slides lezione 1 - Università degli Studi della Basilicata

Tirocinio formativo attivo(TFA)Chimica FisicaDr. Sergio Brutti

CalendarioVenerdì 7/6/2013 - Dr. Sergio BruttiLunedì 10/6/2013 - Dr. Sergio BruttiGiovedì 13/6/2013 - Prof. R.TeghilVenerdì 14/6/2013 - Prof.ssa C.MinichinoVenerdì 14/6/2013 - Prof.ssa C.MinichinoLe lezioni si terranno sempre nella sala-bibliotecadel dipartimento di Scienze

Programma ministerialeclasse A013 – chimica fisicaNatura della materia(sovrapposizione chim. generale/chimica fisica)L'atomo ed i suoi costituenti. Teorie atomiche. Le regolequantiche. Orbitali atomici. Orbitali molecolari.Ibridizzazione. Configurazioni elettroniche deglielementi. La tavola periodica. Le combinazioni degliatomi e molecole. Geometria molecolare

Programma ministerialeclasse A013 – chimica fisicaGli stati di aggregazione della materia(sovrapposizione chimica generale/chimica fisica)Lo stato solido. Il reticolo cristallino. Vari tipi di cristalli.Difetti nelle strutture dei solidi. Struttura dei metalli.SemiconduttoriLo stato gassoso. Leggi empiriche. Teoria cinetica deigas. Legge di Graham. I gas reali. Deviazione dalcomportamento ideale. Equazione di Van der Waals.Lo stato liquido. Equilibrio di fasi. Le soluzioni. I colloidi.Modello di soluzione ideale. La legge di Raoult. Ipotenziali chimici. Soluzioni diluite. La legge di Henry.Soluzioni reali: attività e coefficiente di attività. Equilibriochimico costante d'equilibrio, fattori che influenzanol'equilibrio.

ElettrochimicaProgramma ministerialeclasse A013 – chimica fisicaConducibilità delle soluzioni elettrolitiche. Potenzialidegli ioni in soluzione. Elettrolisi. Celle galvaniche.Equazione di Nernst. Potenziale d'elettrodo. Tipi dielettrodi.(sovrapposizione chimica analitica/chimica fisica)Conduttimetria. Elettrodeposizione. Potenziometria.Amperometria. Coulombometria. Polarografia.Stripping anodico.

Programma ministerialeclasse A013 – chimica fisicaCinetica chimicaLa velocità di reazione e fattori che la influenzano.Ordine della reazione. Costante di velocità. Equazionecinetica. Meccanismi di reazione. Teoria degli urti .Catalisi.CatalizzatoriL'impiego dei catalizzatori nelle reazioni chimiche suscala industriale. Teoria della catalisi. Problemiconnaturati alla conduzione di una reazione realizzatain presenza di un catalizzatore.

Programma ministerialeclasse A013 – chimica fisicaTermodinamicaPrimo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondoprincipio. Entropia. Energia libera. Terzo principio.Derivazione termodinamica della legge dell'equilibriochimico. Le costanti di equilibrio.

Programma ministerialeclasse A013 – chimica fisicaAnalisi spettrofotometriche in emissione ed inassorbimentoLeggi di propagazione delle onde elettromagnetiche.Interazione energia-materia. Regole di selezione.Intensità ed ampiezza delle righe spettrali.Spettrografia. Quantometria. Plasma. Emissione difiamma. Spettrofotometria in assorbimento atomico.Spettrofotometria W-VIS. Spettrofotometria I.R.Turbidimetria e nefelometria. Spettrofotometria dirilassamento. Analisi polarimetriche. Spettrometria dimassa.

Strategia del TFA – chimica fisicaLa strategia di insegnamento si focalizza nell’affrontareun argomento specifico per lezione nell’ambito deicontenuti disciplinari definiti nel decreto ministerialen. 357.L’obiettivo è quello di consolidare le strategie diinsegnamento di argomento specifico diapprendimento.La proposta operativa si articola per punti ed èadattabile ed estendibile ad altri argomenti. Inparticolare ogni argomento verrà proposto secondoquesto schema:

Strategia del TFA – chimica fisica1. Individuazione di un percorso formativo2. Identificazione del linguaggio specifico3. Definizione dell’obiettivo formativo4. Individuazione dei prerequisiti disciplinari e nondisciplinari5. Trattazione degli argomenti6. Identificazione delle criticità (livelli di competenzamatematica e di fisica/chimica di base)7. Sperimentazione in laboratorio8. Metodi di verifica dell’apprendimento

Percorso propostoTERMODINAMICAPrimo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondoprincipio. Entropia. Energia libera. Terzo principio.Derivazione termodinamica della legge dell'equilibriochimico. Le costanti di equilibrio.

