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Marco BORSARI
Professore Associato
Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche - Sede Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche
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Insegnamento: Chimica fisica I
Chimica (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Obiettivo principale del corso è presentare allo studente del secondo anno i principi della termodinamica chimica classica e statistica nonché della cinetica chimica e di consolidare queste conoscenze nei vari settori della chimica della vita e dei materiali, ponendo le fondamenta per i successivi corsi caratterizzanti del corso di laurea.
La trattazione sempre rigorosa degli argomenti teorici verrà costantemente affiancata da esercitazioni numeriche e applicazioni di laboratorio onde rendere chiara la relazione tra le osservabili misurate sperimentalmente e i modelli teorici che permettono la loro interpretazione.
Durante lo svolgimento del corso lo studente acquisirà il linguaggio della chimica fisica e acquisterà la capacità di risolvere problemi chimico-fisici rilevanti in vari settori scientifico-tecnologici mediante l'applicazione dei concetti di base della termodinamica e della cinetica chimica.
Al termine del corso, lo studente conoscerà i principi termodinamici che regolano gli scambi energetici tra sistemi chimici e fisici, la conversione tra differenti forme di energia, l'equilibrio fisico e chimico in sistemi a più componenti e a più fasi. Sarà in grado di raccogliere dati scientifici attraverso l'uso di tecniche e metodologie di tipo chimico-fisico, ricavando proprietà molecolari da dati calorimetrici ed elettrochimici.
Prerequisiti
Conoscenze di base di Chimica Generale, Matematica 1 e 2, Fisica 1
Programma del corso
Richiami di calcolo differenziale e integrale. (2 ore)
Proprietà del Gas Ideale. (4 ore)
Teoria cinetica dei gas:. (3 ore)
I Gas reali. (3 ore)
La prima legge della termodinamica. (5 ore)
Termochimica. (5 ore)
La seconda legge della termodinamica. (5 ore)
Le energie di Gibbs e di Helmholtz e le loro applicazioni. (7 ore)
Equilibri delle trasformazioni fisiche di sostanze pure. (6 ore)
Miscele dei non elettroliti. (6 ore)
Proprietà Colligative. (3 ore)
Miscele degli elettroliti. (6 ore)
L’equilibrio chimico. (6 ore)
Equilibrio elettrochimico. (5 ore)
Cenni di Termodinamica statistica. (6 ore)
Cinetica chimica. (ore 10)
Esperienze di laboratorio:
-determinazione del pK di un acido debole tramite misure spettrofotometriche
-determinazione del pK di un acido debole tramite misure conduttometriche
-misura dell’entalpia di deprotonazione di un acido debole tramite misure pH-metriche a diverse temperature
-misura di E° per la coppia Cu2+/Cu°
-misura di S° e H° di riduzione di Cu2+ a Cu°
-misura della capacità termica molare di H2O
-misura dell’entalpia di formazione di H2O
-diagramma di stato del sistema binario Pb/Sn
-cinetica di idrolisi dell’acetato di etile tramite misure conduttometriche
-cinetica di idrolisi acida del saccarosio tramite misure polarimetriche (ore 30)
Esercitazioni numeriche su: proprietà dei gas, primo e secondo principio della termodinamica, calorimetria, trasformazioni fisiche delle sostanze, diagrammi di stato, la reazione chimica, l'equilibrio chimico, rendimento di una reazione chimica e di cinetica chimica. (ore 20)
Metodi didattici
Lezioni frontali ed esercitazioni numeriche e di laboratorio che prevedono la partecipazione attiva degli studenti.
Testi di riferimento
Dispense del docente.
P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna.
R. Chang, Chimica Fisica I, Zanichelli, Bologna.
W. J. Moore, Chimica Fisica, Piccin, Padova
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Verifica dell'apprendimento
La verifica di profitto si basa i) sulla valutazione delle relazioni di laboratorio; ii) sullo svolgimento di un esame scritto, iii) su una prova orale intermedia che verte sulla parte di programma relativa alla cinetica chimica e iv) su una prova orale finale che verte sugli argomenti svolti durante le lezioni teoriche.
La prova scritta consiste nella risoluzione di 3 esercizi sugli argomenti di termodinamica chimica trattati a lezione. La durata della prova è di 4 ore. Durante la prova lo studente potrà consultare appunti di lezione e libri di testo.
La prova orale intermedia è generalmente costituita da 3 domande su argomenti di cinetica chimica e catalisi.
La prova orale finale è generalmente costituita da tre domande: una relativa alla parte generale della termodinamica classica; una relativa alle applicazioni della termodinamica chimica; ed infine ad una domanda relativa alla introduzione alla meccanica quantistica.
Le relazioni di laboratorio saranno valutate con una idoneità secondo criteri di organizzazione, linguaggio e capacità di sintesi, comprensione dell'obiettivo finale cui tende l'esperienza proposta, corretta esecuzione dell'esperienza e capacità di descrivere ed interpretare i risultati.
Sia la prova scritta che le due prove orali saranno valutate con un punteggio in trentesimi, con eventuale lode.
Nell’attribuzione del punteggio delle prove verrà valutato il livello delle conoscenze teoriche acquisite (50%), della capacità di applicare le conoscenze acquisite (30%), dell’autonomia di giudizio (10%) e delle abilità comunicative (10%).
Ciascuna abilità verrà valutata di volta in volta su argomenti o blocchi di argomenti diversi.
Il punteggio finale dell'esame sarà una media pesata dei punteggi acquisiti nella prova scritta e nelle due prove orali. La prova scritta e la prova orale intermedia peseranno per il 25% mentre la prova orale finale peserà per il restante 50%.
Risultati attesi
Conoscenza e capacità di comprensione
Tramite lezioni in aula, esercitazioni guidate numeriche e di laboratorio e discussioni collegiali lo studente apprende:
- l’applicazione della termodinamica e cinetica chimica a processi fisici e chimici;
- un metodo che consenta l’uso di un esperimento progettato per la soluzione di problemi chimici;
e comprende
- come elaborare modelli chimico-fisici da applicare ai problemi chimici;
- quali sono le variabili che determinano e controllano i processi fisici e chimici;
- come utilizzare la termodinamica e la cinetica chimica nello studio di fenomeni chimici.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Tramite discussioni e esercitazioni in aula e laboratorio lo studente sarà in grado di applicare i concetti appresi per
- progettare esperimenti e analizzarne i risultati;
- effettuare misure strumentali e comprenderne i risultati;
- studiare processi fisici e chimici in termini quantitativi;
Autonomia di giudizio
Tramite le discussioni in aula, le relazioni e l’esame scritto migliora e amplia le proprie capacità di
- formulare idee e proporre deduzioni sulla base delle conoscenze acquisite
- valutazione critica dei risultati sperimentali ottenibili con tecniche strumentali
- progettare esperimenti
- prevedere l’andamenti di fenomeni fisici e chimici
Abilità comunicative
Tramite discussioni di gruppo lo studente acquisirà adeguate competenze e strumenti per la comunicazione con riferimento all’ottenimento, elaborazione e presentazione dati in modo efficace e conciso; di esprimere i concetti appresi con linguaggio scientifico appropriato e di sostenere una discussione in merito agli argomenti trattati.
Capacità di apprendimento
Le attività descritte, le esercitazioni guidate, le applicazioni di laboratorio e lo studio permettono allo studente di acquisire gli strumenti metodologici necessari per potere approfondire specifici argomenti e affrontare problemi connessi a processi fisici e chimici.