Scienze Chimiche

Concetti introduttivi: Funzioni di stato, intensive ed estensive, Variabili indipendenti, Fase, Stato termodinamico, Equilibrio termico, Principio zero, Scale di temperatura, Equilibrio termodinamico, Processi reversibili e irreversibili, Lavoro fatto da una variazione di volume, Diagramma P-V, Lavoro nelle trasformazioni reversibili, Differenziali esatti e non, Differenziali parziali, Differenziali esatti e non esatti, Sistemi semplici I Principio della Termodinamica: Calore, Formulazione del I Principio, Energia interna, Processi reversibili, Processi adiabatici, Trasformazioni a pressione costante: entalpia, Trasformazioni a volume costante, Capacità termica, Differenza (cp - cV), Esperimento di Joule, Esperimento Joule-Kelvin, Applicazione del I Principio ai Gas Ideali, Differenza (cp - cV) per gas ideale, Processi adiabatici reversibili (gas ideale), Lavoro: adiabatica reversibile (gas ideale), Lavoro: isoterma reversibile (gas ideale), Lavoro fatto da un gas di van der Waals, Calori di reazione a V o P costante, Legge di Hess, Misura dei calori di reazione, Energia di legame, Calori di reazione vs temperatura. II Principio della Termodinamica: Limiti del I Principio, Lavoro - Calore, Calore – Lavoro, Frigorifero, Postulati del II Principio, Equivalenza dei postulati di Kelvin & Planck e Clausius, Processi reversibili ed irreversibili e II Principio Entropia — Trattazione classica: Il ciclo di Carnet, Teorema di Carnot e corollari, Scala termodinamica di temperatura, Efficienza di una macchina di Carnet, Lo zero assoluto della temperatura, Temperatura sulla scala termodinamica, Scala Kelvin e scala di temperatura del gas ideale, Sostituzione di un processo reversibile, Teorema di Clausius, Disuguaglianza di Clausius, Entropia, Calcoli di entropia, Variazioni di entropia - processo irreversibile Entropia: Variazioni di entropia nei sistemi isolati, q/T differenziale esatto - processo reversibile, II Principio, Diagrammi T – S, Efficienza di una macchina di Carnet, Teorema e disuguaglianza di Clausius, Energia indisponibile, Il principio di dissipazione dell’energia, Combinazione di I e II Principio,Variazioni di entropia,Variazioni di entropia per un gas ideale, Probabilità, Entropia e probabilità, Probabilità e II Principio, Espansione isoterma di un gas ideale, Entropia e disordine, Il significato dell’entropia Miscele di gas ideali: Legge di Gibbs-Dalton, Entropia di una miscela, Entropia di mescolamento III Principio della Termodinamica: Teorema di Nernst, Determinazione delle entropie assolute, Il teorema di Nernst e lo zero assoluto,Verifica matematica del teorema di Nernst, Entropia e degenerazione, Miscele, Eccezioni apparenti del III Principio, Le funzioni di Helmholtz e Gibbs Funzioni di Helmholtz e Gibbs:.Processi isotermi, Variazioni delle funzioni di Helmholtz e Gibbs, L’equazione di Gibbs-Helmholtz, Funzione di Gibbs per un gas ideale, La funzione di Gibbs di un gas ideale in una miscela gassosa, Stato standard, Entropia ed energia nell’equilibrio chimico, Le funzioni di Gibbs ed Helmholtz, Equilibrio chimico, Isoterma di van’t Hoff Relazioni termodinamiche generali: Le equazioni di Maxwell, Le equazioni TdS, Cp - CV, Il rapporto delle capacità termiche, Il coefficiente di Joule-Kelvin Sistemi aperti: Potenziale chimico, Proprietà parziali molari, Equazione di Gibbs-Duhem, Trasferimento di massa tra fasi, Relazioni tra proprietà parziali molari, Potenziale chimico con grandezze intensive P, T, x, Determinazione di quantità parziali molari Sistemi ad un solo componente: Il potenziale chimico di gas ideali, Effetto della pressione totale sulla pressione di vapore, Gas reali, Il potenziale chimico dei gas reali Equilibri di fase: La superficie P, V, T, Diagrammi P-V, Diagrammi P-T, Equazione di Clapeyron, Equazione di Clausius-Clapeyron, Regola di Trouton, Diagrammi T-S, Calcolo di q, Transizioni di secondo ordine, Regola delle fasi, Soluzioni binarie, Legge di Raoult, Deviazioni dalla legge di Raoult, Equazione di Duhem-Margules, Legge di Henry, Diagrammi x - P e x - T: miscibilità completa, Liquidi completamente miscibili non raoultiani, Diagrammi P - T, Equilibrio tra due fasi binarie, Punto eutettico, Trattazione termodinamica del punto eutettico Termodinamica delle soluzioni: Potenziale chimico e miscela di gas perfetti, Miscele di gas reali, Soluzioni in fase condensata, Definizione di soluzione ideale, Soluzioni ideale - potenziale chimico, Soluzioni non ideali, Stati standard di componenti in soluzione, Importanza degli stati standard, Uso dei vari stati standard, definizione di fugacità e attività, Proprietà delle soluzioni, Dipendenza dell’attività da T e P, Funzioni di mescolamento, Funzioni di eccesso, Legge di distribuzione di Nernst, Sostanza pura in equilibrio con la propria soluzione, Abbassamento del punto di congelamento, Innalzamento del punto di ebollizione, Pressione osmotica, Determinazione del peso molecolare, Significato del coefficiente di attività, Determinazione del coefficiente di attività Equilibri di reazione: Isoterma di van’t Hoff , Trattazione alternativa degli equilibri di reazione, Posizione dell’equilibrio, Reazioni omogenee di gas ideali, Reazioni omogenee di gas reali, Reazioni omogenee in soluzione, Reazioni eterogenee, Costante di equilibrio vs temperatura, Costante di equilibrio vs pressione, Il Principio di Le Chatelier, Determinazione della funzione di Gibbs, La funzione di energia libera, Tabulazioni termodinamiche, Stabilità chimica Elettroliti: Potenziale chimico, Attività, Prodotto di solubilità, Deviazioni dal comportamento ideale, Costante di dissociazione, Celle elettrochimiche, Celle reversibili, Funzioni termodinamiche da celle reversibili, Giunzione liquida e ponte salino, Semi-elementi di celle, emf standard di celle reversibili, Determinazione di emf standard e , Potenziale elettrodico standard, Funzioni standard di Gibbs di formazione di ioni, Celle a concentrazione, Determinazione del prodotto di solubilità. Esercitazioni di laboratorio • Calorimetria di combustione • Emf vs T – pila Weston • Misura della conducibilità equivalente ed equivalente limite (determinazione costante dissociazione ac. benzoico) • Misura di densità di soluzioni acquose (volumi parziali molari) • Determinazione della capacità di un accumulatore • Costruzione del diagramma di fase Pb-Sn da acquisizione delle curve di raffreddamento.

