CHIMICA FISICA III
Anno accademico 2018/2019 - 3° anno
Docente: Giovanni MARLETTA
Crediti: 7
SSD: CHIM/02 - CHIMICA FISICA
Organizzazione didattica: 175 ore d'impegno totale, 121 di studio individuale, 42 di lezione frontale, 12 di esercitazione
Semestre: 1°
Crediti: 7
SSD: CHIM/02 - CHIMICA FISICA
Organizzazione didattica: 175 ore d'impegno totale, 121 di studio individuale, 42 di lezione frontale, 12 di esercitazione
Semestre: 1°
Obiettivi formativi
- Spiegare gli stati di aggregazione della materia mediante il concetto di forze intermolecolari
- Fornire un quadro completo su natura e tipi di forze intermolecolari
- Mettere in evidenza la relazione fra forze intermolecolari e potenziale chimico di fase
- Mettere in grado lo studente di utilizzare i concetti di Funzionali di energia di interfaccia
- Mettere in grado lo studente di valutare l'energia libera di superficie di una fase, la sua energia di adesione e di coesione
- Mettere in grado lo studente di utilizzare concetti e tecniche di interfacce elettricamente cariche
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Lezioni frontali.
Esercitazioni numeriche.
Prerequisiti richiesti
- Nozioni di base di elettrostatica: 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
Frequenza lezioni
- Richiesta la frequenza ad almeno il 70 % delle lezioni, ed in particolare alle lezioni sui concetti di base di forze intermolecolari e lezioni sui funzionali energia libera di interfacia e relativi modelli di tensione superficiale e proprietà di superficie.
Contenuti del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
| 1 | Forze Intermolecolari I - Forze ed energie di interazione intermolecolare - Energia di interazione di molecole nello spazio: potenziali di coppia – Forma elementare di potenziale di coppia: Modello a sfera rigida - Componenti attrattive e repulsive - Potenziali di interazione in un mezzo condensato: effetti a molti corpi - Potenziale di forza media e definizione di “self-energy” – Energia coesiva di un liquido semplice - Generalizzazione del concetto di energia coesiva | |
| 2 | Forze Intermolecolari II - Distribuzione di Boltzmann di energie di interazione e definizione di potenziale chimico – Distribuzione di molecole in sistemi all’equilibrio - Energia termica (KbT) come scala di riferimento per le interazioni intermolecolari – Distribuzione di Boltzmann e stati orientazionali. | |
| 3 | Forze Intermolecoalri III - Classificazione generale delle forze intermolecolari - Forma funzionale di potenziali di coppia notevoli - Forze di tipo elettrostatico: Energia libera di un legame coulombiano - Definizione di “self-energy” (energia di Born) di uno ione – Natura della “self-energy” – Processi di partizione di ioni fra fasi di diversa costante dielettrica – Solubilità di ioni in solventi diversi: approssimazione “continua” – Ioni di diversa dimensione e costante dielettrica | |
| 4 | Forze Intermolecolari IV - Forze dipendenti da dipoli: caratteristiche di un dipolo molecolare – Carattere vettoriale dei dipoli - “Self-energy” di un dipolo - Interazione Ione-Dipolo e Dipolo-Dipolo– Dipoli rotanti e approssimazione di potenziale medio – Energia di orientazione di Keesom - Polarizzabilità molecolare: un modello elementare – Polarizzabilità orientazionale – Equazione di Debye-Langevin – Forze di London - – Interazioni dipolo-dipolo indotto e Forze di induzione di Debye | |
| 5 | Termodinamica delle superfici ed interfacce I - Intefacce: Definizione e proprietà, interfacce di Gibbs e di Guggenheim – Correlazioni fra spessore di una interfaccia e lunghezze di correlazione di proprietà specifiche - Definizioni di Lavoro di Superficie e Tensione superficiale – Caratteri di base della tensione superficiale – Equazione di Young-Laplace e le proprietà di superficie curve di liquidi - Equazione di Kelvin: curvatura di una superficie liquida e tensione di vapore – Condensazione capillare. | |
| 6 | Termodinamica delle superfici ed interfacce II - Energia Libera di interfaccia – Energia libera di Gibbs e tensione superficiale - Equazione di adsorbimento di Gibbs – Sistemi a due componenti. Tensione superficiale e composizione in sistemi miscibili – Caso delle soluzioni acquose – Tensione superficiale di soluzioni di composti amfifilici - Monostrati di Gibbs e pressione laterale di un film superficiale – Metodo di Wilhelmy, Metodo del film Balance. | |
| 7 | Termodinamica delle superfici ed interfacce III - Equazioni di stato di film di Gibbs - Correlazione area molecolare/pressione laterale: Modelli del “gas ideale bidimensionale” e del “gas reale bidimensionale” – Adsorbimento da fase vapore su liquido – Principio di “Independent Surface Action”- Orientazione molecolare e lavoro adesivo e coesivo - Film di Langmuir-Blodgett – Stato “gas-like” e stati “liquid-like”: equazioni di stato, transizioni di fase e equaz. Di Clausius-Clapeyron – Stati condensati. | |
| 8 | Termodinamica di superfici ed interfacce IV - Spargimento di liquido su liquido: liquidi quasi-immiscibili - Energetica del processo di spargimento – Comportamenti transienti – Spargimento di un liquido su un solido: “bagnabilità di una superficie” – Meccanismi ed energetica dei processi di wetting per “spreading”: equazione di Young e pressione di spargimento – Modello di Fowkes: contributi polari e apolari – - Modelli di “wetting by spreading” - “wetting by adhesion” - “wetting by immersion” - | |
