Chimica Fisica (CTF)

Lo scopo del corso è fornire agli studenti i concetti fondamentali della termodinamica, della cinetica chimica, della struttura della materia e della spettroscopia elettronica.

Aim of the course is to provide students the basic concepts of thermodynamics, chemical kinetics and spectroscopy.

Ci si aspetta che gli studenti acquisiscano le nozioni fondamentali relative ai concetti di temperatura, calore ed energia, funzioni di stato e processi reversibili; che conoscano i principi della termodinamica e l'utilizzo del potenziale chimico (energia libera) per descrivere equilibri (equilibrio chimico, diagrammi di fase, sistemi elettrochimici, membrane). Sono richieste nozioni relative ai concetti di funzione d'onda, all'effetto di concentrazione e temperatura sulla velocità di una reazione ed ai concetti fondamentali della cinetica (rate determining step, ipotesi dello stato stazionario, complesso attivato e stato di transizione, meccanismi di reazione). Gli studenti dovrebbero acquisire conoscenze di base relative ai sistemi colloidali ed ai fenomeni legati all'interazione della radiazione UV-Vis con molecole organiche (fenomeni di assorbimento ed emissione, intensità degli spettri).

The students should acquire basic concepts of temperature, heat and Energy, state functions and reversible processes; they should learn the thermodynamics laws and how to employ chemical potential (free energy) to describe equilibria (chemical, phase diagrams, electrochemical systems, membranes). Knowledge about wavefunctions, effect of concentration and temperature on a reaction rate and the basic concepts of kinetics (rate determining step, stationary state hypothesis, activated complex and transition state, reaction mechanisms) are required, together with knowledge about colloidal systems and about the phenomena related to the interaction of UV-Vis radiation with molecules (absorption and emission, spectra intensity).

Gli argomenti trattati, dopo un’introduzione sugli approcci microscopico e macroscopico per la descrizione del comportamento di un sistema, sono i seguenti:

1) I gas

I gas ideali. Le leggi dei gas: legge di Boyle, legge di Charles, legge dei gas perfetti. Teoria cinetica dei gas, miscele di gas ideali, pressioni parziali (legge di Dalton). I gas reali. Equazione di Van der Waals

2) Termodinamica classica

Energia potenziale di due particelle. Equilibrio meccanico, chimico e termico. Definizione di equazioni di stato. Processo reversibile e processo irreversibile.

I principio della termodinamicaLavoro e Calore. Processi adiabatici e non adiabatici. Funzioni di stato: energia interna, entalpia, capacità termiche a pressione e volume costante  (C_p e C_v). Termochimica.Entalpia standard, entalpie di reazione, processi endotermici e esotermici, entalpie di formazione, Legge di Hess.

II principio della termodinamica. Postulato di Kelvin e di Clausius. Ciclo di Carnot. Entropia. Energia libera di Gibbs. Energia libera di Helmholtz. Equazioni fondamentali della termodinamica. Dipendenza dalla pressione e dalla temperatura.

III principio della termodinamica. Teorema di Nerst. Entropia assoluta.

Termodinamica delle miscele Energia libera di una soluzione. Soluzioni ideali. Legge di Raoult. Legge di Henry. Soluzioni non ideali. Grandezze molali parziali. Attività e coefficiente di attività. Potenziale chimico. Sistemi aperti. Proprietà colligative.

Le trasformazioni fisiche delle sostanze pure. I diagrammi di stato. Stabilità delle fasi e transizioni di stato. Equazioni di Clapeyron e di Clausius-Clapeyron. Fasi, componenti e gradi di libertà. I sistemi a due componenti. Miscele azeotropiche.

Equilibrio chimico e Energia libera. Costante di equilibrio termodinamico. Equazione di Gibbs-Helmholtz.  Equazione di Van’t Hoff.

3) Elettrochimica. Elettrodi e celle elettrochimiche. Forza elettromotrice ed energia libera. L’equazione di Nerst. Determinazione dei potenziali standard e di coefficienti di attività.

4) Fenomeni di membrana. Equilibri di membrana di Donnan. Potenziali di membrana.

5) Cinetica chimica. Velocità delle reazioni chimiche. Equazioni cinetiche, Ordine di reazione. Equazione di Arrhenius. Meccanismi di reazione. Reazioni consecutive, reazioni parallele. Reazioni catalizzate da enzimi. Modello del complesso attivato.

6) La struttura. I principi della meccanica quantistica. L’equazione di Schrödinger. Funzioni d’onda. Principio di indeterminazione. Gli orbitali molecolari. Schema degli O.M. di molecole semplici. Sistemi colloidali.

7) La spettroscopia elettronica Interazione radiazione-materia. Spettroscopia di assorbimento UV-Vis e di emissione (fluorescenza e fosforescenza). Cenni ad altre tecniche spettroscopiche.

After an introduction about the microscopic and macroscopic approaches for the description of a system, the following topics will be developed:

1) The gas phase

Ideal gases and laws: laws of Boyle,  Charles and of perfect gases. Kinetic theory of gases, mixtures of ideal gases, partial pressures (law of Dalton). Non-ideal (real) gases. Van der Waals equation.

2) Classical thermodynamics

Potential energy of two particles. Mechanical, chemical and thermal equilibrium. Definition of state equations. Reversible and irreversible processes.