Prerequisiti necessari per un apprendimento ragionato degli argomenti proposti nell'insegnamento di Chimica Fisica I con Laboratorio sono gli argomenti più importanti dell'insegnamento di Chimica Generale ed Inorganica (sistematica inorganica, tavola periodica degli elementi, concetto di mole, conoscenza dei diversi tipi di concentrazione, bilanciamento delle reazioni, metodo ionico elettronico delle reazioni di ossido-riduzione, legge di azione di massa, proprietà colligative, pH, elettrochimica di base). Inoltre, lo studente deve avere familiarità con le conoscenze di base dell'analisi matematica (derivate e derivate parziali, differenziali, integrali ed equazioni differenziali semplici, studio di funzione).

- P.W. Atkins, J. De Paula - Chimica Fisica - Zanichelli Editore. - D. Gozzi – Termodinamica Chimica – Edizioni Nuova Cultura.

Il corso si sviluppa in ottanta ore di cui cinquantasei frontali dedicate alla trattazione teorica degli argomenti proposti nel programma (principi, modelli teorici, dimostrazioni, applicazioni e limiti delle equazioni ottenute), dodici di esercitazioni numeriche, comunque frontali, dove vengono svolti esercizi di termodinamica e di cinetica ed altre dodici di esercitazioni di laboratorio in cui lo studente svolge sei esperienze pratiche i cui risultati dovranno essere elaborati e riportati in una relazione.

