Obiettivi Formativi

Il corso ha come obiettivo quello di fornire la conoscenza dei principi termodinamici che regolano gli scambi energetici tra sistemi chimici e la conversione tra differenti forme di energia (es. energia chimica in energia elettrica). Lo studente conoscerà le leggi che regolano l’equilibrio chimico in sistemi a più componenti e a più fasi. Avrà acquisito inoltre i principi che determinano la reattività dei sistemi chimici e la velocità di reazione con particolare riferimento alla metabolizzazione dei nutraceutici. È ulteriore obiettivo del corso fornire la conoscenza e la comprensione dei principi atti a spiegare ed interpretare i processi fisici e le trasformazioni chimiche, tramite l’impiego di “modelli”, peculiarità della Chimica Fisica. Alla fine del corso lo studente dovrà aver acquisito la capacità di applicare la conoscenza e la comprensione acquisita, allo studio e all’interpretazione della struttura e delle proprietà chimico fisiche dei nutraceutici.

Learning Goals

The aim of the course is to provide the knowledge of the thermodynamic principles that govern the energy exchanges between the chemical systems and conversion between different forms of energy (eg chemical energy into electrical energy). Further learning goals are the knowledge of the laws that regulate the chemical equilibrium in systems with multiple components and multiple phases, and the principles that determine the reactivity of chemical systems, the reaction rates and the speed of reaction whit particular reference to the metabolism of nutraceuticals.

Metodi didattici

Il corso prevede 36 h di lezioni frontali

Teaching Methods

Lessons and lectures

Prerequisiti

Chimica Generale ed Inorganica e Elementi di Analisi matematica.

Prerequisites

Knowledge of fundamental Mathematics and General chemistry.

Verifiche dell'apprendimento

L’esame Esame orale finale, che verterà su almeno tre argomenti, verificherà il raggiungimento delle conoscenze e la padronanza dei concetti acquisiti

Assessment

oral examination, based on at least three topics.

Programma del Corso

LE PROPRIETA' DEI GAS: Gas perfetti. Le leggi dei gas. Distribuzione delle velocità. Distribuzione di Maxwell. Gas reali. Equazioni di stato viriali. Equazione di van der Waals. Le isoterme per i gas reali. PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Sistemi termodinamici. Variabili termodinamiche q, w, U e I principio. Il lavoro di espansione. Cv. L'entalpia. Cp. Trasformazioni adiabatiche. Funzioni di stato e differenziali esatti. Dipendenza di U e di H dalla temperatura. Effetto Joule-Thomson. Relazione tra Cv e Cp. Termochimica. La legge di Hess. L'entalpia standard di formazione. Dipendenza dell'entalpia di reazione dalla temperatura: legge di Kirchoff. SECONDO E TERZO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Entropia. Definizione statistica e termodinamica dell'entropia. Variazione di entropia nell'ambiente. Il II principio della termodinamica. Entropia nelle trasformazioni irreversibili. Disuguaglianza di Clausius. Le funzioni di Helmholtz e di Gibbs e lavoro massimo. Le relazioni di Maxwell. S nelle transizioni di stato. Variazione di entropia nelle trasformazioni più comuni. Misura dell'entropia. III principio della termodinamica ed entropia assoluta. Criterio per l'equilibrio e la direzione della trasformazione in sistemi chiusi ed aperti (equazione di Gibbs). Potenziale chimico. Funzione di Gibbs molare standard. Dipendenza di G dalla temperatura (equazione di Gibbs Helmholtz) e dalla pressione. TRASFORMAZIONI FISICHE DELLE SOSTANZE PURE: Diagrammi di stato. La stabilità delle fasi. Equazione di Clapeyron. Equazione di Clausius-Clapeyron. Curve limite fra fasi. Determinazione dell'entalpia di transizione. Transizioni di fase. LE MISCELE: Grandezze molari parziali. Volume molare parziale. Funzione di Gibbs molare parziale. Sistemi ideali e reali. Potenziale chimico dei liquidi: soluzioni ideali. Equilibrio liquido-vapore. Leggi di Raoult e di Henry. Le proprietà colligative. La solubilità. Soluzioni reali ed attività. Miscele di liquidi. REAZIONI CHIMICHE: Reazioni chimiche spontanee. Grado di avanzamento di una reazione. La funzione di Gibbs di reazione. Costanti di equilibrio e loro dipendenza da pressione e temperatura. Equazione di van't Hoff. L'ELETTROCHIMICA DELL'EQUILIBRIO: Celle elettrochimiche. Semi-reazioni ed elettrodi. Relazione tra E e ΔG. Equazione di Nernst. Variazione della forza elettromotrice con la temperatura (ΔrS° e ΔrH°). CINETICA CHIMICA: Velocità di reazione. Equazione cinetica. Ordine di reazione. Determinazione dell'ordine di reazione. Reazioni di primo ordine, di secondo ordine, di ordine zero e di ordine superiore. Reazioni elementari e molecolarità. Equazione di Arrhenius. Effetto della pressione. Reazioni consecutive. Approssimazione dello stato stazionario. Meccanismo di pre-equilibrio. Energia di attivazione apparente. Reazioni monomolecolari. Meccanismo di Michaelis-Menten. Teoria degli urti. Teoria del complesso attivato. Entalpia ed entropia di attivazione.