Percorso proposto: TermodinamicaDefinizione generaleLa termodinamica si occupa dello studio delle variazionidi energia che accompagnano un processo chimicofisicoin un sistema aperto/chiusoCriticità numero 1: Identificazione di un linguaggio specificoEnergiaProcessochimicofisicoSistemaaperto/chiusoIl linguaggio specifico rappresenta una delle criticità comuni a tuttigli ambiti disciplinari della classe A013

Percorso proposto: TermodinamicaIdentificazione di un linguaggio specificoUniversoSpazio delle osservazioni: è diviso in 2porzioni - sistema e ambienteSistemaPorzione dell’universo nella qualehanno luogo le trasformazioni (es.provetta)AmbientePorzione dell’universo in cui compiamole osservazioni sul sistema. Esso èseparato dal sistema da una“superficie di confine” (es.laboratorio)

Percorso proposto: TermodinamicaIdentificazione di un linguaggio specificoSistema apertoSistema in grado di scambiare materiacon l’ambiente circostanteSistema chiusoSistema non in grado di scambiaremateria con l’ambiente circostanteSistemaadiabaticoSistema non in grado di scambiareenergia con l’ambienteSistema isolatoSistema non in grado di scambiaremateria ed energia con l’ambiente

Percorso proposto: TermodinamicaIdentificazione di un linguaggio specifico (anche visivo)MassaSistemaEnergiaAmbienteCriticità numero 2: Dare concretezza alle definizionemediante degli esempi

Percorso proposto: TermodinamicaTornando alla definizione generaleLa termodinamica si occupa dello studio dellevariazioni di energia che accompagnano un processochimico-fisico in un sistema aperto/chiusoCriticità numero 3-4: Calore & lavoro

Percorso proposto: TermodinamicaIdentificazione di un linguaggio specificoProcessochimico fisicoEnergiaLavoroLavoroespansivoTrasformazione chimico fisica di unsistema che coinvolga trasferimentidi energiaEs.1 Cambiamento di faseEs.2 Reazione chimicaCapacità di un sistema di compierelavoroForma di energia che viene scambiataquando un sistema varia il suocontenuto energetico fornendoutilità o immagazzinando utilitàfutura. Forza opponente x distanzaForma semplice di lavoro che provienedalla compressione/espansione diun gas in un contenitore adiabaticoo non–adiabatico. w=-p ambiente *DV

Percorso proposto: TermodinamicaLavoroespansivoCriticità numero 3:Dare concretezzaalle definizionemediante degliesempiForma semplice di lavoro che provienedalla compressione/espansione di ungas in un contenitore adiabatico onon–adiabatico. w=-p ambiente *DVPareteadiabaticaEspansione – w0Il sistema assorbe lavoroSistema(gas)Sistema(gas)

Percorso proposto: TermodinamicaIdentificazione di un linguaggio specifico (anche visivo)Forma di energia che viene scambiataCalorequando un sistema varia il suocontenuto energetico senzascambiare lavoroProcessoTrasformazione chimico-fisica chetrasferisce energia sottoforma diesotermicocalore dal sistema all’ambienteProcessoendotermicoTrasformazione chimico-fisica chetrasferisce energia sottoforma dicalore dall’ambiente al sistemaEsotermicoQ0

Percorso proposto: TermodinamicaCaloreCriticità numero 4:Dare concretezzaalle definizionemediante degliesempiForma di energia che viene scambiataquando un sistema varia il suocontenuto energetico senza scambiarelavoroParetenonadiabaticaSistema(gas)p ambienteAssorbimento di caloreT↑ – DV=0Cessione di caloreT↓ – DV=0Q>0Sistema(gas)p ambienteQ