La frequenza delle lezioni è facoltativa ma è obbligatoria la frequenza dei laboratori per le relative esperienze

La valutazione avverrà mediante una prova orale, durante la quale lo studente dovrà risolvere dei problemi e rispondere ad alcune domande teoriche, con l’approfondimento dei concetti appresi a lezione e nelle esperienze di laboratorio (principi teorici dell'esperienza, materiali, metodi, elaborazione dei dati sperimentali e risultati). Verrà valutata la capacità di analisi, di sintesi e chiarezza di espressione dello studente. Verranno discussi sistemi semplici per valutare la capacità dello studente di inquadrarli nel giusto contesto e scegliere le corrette metodologie di studio.

Il corso si sviluppa in ottanta ore di cui cinquantasei frontali dedicate alla trattazione teorica degli argomenti proposti nel programma (principi, modelli teorici, dimostrazioni, applicazioni e limiti delle equazioni ottenute), dodici di esercitazioni numeriche, comunque frontali, dove vengono svolti esercizi di termodinamica e di cinetica ed altre dodici di esercitazioni di laboratorio in cui lo studente svolge sei esperienze pratiche i cui risultati dovranno essere elaborati e riportati in una relazione.

Primo principio della Termodinamica. Definizioni, scopi e limiti della Termodinamica. Sistemi termodinamici. Variabili e funzioni di stato. Stato termodinamico. Equilibrio termico, meccanico e chimico. Processi reversibili ed irreversibili. Lavoro meccanico. Primo Principio della Termodinamica. Calore, lavoro e variazioni di energia interna nelle trasformazioni termodinamiche. Capacità termiche. Energia interna e sua dipendenza da temperatura e volume. Gas ideali e gas reali. Entalpia e sue variazione nelle reazioni chimiche. Determinazione di entalpie di processi chimico fisici da misure calorimetriche. Secondo Principio della Termodinamica Irreversibilità degli eventi naturali e la funzione entropia come misura dell'irreversibilità delle trasformazioni termodinamiche; secondo principio della termodinamica. Temperatura termodinamica e ciclo di Carnot. Variazioni di entropia nelle trasformazioni fisiche di gas, liquidi e solidi. Interpretazione dell'entropia in termini statistici, macrostati e microstati. Calcolo del numero di microstati. Equazione di Boltzmann. Entropia e disordine. Entropia di mescolamento. Terzo Principio della Termodinamica Teorema di Nernst ed enunciato di Planck. Cenni alla determinazione sperimentale delle entropie assolute e calcolo dell'entropia assoluta. Equilibrio termodinamico. Potenziale termodinamico; energia libera di Gibbs e di Helmoltz. Transizioni di fase del primo ordine e cenni a quelle di ordine superiore. Diagrammi di fase per sistemi ad un solo componente. Fugacità, attività e potenziale chimico di gas, liquidi e solidi puri. Sistemi a più componenti. Grandezze parziali molari, legge di Gibbs-Duhem. Metodi sperimentali per la determinazione delle grandezze parziali molari. Soluzioni ideali e soluzioni regolari. Proprietà delle soluzioni: pressione osmotica, innalzamento della temperatura di ebollizione, abbassamento della temperatura di fusione. Attività e coefficiente di attività. Regola delle fasi per sistemi a più componenti. Equilibrio chimico in fase omogenea ed eterogenea. Equilibrio chimico. Costante di equilibrio termodinamica e sua variazione con la temperatura. Equilibrio elettrochimico. Potenziale elettrochimico. Potenziali elettrodici standard. Forza elettromotrice: definizione e misura. Celle elettrochimiche ed elettrodi (cenni). Ioni e attività di ioni in soluzione. Teoria delle soluzioni elettrolitiche: teoria di Debye-Hückel (cenni). Cinetica chimica (cenni) Meccanismo di reazione. Molecolarità di una reazione. Velocità di reazione. Ordine di reazione. Costante di equilibrio e costanti di velocità. Velocità di reazione e temperatura. Reazioni fotochimiche. I catalizzatori. Catalisi eterogenea. Catalisi enzimatica. Catalisi omogenea.