First principle of thermodynamic.Work and heat. Adiabatic and non-adiabatic processes. State functions: internal energy, enthalpy, constant pressure and volume thermal capacities (C_p e C_v). Thermochemistry. Standard and reaction entalphy, exothermic and endothermic processes, formation enthalpy, Hess law.

Second principle of thermodynamic. Kelvin and Clausius postulates. Carnet cycle. Entropy and free Gibbs and Helmholtz energy. Thermodynamics fundamental equations. Dependence upon pressure and temperature.

Third principle of thermodynamic. Nerst theorem. Absolute entropy.

Thermodynamics of mixtures. Free energy of a solution. Ideal and non-ideal solutions. Raoult and Henry laws. Partila molar quantitites. Activity and activity coefficient. Chemical potential. Open systems. Colligative properties.

Physical transformations of pure substances. State diagrams. Stability of phases and state transitions. Clapeyron and Clausius-Clapeyron equations. Phases, components and freedom degrees. Binary systems. Azeotropic mixtures.

Chemical equilibrium and free energy. Thermodynamics equilibrium constant. Gibbs-Helmholtz eqaution. Van’t Hoff equation.

3) Electrochemistry. Electrodes and  electrochemical cells. Electromotive force and free energy. Nerst equation. Determination of standard potentials and activity coefficients.

4) Membrane phenomena. Donnan membrane equilibrium. Membrane potentials.

5) Chemical kinetics. Rate of chemical reactions. Kinetics equations. Reaction order. Arrhenius equation. Reaction mechanisms. Consecutive and parallel reactions. Enzyme catalyzed reactions. Activated complex model.

6) Structure. Basic concepts of quantum mechanics. Schrödinger equation. Wave functions. Indetermination principle. Molecular Orbitals and schemes of M.O. for simple molecules (H2, HF, CO, NO). Introduction to colloidal systems.

7) Electronic spectroscopy. Radiation-matter interaction. UV-Vis absorption and emission (fluorescence and phosphorescence) spectroscopies.

L'insegnamento consiste in una serie di lezioni frontali coadiuvate dalla proiezione di diapositive. Le diapositive sono volutamente sintetiche, e contengono i principali concetti, formule ed equazioni. Una versione più discorsiva dello stesso materiale è disponibile online. Tale materiale può essere utile ad approfondire concetti insieme o in alternativa ai libri di testo. E' consigliata la frequenza perchè a lezione vengono indicati quali sono i concetti principali e le parti da tralasciare.

Circa 12 ore sono dedicate allo svolgimento alla lavagna di ezercizi numerici, propedeutici al superamento dell'esame scritto.

The lessons are in Italian. The teacher employs synthetic slides to help the students to follow the explanations. These contain the main concepts, formulas and equatiosn, while a more extended version of the same material (in Italian) is available online, to  be checked as an alternative to suggested textbooks. Students are advised to follow lessons, since the teacher tries to highligt the main concepts and the sections which could be skipped.

 Around 12 hours are dedicated to numerical excercises, solved by the teacher at the blackboard, to help students for the written exam.

Nessuna prova in itinere. Esame scritto necessario per accedere all'orale, con il voto minimo d 18/30. I voti di scritto ed orale non fanno media matematica, in quanto il superamento dell'esame scritto è considerato soltanto un requisito minimo per accedere all'orale.  L'esame scritto non è verbalizzante e non ha scadenza. Gli studenti possono quindi superare l'esame scritto e sostenere poi l'orale senza limiti di tempo. 

L'esame scritto consiste di 6 esercizi (5 punti ad esercizio) da svolgere in non più di 2 ore. Nella valutazione viene considerato sia il risultato finale che lo svolgimento. E' quindi necessario riportare in modo chiaro lo svolgimento dell'esercizio.

L'esame orale è volto a valutare la comprensione da parte dello studente dei concetti fondamentali del corso, anche attraverso una buona padronanza delle funzioni ed equazioni sviluppate durante il corso. In genere si parte da domande molto generali sui concetti principali della termodinamica (es primo principio, energia libera etc) e/o della cinetica (dipendenza della velocità di reazione da temperatura e concentrazione, cinetica enzimatica, etc), a cui seguono domande più specifiche di approfondimento ed almeno una domanda su un argomento diverso (incluse le proprietà dei sistemi colloidali, l'elettrochimica o la spettroscopia). E' necessaria una buona padronanza di formule e grafici, ma per il superamento dell'esame non è sufficiente uno studio mnemonico,  è richiesta una comprensione dei concetti principali.

A written exam, based on the numerical exercises carried out during the lessons, needs to be passed (minimal score 18/30) to acess the oral exam. This will consist in 6 exercises (5 maximumscore each) to be solved in no more than 2 hours. The teacher wil evaluate not only the final result but how the exercise was solved, so the students need to report all working.

The final score will be mainly based on the oral exam, which will be aimed at assessing the students understanding of the main concepts, also based on their mastery of the main functions and equations.

Il corso è organizzato in lezioni frontali relative ala parte teorica ed in una parte di esercitazioni numeriche in cui si vogliono fornire agli studenti gli strumenti per superare la prova scritta.

Ricevimento su appuntamento per e-mail o telefono

The course includes lessons and numerical exercises, meant to help students in the written exam. The exam is oral, after passing a written test about numerical exercises.

For any information or tutorial activity please contact me by e-mail or phone to fix a meeting.