Percorso proposto: TermodinamicaCaloreCriticità numero 4:AstrazionematematicaEffetto sulla temperatura di un sistemache non scambia lavoro con l’ambientedovuto ad un flusso di caloreQ = C·DTC = capacità termica di una sostanza, proprietàspecifica di ogni materialeDT=Q/CQ>0 T(1)T(2)>T(1)T(2)=T(1)+DT

Percorso proposto: TermodinamicaCaloreSistemaLavoroCriticità numero 5: Convenzione dei segniW>0Q>0 Sistema Q

Obiettivo formativo : TermodinamicaFinalità del percorso formativo.Esso va definito con chiarezza alla luce dei programmiministeriali, dell’autonomia del docente e della preparazionedella classeEsempio - Ricapitolazione degli argomenti ditermodinamicaPrimo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondoprincipio. Entropia. Energia libera. Terzo principio.Derivazione termodinamica della legge dell'equilibriochimico. Le costanti di equilibrio.

Obiettivo formativo : TermodinamicaObiettivo A:Descrizione delle leggifondamentali dellatermodinamica chimica.Razionalizzazionematematica dei principidella termodinamica.Introduzione alle funzioni distato.Derivazione termodinamicadella legge dell'equilibriochimico e delle costanti diequilibrio.Esperienze di laboratorio.Obiettivo B:Descrizione elementaredelle leggi fondamentalidella termodinamicachimica.Razionalizzazionematematica dei principidella termodinamica.Fenomenologiadell’equilibrio chimico subasi termodinamiche.

Obiettivo formativo : TermodinamicaDefinizione di un obiettivo formativo e strutturazione di unpercorso formativo coerente.La determinazione ex ante di un percorso formativo e dellivello di profondità nell’illustrazione dei contenuti propostideve basarsi su una chiara conoscenza dei prerequisitinecessari e delle potenzialità reali dell’infrastrutturadidattica.PrerequisitidisciplinariPrerequisitinon-disciplinariDotazione deilaboratori

Obiettivo formativo : TermodinamicaDefinizione di un obiettivo formativo e strutturazione di un percorsoformativo coerente.Esempio: Descrizione delle leggi fondamentali dellatermodinamica chimica. Razionalizzazione matematica deiprincipi della termodinamica. Introduzione alle funzioni di stato.Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico edelle costanti di equilibrio. Esperienze di laboratorio.Prerequisiti: Concettibase(es. reazione chimica;trasformazione di fase;Pressione;temperatura; equazionedel gas ideale, principiozero)Prerequisiti:Competenzematematiche(es. logaritmo;elementi di calcolodifferenziale edintegrale)Dotazione deilaboratori(es. dewar,termometri e/otermocoppie;calorimetroadiabatico; )

Obiettivo formativo : prerequisitiStato gassosoStato di aggregazione della materiacaratterizzato da assenza divolume proprio e forma propria.Variabili distato gassosoProprietà intensive (P,T) ed estensive(n,V) che descrivonounivocamente lo stato fisico di ungas.Mole edargomenticorrelatiInsieme di 6.022 *10 23 particelle.Peso atomico, peso molecolare.Criticità numero 6: Concetto di mole

Obiettivo formativo : prerequisitiPressioneTemperaturaPrincipio zeroScaletermometricheForza che insiste sull’unità disuperficie: origine molecolare (urtielastici). Unità di misura (Pascal,atmosfere, bar, torr)Proprietà che indica il verso del flussodi energia tra 2 oggetti in contattodiatermico (che scambiano calore).Il flusso di energia è dall’oggetto atemperatura maggiore a quello atemperatura inferiore.Dati 3 corpi in contatto attraversopareti diatermiche se A si trova inequilibrio termico con B e B con C,alloca anche C è in equilibriotermico con A.Data un corpo ad una datatemperatura essa può essereespressa in K, C, F.

