Chimica fisica

Docente: 
Codice insegnamento: 
1008199
SSD Insegnamento: 
CHIM/02 - Chimica fisica
SSD: 
CHIM/02 - chimica fisica
Anno di corso: 
2
Semestre: 
CFU: 
8
Anno accademico: 
2012/2013
Obiettivi formativi: 
Conoscenze di base di termodinamica classica, di termodinamica dei processi irreversibili, di cinetica con particolare approfondimento riguardo ai processi di trasporto.
Testi consigliati: 
C. Botrè, G. Pecci: "Chimica Fisica", Bulzoni Editore, 1975
C. Botrè: "Principi di Bioirreversibilità", Bulzoni Editore, 1976
C. Botrè: "Le Basi Chimico-Fisiche della Farmacologia", Editore Grasso, 1984
Peter W. Atkins – Chimica Fisica – Quinta edizione, Zanichelli
Dispense disponibili sul sito internet del docente (http://w3.uniroma1.it/bioprobe/Didattica.htm) Altre informazioni
Programma: 

Termodinamica chimica.

Introduzione.Definizione di sistema, ambiente, variabili o funzioni termodinamiche. Stati di equilibrio e trasformazioni termodinamiche. Calore e Lavoro. Calorimetria.

Il primo principio.Energia interna. Capacità termica e calore specifico. Applicazione del primo principio ai gas perfetti.

Entalpia.Entalpia delle reazioni in fase gassosa. Entalpia delle trasformazioni fisiche, atomiche e molecolari. Termochimica. Legge di Hess. Entalpia standard di formazione. Variazione dell’entalpia con la temperatura: legge di Kirchhoff. Effetto di Joule-Thomson.

Secondo principio.Enunciati. Trasformazioni spontanee. Reversibilità e irreversibilità.
Entropia. Definizione termodinamica. Disuguaglianza di Clausius. Espansione isoterma reversibile e irreversibile di un gas perfetto. Trasformazioni adiabatiche. Cicli termodinamici. Teorema e ciclo di Carnot. Variazione dell’entropia con la temperatura.

Terzo principio.Teorema di Nernst. Relazione di Boltzmann.

Energia di Helmholtz ed energia di Gibbs.Funzione lavoro massimo. Energia libera di reazione. Equazione fondamentale della termodinamica. Relazioni di Maxwell. Equazione di stato termodinamica. Variazione dell’energia di Gibbs con la pressione e con la temperatura. Equazione di Gibbs-Helmholtz. Fugacità ed attività. Grandezze molari parziali. Potenziale chimico. Criterio termodinamico dell’equilibrio. Equazione di Clapeyron. Equazione di Gibbs-Duhem. Energia di Gibbs di mescolamento. Quoziente di reazione e costante di equilibrio. Costante di equilibrio e distribuzione di Boltzmann. Principio di Le Chatelier. Equazione di Van’t Hoff.

Equilibri di fase: Diagrammi di stato delle miscele. Sistemi a due componenti e diagrammi temperatura-composizione. Diagrammi di stato liquido-liquido per sistemi a due componenti parzialmente miscibili. Diagrammi di stato liquido-vapore per miscele di liquidi volatili: curve caratteristiche di tensione di vapore; diagrammi pressione-composizione e temperatura-composizione; distillazione semplice e frazionata; azeotropi.
Cinetica chimica: Velocità di reazione, costanti di velocità e leggi cinetiche. Ordine di reazione. Leggi cinetiche in forma integrata. Reazioni di ordine 0, del I, II e III ordine. Pseudo-ordine. Tempo di dimezzamento. Molecolarità delle reazioni. Reazioni elementari e non elementari. Cinetiche delle reazioni di equilibrio, delle reazioni consecutive e competitive.

Dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura. Equazione di Arrhenius. L’origine dei parametri di Arrhenius. Teoria delle collisioni. Teoria del complesso attivato e dello stato di transizione. Entalpia ed entropia di attivazione.

La catalisi. Catalizzatori omogenei ed eterogenei. Catalisi micellare. Gli enzimi e la catalisi enzimatica: i modelli di Michaelis-Menten e Briggs-Haldane; significato biochimico-fisico della costante di Michaelis; rappresentazioni grafiche dei dati sperimentali. Inibitori enzimatici: inibizione di tipo competitivo, non competitivo e acompetitivo.

Termodinamica del non equilibrio. Termostatica e termodinamica: dall'equilibrio allo stato stazionario; reversibilità ed irreversibilità. Teorema di Curie, Teorema di Prigogine, Legge di Onsager. La funzione di dissipazione; sistemi termodinamici, reazioni chimiche e processi irreversibili; introduzione al metodo perturbazionale; tempo di rilassamento, velocità di reazione e funzione di dissipazione; teoria della velocità assoluta di reazione; funzioni di partizione; stabilità dei sistemi in stato stazionario.

Soluzioni elettrolitiche: attività; legge di Debye-Huckel; conducibilità elettrolitica: conducibilità e resistività; misura della conducibilità; legge della migrazione indipendente degli ioni; mobilità e numeri di trasporto.
Fenomeni di trasporto: Diffusione. prima legge di Fick, equazione di Einstein-Smoluchowski, teorema di Gauss della divergenza, seconda legge di Fick. Proprietà delle membrane biologiche. Trasporto passivo. Trasporto facilitato: approccio cinetico e basato sulla termodinamica dei processi irreversibili. Cenni sul  trasporto attivo.

Sistemi dispersi: Colloidi e tensioattivi: Classificazione e principali caratteristiche. Monolayer bi e multilayer. I tensioattivi e la concentrazione micellare critica. Stabilità dei colloidi. Il potenziale di Lennard Jones. La termodinamica di formazione delle micelle.Il doppio strato elettrico. Sovrapposizione del doppio strato. Teoria DLVO. Flocculazione e coagulazione.  Stabilizzazione sterica