario
I pre-equilibri
Esempi di meccanismi di reazione

Il corso viene svolto tramite lezioni frontali durante le quali vengono illustrati e discussi i principi fondamentali della termodinamica e della cinetica chimica e dimostrate alla lavagna le principali equazioni derivate. Vengono svolti in aula esercizi numerici con applicazione operativa della equazioni teoriche.
La traccia particolareggiata di tutte le lezioni viene messa a disposizione degli studenti mediante slides power point caricate sulla piattaforma MOODLE.

Esame individuale. La verifica si articola in almeno 3 domande sulla
parte di termodinamica e 1-2 domande su quella di cinetica. Lo studente
puo' scegliere se rispondere alle domande oralmente oppure per iscritto.
Nello svolgimento della prova lo studente dovra' dimostrare di aver
acquisito i concetti fondamentali trattati durante il corso e di saperli
mettere in relazione. Sara' inoltre richiesta una buona capacita' di
esporre gli argomenti in modo logico e comprensibile sia dal punto di
vista della lingua italiana che da quello del linguaggio tecnico inerente gli
argomenti del corso. La votazione della prova orale e' espressa in
trentesimi.
Il voto dell’esame si basa sulla valutazione della prova orale ed è espresso in trentesimi.
La griglia di valutazione adottata è la seguente:
- Eccellente (30 - 30 e lode): ottima conoscenza degli argomenti, ottima proprietà di linguaggio,
ottima capacità analitica.
- Molto buono (27 - 29): buona conoscenza degli argomenti, notevole proprietà di linguaggio,
buona capacità analitica.
- Buono (24-26): buona conoscenza dei principali argomenti, discreta proprietà di linguaggio; lo/la
studente/essa mostra una adeguata capacità analitica.
- Soddisfacente (21-23): lo/la studente/essa non mostra piena padronanza degli argomenti
principali dell'insegnamento, pur possedendone le conoscenze fondamentali; mostra comunque
soddisfacente proprietà di linguaggio e sufficiente capacità analitica.
- Sufficiente (18-20): minima conoscenza degli argomenti principali dell'insegnamento e del
linguaggio tecnico, limitata capacità analitica.
- Insufficiente: lo/la studente/essa non possiede una conoscenza accettabile dei contenuti dei
diversi argomenti del programma.

Non applicabile