Per poter affrontare adeguatamente i contenuti del corso, è altamente consigliabile che gli studenti abbiano già seguito i due corsi di matematica e il primo corso di fisica previsti dal corso di laurea e sostenuto i relativi esami

Daniele Gozzi, Termodinamica Chimica, IV Edizione, Edizioni Nuova Cultura Paolo Silvestroni, Fondamenti di Chimica, qualunque edizione. Daniele Gozzi, Problemi svolti di termodinamica chimica, Edizioni Nuova Cultura

La frequenza delle lezioni dell’insegnamento non è obbligatoria. Il corso è strutturato in lezioni teoriche frontali, esercitazioni numeriche ed esercitazioni sperimentali in laboratorio. Le lezioni si svolgono settimanalmente in aula e l’esposizione avviene facendo uso della lavagna. Sono previste tre prove di esonero in itinere della durata di due ore. Verranno svolte in aula. Tali prove offriranno allo studente la possibilità sia di verificare la propria preparazione sia di superare l’esame in maniera graduale.

non obbligatoria

La prova d’esame ha l’obiettivo di verificare il livello di conoscenza ed approfondimento degli argomenti del programma dell’insegnamento e la capacità di ragionamento sviluppata dallo studente. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo 18/30, voto massimo 30/30 con lode). La valutazione consiste di una prova orale. L’esame complessivamente consente di verificare il raggiungimento degli obiettivi in termini di conoscenze e competenze acquisite così come delle abilità comunicative. Nella prova orale vengono valutati il grado di comprensione degli argomenti trattati e la chiarezza espositiva.

lezioni frontali, esercitazioni numeriche, esperienze di laboratorio con elaborazione dei dati sperimentali.

Primo principio della Termodinamica. Definizioni, scopi e limiti della Termodinamica. Sistemi termodinamici. Variabili e funzioni di stato. Stato termodinamico. Equilibrio termico, meccanico e chimico. Processi reversibili ed irreversibili. Lavoro meccanico. Primo Principio della Termodinamica. Calore, lavoro e variazioni di energia interna nelle trasformazioni termodinamiche. Capacità termiche. Energia interna e sua dipendenza da temperatura e volume. Gas ideali e gas reali. Entalpia e sue variazione nelle reazioni chimiche. Determinazione di entalpie di processi chimico fisici da misure calorimetriche. Secondo Principio della Termodinamica. Irreversibilità degli eventi naturali e la funzione entropia come misura dell'irreversibilità delle trasformazioni termodinamiche; secondo principio della termodinamica. Temperatura termodinamica e ciclo di Carnot. Variazioni di entropia nelle trasformazioni fisiche di gas, liquidi e solidi. Interpretazione dell'entropia in termini statistici, macrostati e microstati. Calcolo del numero di microstati. Equazione di Boltzmann. Entropia e disordine. Entropia di mescolamento. Terzo Principio della Termodinamica. Teorema di Nernst ed enunciato di Planck. Cenni alla determinazione sperimentale delle entropie assolute e calcolo dell'entropia assoluta. Equilibrio termodinamico. Potenziale termodinamico; energia libera di Gibbs e di Helmoltz. Transizioni di fase del primo ordine e cenni a quelle di ordine superiore. Diagrammi di fase per sistemi ad un solo componente. Fugacità, attività e potenziale chimico di gas, liquidi e solidi puri. Sistemi a più componenti. Grandezze parziali molari, legge di Gibbs-Duhem. Metodi sperimentali per la determinazione delle grandezze parziali molari. Soluzioni ideali e soluzioni regolari. Proprietà delle soluzioni: pressione osmotica, innalzamento della temperatura di ebollizione, abbassamento della temperatura di fusione. Attività e coefficiente di attività. Regola delle fasi per sistemi a più componenti Equilibrio chimico in fase omogenea ed eterogenea. Equilibrio chimico. Costante di equilibrio termodinamica e sua variazione con la temperatura. Equilibrio elettrochimico. Potenziale elettrochimico. Potenziali elettrodici standard. Forza elettromotrice: definizione e misura. Celle elettrochimiche ed elettrodi (cenni). Ioni e attività di ioni in soluzione. Teoria delle soluzioni elettrolitiche: teoria di Debye-Hückel (cenni). Cinetica chimica (cenni). Meccanismo di reazione. Molecolarità di una reazione. Velocità di reazione. Ordine di reazione. Costante di equilibrio e costanti di velocità. Velocità di reazione e temperatura. Reazioni fotochimiche. I catalizzatori. Catalisi omogenea. Catalisi enzimatica. Catalisi eterogenea (cenni). Esperienze di laboratorio. 1. Determinazione del calore di combustione dell'acido benzoico. 2. Misura dei calori specifici di metalli. 3. Grandezze termodinamiche di una reazione chimica da misure di forza elettromotrice al variare della temperatura. 4. Determinazione di volumi parziali molari mediante misure di densità di soluzioni acquose.