Obiettivo formativo : prerequisitiLegge di BoyleIl prodotto del volume e dellapressione di un gas isotermo è unacostanteLegge diCharlesPrincipio diAvogadroEquazione distato dei gasIl volume di qalunque gas tende azero al tendere a zero dellatemperatura assoluta del gasstessoPari quantità in moli di gas differentihanno lo stesso volume a parità ditemperatura e pressione.Relazione matematica che correla le4 variabili di statopV=nRTCriticità numero 7: leggi dei gas ideali

pressioneObiettivo formativo : prerequisitiEquazione distato dei gasProcessichimico fisicisul piano p-VRelazione matematica che correla le4 variabili di statopV=nRTDato un valorecostante di n, ognipunto sul pianop-Vcorrisponde aduno statotermodinamicounivoco conT=pV/nRP 1V 1T 1 =P 1 V 1 /nRVolume

pressioneObiettivo formativo : prerequisitiEquazione distato dei gasProcessichimico fisicisul piano p-VTrasformazioniisobareRelazione matematica che correla le4 variabili di statopV=nRTProcesso chimico fisicoche avviene a pressionecostanteT 1 =P 1 V 1 /nRT 2 =P 1 V 2 /nRP 1V 1V 2Volume

pressioneObiettivo formativo : prerequisitiEquazione distato dei gasProcessichimico fisicisul piano p-VTrasformazioniisocoreP 2Relazione matematica che correla le4 variabili di statopV=nRTT 3 =P 2 V 1 /nRProcesso chimico fisicoche avviene a volumecostanteP 1V 1T 1 =P 1 V 1 /nRVolume

pressioneObiettivo formativo : prerequisitiEquazione distato dei gasProcessichimico fisicisul piano p-VTrasformazioniisotermeRelazione matematica che correla le4 variabili di statopV=nRTProcesso chimico fisicoche avviene atemperatura costanteT 1 =P 1 V 1 /nRP 1V 1P 3T 1 =P 3 V 3 /nRV 3Volume

Obiettivo formativo : prerequisitiAlgebra dibase (1)Operazioni aritmetiche elementari(moltiplicazione, divisione,sottrazione, addizione) tra numerirealiAlgebra dibase (2)Operazioni aritmetiche avanzate(elevazione a potenza, logaritmo,numero di Nepero) tra numeri realiCalcolodifferenziale edintegraleCriticità numero 8: Competenze algebrichedella classeConcetto di quantità differenziale,derivata, integrale di funzione.

Percorso proposto: TermodinamicaRicapitolazione degli argomentiPrimo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia.Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della leggedell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio.SEQUENZA LOGICA DI SUCCESSIONE1Primoprincipio2Legge di Hess.Entalpia.3Secondoprincipio4Entropia.Energia libera.Terzo principio.5Derivazionetermodinamicadella leggedell'equilibriochimico.Le costanti diequilibrio.

Percorso proposto: TermodinamicaRicapitolazione degli argomenti – Primo principioL’energia interna di un sistema isolato è una costanteIdentificazione di un linguaggio specificoEnergiainternaSistemaisolatoEnergia totale di unsistema;Unità di misura Joule / J

Percorso proposto: TermodinamicaRicapitolazione degli argomenti – Primo principioL’energia interna di un sistema isolato è una costanteMassaSistemaEnergiaAmbienteL’energia interna è l’energia totale di un sistema.Se il sistema non è in grado di scambiare energia emateria con l’ambiente l’energia interna del sistemanon può variare.Criticità numero 9

Percorso proposto: TermodinamicaPrimo principioDisaccoppiamo gli effetti1. Se un sistema non può scambiare materia con l’ambientesignifica che il numero di moli (quantità di materia) checostituisce il sistema è costante.2. Se il sistema non può scambiare energia con l’ambientesignifica che è adiabatico (non scambia calore) e che nonscambia lavoro con l’esterno (non fa o subisce un lavoro).MassaSistemaEnergiaAmbiente

Percorso proposto: TermodinamicaPrimo principioSe un sistema non scambia ne calore ne lavoro con l’esternosignifica che la sua temperatura e il suo volume sonoentrambi contemporaneamente costanti.Nel lavoro espansivo w=-p ambiente *DV ed essendo w=0 se nededuce che il volume del sistema non è cambiato(ISOCORO)Un sistema adiabatico che non scambia lavoro è ISOTERMOLavoro (w)SistemaCalore (Q)Criticità numero 9Primo principio evariabili di statoAmbiente

