Obiettivi Formativi

Il corso fornirà le conoscenze: i) per comprendere e discutere la struttura e le proprietà della materia e le trasformazioni fisiche e chimiche che riguardano atomi e molecole e i loro stati di aggregazione utilizzando mezzi matematici adeguati; ii) dei principi fondamentali della quantomeccanica e la loro correlazione con le proprietà di atomi e molecole al fine di comprendere le loro proprietà spettroscopiche; iii) delle leggi della termodinamica e i fondamenti della cinetica applicate anche ai processi di accumulo e degradazione di inquinanti ambientali. Il corso si propone di fornire allo studente la conoscenza dei metodi della chimica fisica sperimentale e la capacità di applicare in laboratorio alcuni principi di termodinamica e cinetica. In particolare, lo studente acquisirà conoscenze relative alla progettazione di esperienze atte a determinare proprietà chimico-fisiche tramite misure sperimentali e comprendere i principi di funzionamento di alcune apparecchiature scientifiche. Obiettivo ulteriore del corso è fornire le conoscenze di base della teoria degli errori per valutare criticamente i risultati ottenuti.

Learning Goals

The course will provide insights into: i) the structure and properties of matter and the physical and chemical transformations of atoms and molecules and their states of aggregation using the appropriate mathematical methods; ii) the fundamentals of quantum mechanics and their correlation with the properties of atoms and molecules in order to understand their spectroscopic properties; iii) the thermodynamic laws and the fundamentals of kinetic also applied to the processes of accumulation and degradation of environmental pollutants. The course aims to provide the knowledge of the experimental physical chemistry methodologies and the ability to apply the principles of thermodynamics and kinetics in the laboratory. In particular, the student will acquire knowledge of designing experiences to determine physical-chemical properties through experimental measurements and understand the principles of operation of selected scientific equipment. Further objective of the course is to provide the basic knowledge of the theory of errors to critically evaluate the results obtained.

Metodi didattici

Il corso si basa su lezioni teoriche, esercitazioni numeriche ed esercitazioni sperimentali in laboratorio. Sono previste, inoltre, esercitazioni in itinere finalizzate a verifiche facoltative. Sono consentite assenze per non più del 30% delle ore di didattica complessiva.

Teaching Methods

The course is based on lectures, numerical exercises and experiments in laboratory. In itinere exercises aimed at facultative verifications are also foreseen. The absences allowed for no more than 30% of the total teaching hours.

Prerequisiti

I concetti fondamentali di calcolo differenziale e integrale; i concetti di base di meccanica, forza, lavoro, energia, unità di misura SI e quelli di chimica generale e calcolo stechiometrico. The students should feel confident in using basic mathematical subjects as application of differentiation and integration; in using the fundamentals of physics and general chemistry and stoichiometric calculation.

Prerequisites

The students should feel confident in using basic mathematical subjects as application of differentiation and integration; in using the fundamentals of physics and general chemistry and stoichiometric calculation. In addition to the concurrent or previous participation in the lessons of the "Elements of Physical Chemistry” course, the contents of the Chemistry, Mathematics and Physics courses of the first year of lessons are required. Moreover students must be familiar with the basic concepts of chemistry and stoichiometry.

Verifiche dell'apprendimento

Esame complessivo finale costituito da una prova orale. L’esame verterà su almeno tre argomenti, e verificherà il raggiungimento delle conoscenze e la padronanza dei concetti acquisiti sia a livello teorico che sperimentale. È prevista, inoltre, la valutazione dei risultati ottenuti nei singoli esperimenti durante il corso sperimentale. La verifica finale prevede la valutazione dei risultati ottenuti nelle singole prove di laboratorio e di un colloquio orale.

Assessment

The final class grade is based on an oral examination. The exam deals at least with three topics to verify both the theoretical and experimental approach of the student to the treated issues. The Assessment includes the evaluation of the results of individual experiments during the experimental course. The final assessment must evaluate the results obtained in the individual laboratory tests and an oral interview. The threshold of sufficiency consists in learning the basic knowledge of experimental techniques applied during the course and the ability to process the data kept by rationalizing it with the corresponding experimental error.

