Introduzione

1. Introduzione • La chimica fisica applica i metodi della fisica a problemi chimici Colore marrone= interazione della luce con il guscio (SPETTROSCOPIA) commestibile= facilmente metabolizzabile (CINETICA) (ENERGETICA delle REAZIONI CHIMICHE) nocciolina Dura e solida= forze intermolecolari (TEORIA del LEGAME CHIMICO) (EQUILIBRI DI FASE) Sapore e aspetto= sono sensazioni rivelate al cervello da impulsi elettrici (ELETTROCHIMICA) La nocciola si attacca ai denti (TEORIA dell’ADSORBIMENTO)

2. Introduzione • Lo studio del mondo intorno a noi è oggetto di studio della chimica fisica (SPETTROSCOPIA) (CINETICA) (ENERGETICA delle REAZIONI CHIMICHE) (TEORIA del LEGAME CHIMICO) (EQUILIBRI DI FASE) (TEORIA dell’ADSORBIMENTO) (ELETTROCHIMICA) Affresco di Giotto nella cappella degli Scrovegni a Padova

3. CHIMICA FISICA • Introduzione ai concetti fondamentali della chimica fisica • Proprietà dei gas. • Primo principio della Termodinamica. • Il secondo principio e la terza legge. • Spontaneità ed equilibrio. • I cambiamenti di stato. • Gli equilibri di fase. • L'equilibrio chimico. • Testi consigliati: • P.W. Atkins: Elementi di Chimica Fisica (Zanichelli). • R.P. Chang: Chimica Fisica 1 vol (Zanichelli) • P.W. Atkins: Chimica Fisica (Zanichelli). • G.K. Vemulapalli: Chimica Fisica (EDISES) • K.J. Laidler- J.H. Meiser: Chimica Fisica (Editoriale Grasso). • LABORATORIO DI CHIMICA FISICA • Cinetica chimica. • Cenni di Termodinamica di superficie. • Principi di Spettroscopia. • Testi consigliati: • P.W. Atkins: Chimica Fisica (Zanichelli). • G.K. Vemulapalli: Chimica Fisica (EDISES) • K.J. Laidler- J.H. Meiser: Chimica Fisica (Editoriale Grasso). Lo studente è libero di scegliere qualunque libro di testo, anche non incluso in elenco.

4. Causa ed effetto Una VARIABILE è un parametro sperimentale che possiamo cambiare (es. pressione, temperatura, ...) per fare avvenire un CAMBIAMENTO o TRASFORMAZIONE Il contenuto energetico di un sistema aumenta quando vi è un trasferimento di energia da un altro sistema Relazioni chimico-fisiche • Es. mettere l’acqua in un bollitore elettrico non fa riscaldare l’acqua finchè non si accende il bollitore e l’energia elettrica viene convertita in energia termica • l’acqua si riscalda in proporzione alla quantità di elettricità consumata •  La temperatura dell’acqua dipende dall’energia consumata: T = f(energia) • “è funzione di” La chimica fisica studia le relazioni tra le variabili

5. Variabili osservate e variabili controllate Si varia la grandezza della VARIABILE CONTROLLATA e si osserva la risposta della VARIABILE OSSERVATA Es. si gira la manopola del volume control e il volume della radio aumenta: Il volume control è una resistenza variabile attraversata dalla corrente dalla batteria, girando la manopola (variabile controllata) si fa passare più corrente  più energia prodotta dalla resistenza  il suono dagli altoparlanti è più alto ed il volume (variabile osservata) aumenta.

6. Relazioni e grafici

7. Relazioni tra le variabili La PRESSIONE (p) del’aria su ogni punto della superficie terrestre dipende dalla quantità di aria che pesa su quel punto Lo strumento che misura la pressione dell’aria è il BAROMETRO

8. Leggi della Termodinamica Una LEGGE nel linguaggio della chimica-fisica rappresenta una OSSERVAZIONE UNIVERSALE Il calore (una forma dell’energia) fluisce sempre dal corpo più caldo a quello più freddo (LEGGE -1 DELLA TERMODINAMICA)

9. Equilibrio Termico e Legge Zero della Termodinamica Come funziona un termometro? Diciamo che paziente, vetro e mercurio sono in EQUILIBRIO TERMICO se sono alla stessa temperatura

10. Definizione di temperatura – principio zero della termodinamica Corollario al principio zero: un corpo ha una T maggiore se ha più energia e una T minore se ha meno energia

11. Scale termometriche Fahrenheit Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). Inventore del termometro ad alcool e del termometro a mercurio. La temperatura di ebollizione dell’acqua è posta uguale a 212 ° mentre quella di fusione del ghiaccio è posta uguale a 32°. Celsius Anders Celsius (1701-1744) Lo zero è fissato alla temperatura di fusione del ghiaccio mentre la temperatura di ebollizione dell’acqua è posta a 100 °.

