CHIMICA FISICA III

Gli studenti, sulla base delle conoscenze fenomenologiche e modelli teorici di base termodinamici e di forze intermolecolari, dovranno essere in grado di identificare, riconoscere e analizzare (qualitativamente e quantitativamente) i fenomeni e processi che avvengono o sono governati dalle proprietà di superfici ed interfacce in fasi condensate, con particolare riferimento alle interfacce fluido-fluido e fluido-solido.

• Conoscenza e capacità di comprensione applicate: 

Gli studenti dovranno essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a fenomeni rilevanti come i processi di nucleazione e crescita, i sistemi colloidali, i processi di adesione ed adsorbimento di molecole e macromolecole, nonchè i processi bagnabilità e infine, i processi di strutturazione e proprietà di interfacce cariche per processi elettrodici.

• Autonomia di giudizio: 

Si propongono elementi di valutazione molteplice per rendere gli studenti capaci valutare autonomamente la pertinenza e l'applicabilità delle diverse metodiche di analisi apprese nel corso a diverse applicazioni rilevanti per ambiente, manifatturiero, energetica e salute, e scegliere autonomamente possibili strategie o campi di applicazione (case models).

• Abilità comunicative:

Gli studenti potranno sviluppare abilità comunicative sia per la presentazione frontale che per la sintesi di argomenti complessi. 

• Capacità di apprendimento: 

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze.

Il corso prevede interamente lezioni frontali in aula con esercizi per meglio comprendere l'applicazione pratica delle leggi e dei modelli studiati.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

- Nozioni di base di elettrostatica: Campi e potenziali elettrici, forze coulombiane, distribuzioni di carica notevoli.

- Nozioni di base di calcolo differenziale e integrale: campo di esistenza di una funzione, derivate, integrali definiti e indefiniti, serie e sviluppi in serie, semplici equazioni differenziali del primo e secondo ordine.

- Nozioni di base di proprietà colligative di soluzioni, pH, forza ionica, etc...

- Proprietà di funzionali termodinamici: energia libera di Helmholtz, di Gibbs, entropia, energia interna e principali relazioni termodinamiche

Introduzione alla chimica fisica delle interfacce e della materia "soft" -  Interfacce: definizione e proprietà  - Modelli di Gibbs e di Guggenheim -  Correlazioni Proprietà-spessore - Definizione operazionale di Tensione Interfacciale -  Carattere e valori caratteristici di Tensione Superficiale di fluidi.

Superfici di liquidi curve - Equazione di Young-Laplace - Sistemi a curvatura mista e costante di capillarità - Conseguenze ulteriori dell’equaz. di Young-Laplace - Equazione di Kelvin - Casi notevoli - Derivazione dell’equaz. di Kelvin -  Eq. di Kelvin e Dimensioni critiche di stabilità - Elementi per una teoria della nucleazione - Energetica di processi di nucleazione : Interfacce liquido-vapore - Processi di condensazione e raggio critico - Processi di nucleazione: Interfacce liquido-solido: Sottoraffreddamento e solidificazione - Meccanismo di nucleazione omogenea: raggio critico di nucleazione - Barriera di attivazione di nucleazione - Stabilità e Instabilità di fronti di solidificazione: fluttuazioni termiche.

Termodinamica delle superfici ed interfacce I - I funzionali di energia – Applicazione dei funzionali di energia alle interfacce – Definizione termodinamica di lavoro di superficie e tensione superficiale - Energia di interfaccia – Equazione di adsorbimento di Gibbs -

Termodinamica delle superfici ed interfacce II – Tensione superficiale e composizione in sistemi miscibili – Caso delle soluzioni acquose – Surfactanti: comportamento caratteristico e relazioni fra struttura molecolare e tensione superficiale - Monostrati di Gibbs e pressione laterale di un film superficiale - Tecniche di misura di π: Metodo di Wilhelmy, Metodo del “Film Balance” – Correlazione area molecolare/pressione laterale: Modelli del “gas ideale bidimensionale” e del “gas reale bidimensionale” - Adsorbimento da fase vapore su liquido.