Percorso proposto: TermodinamicaRicapitolazione degli argomenti – Primo principioL’energia interna di un sistema isolato è una costanteIdentificazione di un linguaggio specificoCriticità numero 10EnergiainternaFUNZIONE DI STATOConcetto di funzione di stato.Proprietà intensiva di un sistema termodinamico dipendenteunicamente dalle sue variabili di stato.La variazione di una funzione di stato è indipendente dal percorso madipende unicamente dai valori iniziali e finali delle variabili di stato

Percorso proposto: TermodinamicaEnergiainternaFunzionedi statoAstrazione matematica:DU= q + wDipendeda T e V1 cal = 4.18 JEquivalenza calore-lavoroPrincipio diconservazionedell’energia

Percorso proposto: TermodinamicaPrincipio diconservazionedell’energiaCriticità numero 11Conservazionedell’energianell’universoLa variazione dell’energia interna di un sistemachiuso (che non scambia massa con l’ambiente)è uguale all’energia che ne attraversa lasuperficie di separazione con l’ambientesottoforma di lavoro o calore.L’ambiente a sua volta subisce una variazione dienergia interna uguale e contraria in segnorispetto al flusso di energia che coinvolge ilsistema

Percorso proposto: TermodinamicaPrimoprincipio:enunciatoformaleENERGIA INTERNAFUNZIONI DI STATOLEGGE DICONSERVAZIONEDELL’ENERGIAIl lavoro necessario per modificare un sistema adiabatico daun determinato stato (caratterizzato da variabili V,T,p,n)ad un altro ugualmente determinato (da una nuova ternaV’,T’,p’,n) è lo stesso, qualunque sia la maniera in cui illavoro è stato effettuato.Le funzioni di stato (e quindi anche l’energia interna)dipendono solo dai valori delle variabili stato e non dalpercorso per andare da uno stato ad un altro.

Percorso proposto: TermodinamicaLavoroespansivoPareteadiabaticaSistema(gas)Forma semplice di lavoro cheprovienedallacompressione/espansione di ungas in un contenitore adiabatico onon–adiabatico. w=-p ambiente *DVp ambienteCalcolo del lavoro compiuto da un sistema durante unprocesso chimico fisico.1. Lavoro espansivo contro una pressione costante2. Lavoro compiuto in un’espansione libera3. Lavoro espansivo reversibile isotermo

Percorso proposto: TermodinamicaLavoroespansivoCompiuto contro unapressione costanteSistema(gas)p ambienteSistema(gas)Criticità numero 3Espansione – w

pressionePercorso proposto: TermodinamicaLavoroespansivoCompiuto contro unapressione costantew=-p ambiente *DV= w=-p ambiente *(V finale -V iniziale )Il lavoro compiuto dal sistema è pariall’area del rettangolo sotteso dallatrasformazione isobara descritta nelpiano p-VP ambwV 1 V 2

Percorso proposto: TermodinamicaLavoroespansivoEspansione liberaovvero contro il vuoto(p ambiente =0)Sistema(gas)Sistema(gas)Criticità numero 12:espansione contro il vuotoEspansione liberaCalcolo del lavoro compiuto da un sistema durante un unaespansione libera (pressione ambiente nulla)w=0

Percorso proposto: TermodinamicaLavoroespansivoEspansionereversibile isotermaGas(p,V,T)p ambienteGas(p’,V’,T)Criticità numero 13:espansione reversibileEspansione reversibilecon T sistema =costanteCalcolo del lavoro compiuto da un sistema (gas ideale)durante un una espansione reversibile isotermaw=-nRT ln(V finale /V iniziale )

pressionePercorso proposto: TermodinamicaLavoroespansivoEspansionereversibile isotermaw=-nRT ln(V finale /V iniziale )Il lavoro compiuto dalsistema è pari all’areasottesa dalla trasformazioneisotermadescritta nel pianop-VT 1 =P 1 V 1 /nRP 1V 1P 3WV 3T 1 =P 3 V 3 /nR

Percorso proposto: TermodinamicaRicapitolazione degli argomentiPrimo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia.Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della leggedell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio.SEQUENZA LOGICA DI SUCCESSIONE1Primoprincipio2Legge di Hess.Entalpia.3Secondoprincipio4Entropia.Energia libera.Terzo principio.5Derivazionetermodinamicadella leggedell'equilibriochimico.Le costanti diequilibrio.