Prerequisiti necessari per un apprendimento ragionato degli argomenti proposti nell'insegnamento di Chimica Fisica I con Laboratorio sono gli argomenti più importanti dell'insegnamento di Chimica Generale ed Inorganica (sistematica inorganica, tavola periodica degli elementi, concetto di mole, conoscenza dei diversi tipi di concentrazione, bilanciamento delle reazioni, metodo ionico elettronico delle reazioni di ossido-riduzione, legge di azione di massa, proprietà colligative, pH, elettrochimica di base). Inoltre, lo studente deve avere familiarità con le conoscenze di base dell'analisi matematica (derivate e derivate parziali, differenziali, integrali ed equazioni differenziali semplici, studio di funzione).

Non ci sono testi di riferimento; lo studente è libero di scegliere il testo che preferisce. Si consigliano: 1. D. Gozzi - Termodinamica Chimica, Edizioni Nuova Cultura 2. P. W. Atkins, J. de Paula - Chimica Fisica, Zanichelli 3. Dispense sulle esperienze di laboratorio scritte dal Prof. Daniele Gozzi: https://www.chem.uniroma1.it/sites/default/files/allegati_insegnamento/dispense%20labChimFis.pdf 4. Dispense di Cinetica Chimica scritte dal Prof. Guido Gigli: https://www.chem.uniroma1.it/sites/default/files/allegati_insegnamento/cinetica_chimica.pdf

Il corso si sviluppa in ottanta ore di cui cinquantasei frontali dedicate alla trattazione teorica degli argomenti proposti nel programma (principi, modelli teorici, dimostrazioni, applicazioni e limiti delle equazioni ottenute), dodici di esercitazioni numeriche, comunque frontali, dove vengono svolti esercizi di termodinamica e di cinetica ed altre dodici di esercitazioni di laboratorio in cui lo studente svolge quattro esperienze pratiche i cui risultati dovranno essere elaborati e riportati in una relazione.

La valutazione avverrà mediante una prova scritta e orale durante la quale lo studente dovrà risolvere dei problemi, discutere una delle esperienze di laboratorio (principi teorici dell'esperienza, materiali, metodi, elaborazione dei dati sperimentali e risultati) e trattare alcuni degli argomenti di termodinamica e di cinetica. Verrà valutata la capacità di analisi, di sintesi e chiarezza di espressione dello studente. Verranno discussi sistemi semplici per valutare la capacità dello studente di inquadrarli nel giusto contesto e scegliere le corrette metodologie di studio.

Per approfondimenti: 1. E. Fermi Termodinamica, Boringhieri (disponibile presso la Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica) 2. G. N. Lewis, M. Randall Termodinamica, Leonardo Edizioni Scientifiche (disponibile presso la Biblioteca G. Illuminati del Dipartimento di Chimica)

Il corso si sviluppa in ottanta ore di cui cinquantasei frontali dedicate alla trattazione teorica degli argomenti proposti nel programma (principi, modelli teorici, dimostrazioni, applicazioni e limiti delle equazioni ottenute), dodici di esercitazioni numeriche, comunque frontali, dove vengono svolti esercizi di termodinamica e di cinetica ed altre dodici di esercitazioni di laboratorio in cui lo studente svolge quattro esperienze pratiche i cui risultati dovranno essere elaborati e riportati in una relazione.