12. Misura della temperatura

13. Grandezze e unità di misura. Il Sistema Internazionale (SI)

14. Grandezze e unità di misura. Il Sistema Internazionale (SI)

19. Proprietà e leggi dei gas Sono tre gli STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA:

20. Gli stati della materia • IlSolidopossiede formaevolumeben definiti • IlLiquidopossiede unvolumedefinito • IlGaspossiede forma e volumenon definiti

21. Determinazione degli stati della materia Quali sono le tipiche densità () nei tre stati di aggregazione? Gas  ~ 10-3 g/cm3 Liquidi-Solidi (Fasi condensate)  ~ 1-10 g/cm3

22. Parametri di stato Volume: in m3, oppure in L (non S.I.) Massa: in kg, oppure in mol Pressione: in N m-2 = Pa, oppure in atm Temperatura: in K, oppurein °C (non S.I.) Lo stato di un sistema (elemento, composto, miscela) dipende dalle variabili termodinamiche Tep Variando queste 2 grandezze è possibile effettuare delle trasformazioni di fase

23. Le trasformazioni di fase Durante il riscaldamento, l’energia fornita contribuisce ad aumentare l’agitazione termica delle molecole. Durante le trasformazioni di fase, latemperaturarimane costante, il calore scambiato è relativo alle modificazioni delle forze intermolecolari

25. Lo stato gassoso I gas hanno tre proprietà caratteristiche: 1.sono facilmente comprimibili, 2.si espandono per riempire il loro contenitore 3.occupano molto più spazio (minoredensità) dei solidi e liquidi da cui provengono. Queste proprietà derivano dalla grande distanza che separa le molecole che compongono un gas (ALTA DISTANZA INTERMOLECOLARE) .

26. Il gas ideale (o perfetto) si ammette che: 1. le molecole del gas siano puntiformi, 2.tutta l’energia interna del gas sia energia traslazionale, 3. le collisioni (urti) intermolecolari siano completamente elastiche e che non siano presenti interazioni energetiche fra le molecole gassose.

27. I gas perfetti Per essere ideale, un gas deve avere volume molecolare trascurabile rispetto al volume del contenitore, interazione tra le molecole nulla. Ciò si verifica per la maggiorparte dei gas a basse pressioni ed alte temperature

28. Proprietà e leggi dei GAS • Effetto della temperatura sul volume di un gas • Effetto della pressione sul volume di un gas • Effetto della pressione e della temperatura sul volume di un gas

29. Proprietà e leggi dei GAS • Effetto della temperatura sul volume di un gas  LEGGE DI CHARLES • La densità di un gas dipende dalla sua temperatura • L’aria calda ha una densità minore dell’aria fredda • Perchè si vedono moti convettivi su un radiatore caldo? • perchè le mongolfiere volano?

30. Jacques Charles (1746-1823) Legge di Charles e determinazione dello zero assoluto della temperatura

31. Legge di Charles e determinazione dello zero assoluto della temperatura Lord Kelvin

32. Proprietà e leggi dei GAS • Effetto della pressione sul volume di un gas  LEGGE DI BOYLE Il volume di un gas diminuisce all’aumentare della pressione:

33. Legge di Boyle la pressione di una determinata quantità di gas, mantenuto a temperatura costante, è inversamente proporzionale al volume.

34. Legge di Boyle

35. Proprietà e leggi dei GAS • Effetto della pressione e della temperatura sul volume di un gas  LEGGE DEL GAS IDEALE p, V e T sono correlati  equazione di stato del gas ideale • - Perchè i tuoni accompagnano i lampi? • come funziona una stampante a getto d’inchiostro?

36. Equazione del gas ideale • Come funziona una stampante a getto d’inchiostro? T, V e P sono correlate

37. Equazione del gas ideale Nelle condizioni di idealità, per un gas vale la relazione: Per 1 mol di gas (n= numero di moli) P= pressione (in Pa), V= volume (in m3), T = temperatura (in K) R= costante (universale) dei gas = 8.314 J K-1 mol-1 (0.0821 l atm mol-1 K-1).

38. LEGGE DI STATO DEI GAS