Termodinamica delle superfici ed interfacce III – Principio di “Independent Surface Action”- Orientazione molecolare e lavoro adesivo e coesivo – Tensione superficiale di serie omologhe di composti organici in acqua – Film di Langmuir-Blodgett – Stati “gas-like” e stati “liquid-like”: equazioni di stato, transizioni di fase e equaz. di Clausius-Clapeyron – Stati condensati.

Termodinamica delle superfici ed interfacce IV – Spargimento di liquido su liquido: liquidi quasi immiscibili - Energetica del processo di spargimento e definizione del coefficiente di spreading – Comportamenti transienti – Spargimento di liquidi su  solidi: “bagnabilità di una superficie” – Meccanismi di “wetting” – Energetica del processo di bagnamento per “spreading”: equazione di Young e pressione di spargimento – Modello di Fowkes: contributi polari e apolari – Bagnabilità per spargimento, per adesione e per immersione.  

Interfacce solido-liquido elettricamente cariche - Classi di potenziale elettrico - Modelli del Doppio Strato elettrico: Modelli del mezzo continuo - Modello di Gouy-Chapman - Superfici planari: potenziale di superficie piccolo ed Equaz. di Poisson-Boltzmann linearizzata - Lunghezza di Debye ed effetti di schermaggio - Potenziale di superficie grande ed equazione di Poisson-Boltzmann completa - Modelli discreti: Modelli semplice e complesso di Stern - Energia libera di Gibbs di un doppio strato elettrico di Gouy-Chapman - Potenziale elettrocinetico.  

Dispersioni Colloidali – Definizione di dispersioni colloidali – Fattori di stabilizzazione di colloidi – Stabilizzazione per effetti elettrostatici – Modello di Gouy-Chapman – Modello di Stern – Stabilizzazione per effetti sterici – Stabilizzazione per “ancoraggio” di oligomeri alla superfici

Forze intermolecolari I – Energie di interazione di molecole isolate nello spazio – Potenziale di interazione e modello a sfere rigide – Potenziale di interazione di molecole in un mezzo – Potenziale di forza media – Energia molare coesiva di un liquido semplice e funzioni di distribuzione della densità – Distribuzione di Boltzmann - Distribuzione di molecole in sistemi all’equilibrio – Il termine kT e la scala di riferimento delle forze di interazione – Distribuzione di stati orientazionali

Forze intermolecolari II – Classificazione delle forze intermolecolari – Forze di tipo elettrostatico – Energia libera di un legame colombiano – Self-energy ed Energia di Born di uno ione – Trasferimento di ioni fra mezzi di diversa costante dielettrica – Solubilità di ioni in solventi diversi – Self-energy ed Energia di Born di un dipolo – Interazioni ione-dipolo – Ioni in solventi polari – Interazioni dipolo-dipolo 

Forze intermolecolari III – Interazioni dipendenti dalla polarizzabilità – Effetti della polarizzabilità elettronica – Effetti della polarizzabilità orientazionale – Interazione ione-molecola neutra – Energia libera di interazione ione-dipolo indotto – Teorie continue e proprietà molecolari – Interazioni dipolo – dipolo indotto: Interazioni di Debye  e di Keesom 

Forze intermolecolari IV – Forze quantomeccaniche: Interazioni di dispersione (Forze di London) -  Modello semiquantitativo.

Biointerfacce - Energia libera di superfici e biocompatibilità – Altri parametri di biocompatibilità: effetti della nanostrutturazione -  Ancoraggio di biomolecole e proteine su superfici – Interazioni cellula-superficie.

1 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.I-VI

2 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap. I-IV

3 : Appunti del Docente

Tipi di forze intermolecolari e forma del relativo potenziale.

Energie libera di superficie e sue applicazioni.

Proprietà di interfacce cariche.

Monostrati di Gibbs.

Struttura e proprietà di bio-interfacce.

Proprietà di sistemi ad alta dispersione.

Equazione di Young e bagnabilità di superfici.

Processi di adsorbimento da soluzioni su superfici solide.