Course Syllabus

GASES PROPERTIES: Gas perfect. The gas laws. Speed distribution. Maxwell distribution. Real gases. Virial state equations. Equation van der Waals The isotherms for real gases. FIRST LAW OF THERMODYNAMICS: Thermodynamic systems. Thermodynamic variables. Heat, work, internal energy and the first principle. The expansion work. Heat capacity at constant volume. Enthalpy. Heat capacity at constant pressure. Adiabatic transformations. State functions and exact differentials. Dependence of internal energy and enthalpy on temperature. Joule-Thomson effect. Relationship between Cv and Cp. Hess's law. The standard enthalpy of formation. The temperature dependence of the enthalpy of reaction: Kirchoff's law. SECOND AND THIRD LAW OF THERMODYNAMICS: entropy. Statistical definition of entropy. Entropy change in the environment. The second law of thermodynamics. Entropy in irreversible transformations. Clausius inequality. The functions of the Helmholtz and Gibbs. Maxwell's relations. The entropy in the phase transitions. Entropy change in the most common transformations. Measure of entropy. Third law of thermodynamics and entropy absolute. Criteria for the equilibrium and direction of transformation in closed and open systems (Gibbs). Chemical potential. Standard molar Gibbs function. Temperature dependence of the Gibbs function (Gibbs Helmholtz equation) and pressure dependence. PHYSICAL TRASFORMATION OF PURE SUBSTANCES: Phase diagrams. The stability of the phases. Clapeyron equation. Clausius-Clapeyron equation. Phase boundaries. Determination of the transition enthalpy. Phase transitions. MIXTURES: partial molar quantities. Partial molar Gibbs function. Ideal and real systems. Chemical potential of liquid, ideal solutions. Liquid-vapor equilibrium. Raoult's and Henry's laws. The colligative properties. The solubility. Real solutions and activities. CHEMICAL REACTIONS: Spontaneous chemical reactions. Degree of advancement of a reaction. Gibbs function of reaction. Equilibrium constants and their dependence on pressure and temperature. Van't Hoff equation. THE ELECTROCHEMISTRY OF EQUILIBRIUM: Electrochemical cells. Half-reactions and electrodes. Relation between E and DG. Nernst equation. Emf variation with temperature (DrS° DrH°) CHEMICAL KINETICS: Reaction rate. Kinetic equation. Reaction order. Determination of the reaction order. Reactions of first order, second order, zero-order and higher order. Elemental and molecular reactions. Arrhenius equation. Effect of pressure. Steady-state approximation. Pre-equilibrium mechanism. Apparent activation energy. Monomolecular reactions. Collisions theory. Theory of activated complex. Enthalpy and entropy of activation.