Programma del Corso

------------------------------------------------------------ Modulo: A000552 - METODI SPERIMENTALI IN CHIMICA FISICA ------------------------------------------------------------ Introduzione: Norme di sicurezza in laboratorio. Elementi di Teoria degli errori applicata alle esperienze di laboratorio: regressione lineare e propagazione dell’errore. Esperienze di laboratorio: Calorimetria. Principi, strumentazione e determinazione sperimentale del potere calorifico di un campione incognito. Determinazione della tensione superficiale. Introduzione e principi delle forze superficiali inter-fase con il Metodo dello stalagmometro. Determinazione della tensione superficiale con metodi diretti ed indiretti. Determinazione dell'energia di attivazione di una reazione. Cenni di cinetica chimica e verifica della legge di Arrhenius. Principi di polarimetria. Determinazione polarimetrica della costante di reazione in sistemi otticamente attivi. Determinazione spettrofotometrica della costante cinetica di una reazione di primo ordine. Principi e funzionamento di uno spettrofotometro, Attinometria – Spettrofluorimetria: Principi, funzionamento di uno spettrofluorimetro e sue applicazioni. Processi bimolecolari e determinazione della costante di Stern Volmer. ------------------------------------------------------------ Modulo: 3312 - ELEMENTI DI CHIMICA FISICA ------------------------------------------------------------ Termodinamica classica: I, II e III Principio; Trasformazioni fisiche di sostanze pure; Miscele; Aspetti termodinamici delle reazioni Chimiche. Quantomeccanica (cenni): Dall'atomo di Rutherford all'equazione di Schrodinger. Il principio di indeterminazione. Operatori ed osservabili. Lo spin. Soluzioni esatte dell'equazione di Schrodinger. Cinetica chimica: leggi cinetiche e loro determinazione; principali meccanismi; legge di Arrhenius; Teorie cinetiche Programma Esteso: Teoria cinetica dei gas, distribuzione delle velocità molecolari, diffusione ed effusione; equazioni di stato; gas ideali, gas reali; lavoro e calore, energia interna, primo principio della termodinamica, entalpia, capacità termiche; termochimica, reazioni di combustione di fonti fossili e valutazione della produzione energetica; secondo principio della termodinamica, entropia; energia di gibbs e lavoro di non espansione nei sistemi biologici; equilibri di fase e diagrammi di stato delle sostanze pure; miscele, potenziale chimico, legge di raoult, legge di henry; proprietà colligative, osmosi inversa e processi di desalinizzazione dell'acqua marina; diagrammi di stato delle miscele, distillazione frazionata, azeotropo, eutettico; equilibrio chimico; energia di gibbs standard di reazione; costante termodinamica di equilibrio; sistemi elettrochimici, celle galvaniche, celle elettrolitiche, celle a combustibile. Fondamenti di fisica quantistica; funzione d'onda e sua interpretazione; equazione di schrödinger; struttura elettronica degli atomi; molecole biatomiche, approssimazione bo, molecole poliatomiche; cenni di moti traslazionali, rotazionali e vibrazionali; spettroscopia rotazionale, vibrazionale ed elettronica; legge di lambert-beer; comprensione dell'effetto serra. Cinetica chimica: definizione di velocità di reazione; costante cinetica e ordine di reazione; leggi cinetiche di primo e secondo ordine; determinazione dell'ordine di reazione e della costante cinetica; dipendenza della costante cinetica dalla temperatura, legge di arrhenius, energia di attivazione; dal meccanismo di reazione alla legge cinetica, approssimazioni dello stadio cineticamente determinante e dello stato stazionario; catalisi, meccanismo di michaelis-menten, distruzione catalitica dell'ozono. Principi chimico fisici dedicati alla comprensione alla degradazione e ripristino ambientale

Course Syllabus

------------------------------------------------------------ Modulo: A000552 - METODI SPERIMENTALI IN CHIMICA FISICA ------------------------------------------------------------ Introduction: Safety in the laboratory. Elements of Error theory: error propagation and lienar regression. Experimental: Calorimetry. Calorific power of fuel. Berthelot-Mahler bomb calorimeter. Determination of surface tension: torsion balance, stalagmometer and jurin method. Reaction activation energy determination (Arrhenius). Polarimetry in carbohydrate chemistry, especially in the analysis of sugar inversion reaction. Spectrophotometric determination of kinetic constant for a first order reaction; Actinometry; Spectrofluorimetry principles and bimolecular quenching. ------------------------------------------------------------ Modulo: 3312 - ELEMENTI DI CHIMICA FISICA ------------------------------------------------------------ Classic thermodynamics: I, II and III laws; Physical transformation of pure substances; Mixtures; Thermodynamic aspects of chemical reactions Quantum mechanics (basic aspects): From Rutherford to Schrodinger equation. The uncertainty principle. Operators and observables. Spin. Exact solutions of Schrodinger equation. Chemical kinetics: reaction rate; determination of the reaction order. examples of reaction mechanisms Arrhenius equation. Collisions theory for the rate constant. Theory of activated complex. Program Kinetic theory of gas, distribution of molecular speeds, diffusion and effusion; equations of state; ideal gases, real gases; work and heat, internal energy, first principle of thermodynamics, enthalpy, thermal capacities; thermochemistry, combustion reactions of fossil sources and evaluation of energy production; second principle of thermodynamics, entropy; gibbs energy and non-expansion work in biological systems; phase balances and state diagrams of pure substances; mixtures, chemical potential, raoult's law, henry's law; colligative properties, reverse osmosis and sea water desalinization processes; state diagrams of the mixtures, fractional distillation, azeotrope, eutectic; chemical balance; standard reaction gibbs energy; equilibrium thermodynamics constant; electrochemical systems, galvanic cells, electrolytic cells, fuel cells. Fundamentals of quantum physics; wave function and its interpretation; schrödinger equation; electronic structure of atoms; biatomic molecules, bo approximation, polyatomic molecules; translational, rotational and vibrational motions; rotational, vibrational and electronic spectroscopy; law of lambert-beer; understanding the greenhouse effect. Chemical kinetics: definition of reaction rate; kinetic constant and reaction order; first and second order kinetic laws; determination of the reaction order and of the kinetics constant; dependence of the kinetic constant on temperature, arrhenius's law, activation energy; from the mechanism of reaction to the kinetic law, approximations of the kinetically determining stage and of the stationary state; catalysis, michaelis-menten mechanism, catalytic destruction of ozone. Chemical physical principles dedicated to understanding to environmental degradation and restoration