| 9 | Interfacce elettricamente cariche I – Definizioni di potenziale di Volta, di Galvani e di Superficie – Funzione-lavoro e potenziale elettrochimico – Modelli di doppio strato elettrico: Modelli del continuo – Equazione di Poisson-Boltzmann – Distribuzione di concentrazione di ioni e distribuzione di densità di carica in funzione del potenziale - Campi deboli ed equ. Di Posson-Boltzmann linearizzata – Lunghezza di Debye – | |
| 10 | Interfacce elettricamente cariche II – Campi forti ed equazione “full one-dimensional” - Equazione di Grahame – Modelli discreti e doppio strato di Stern: modello semplice e modello complesso – Energia libera di Gibbs di un doppio strato elettrico: doppio strato di Gouy-Chapman – Potenziali elettrocinetici – Deduzione del potenziale zeta – Equazione di Helmholtz – Smoluchowski - Applicazioni ai sistemi colloidali - | |
| 11 | Case Studies: Biointerfacce e biomateriali - Energia libera di superfici e biocompatibilità - Adesione di biomolecole su superfici e biofunzionalizzazione - Principi di interazione cellula-superfici e proteine superfici - |
Testi di riferimento
1 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.I-II
2 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.II-III
3 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.III-IV
4 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.IV-VI
5 - 7 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap. I-III
8 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.VI
9 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.IV
10 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.IV
11 : Dispense del docente
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | Forze Intermolecolari I - Forze ed energie di interazione intermolecolare - Energia di interazione di molecole nello spazio: potenziali di coppia – Forma elementare di potenziale di coppia: Modello a sfera rigida - Componenti attrattive e repulsive - Potenziali di interazione in un mezzo condensato: effetti a molti corpi - Potenziale di forza media e definizione di “self-energy” – Energia coesiva di un liquido semplice - Generalizzazione del concetto di energia coesiva | 1 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.I-II |
| 2 | Forze Intermolecolari II - Distribuzione di Boltzmann di energie di interazione e definizione di potenziale chimico – Distribuzione di molecole in sistemi all’equilibrio - Energia termica (KbT) come scala di riferimento per le interazioni intermolecolari – Distribuzione di Boltzmann e stati orientazionali. | 2 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.II-III |
| 3 | Forze Intermolecolari III - Classificazione generale delle forze intermolecolari - Forma funzionale di potenziali di coppia notevoli - Forze di tipo elettrostatico: Energia libera di un legame coulombiano - Definizione di “self-energy” (energia di Born) di uno ione – Natura della “self-energy” – Processi di partizione di ioni fra fasi di diversa costante dielettrica – Solubilità di ioni in solventi diversi: approssimazione “continua” – Ioni di diversa dimensione e costante dielettrica | 3 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.III-IV |
| 4 | Forze Intermolecolari IV - Forze dipendenti da dipoli: caratteristiche di un dipolo molecolare – Carattere vettoriale dei dipoli - “Self-energy” di un dipolo - Interazione Ione-Dipolo e Dipolo-Dipolo– Dipoli rotanti e approssimazione di potenziale medio – Energia di orientazione di Keesom - Polarizzabilità molecolare: un modello elementare – Polarizzabilità orientazionale – Equazione di Debye-Langevin – Forze di London - – Interazioni dipolo-dipolo indotto e Forze di induzione di Debye | 4 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.IV-VI |
| 5 | Termodinamica delle superfici ed interfacce I - Intefacce: Definizione e proprietà, interfacce di Gibbs e di Guggenheim – Correlazioni fra spessore di una interfaccia e lunghezze di correlazione di proprietà specifiche - Definizioni di Lavoro di Superficie e Tensione superficiale – Caratteri di base della tensione superficiale – Equazione di Young-Laplace e le proprietà di superficie curve di liquidi - Equazione di Kelvin: curvatura di una superficie liquida e tensione di vapore – Condensazione capillare. | 5 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap. I-III |
| 6 | Termodinamica delle superfici ed interfacce II - Energia Libera di interfaccia – Energia libera di Gibbs e tensione superficiale - Equazione di adsorbimento di Gibbs – Sistemi a due componenti. Tensione superficiale e composizione in sistemi miscibili – Caso delle soluzioni acquose – Tensione superficiale di soluzioni di composti amfifilici - Monostrati di Gibbs e pressione laterale di un film superficiale – Metodo di Wilhelmy, Metodo del film Balance. | 6 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap. I-III |
| 7 | Termodinamica delle superfici ed interfacce III - Equazioni di stato di film di Gibbs - Correlazione area molecolare/pressione laterale: Modelli del “gas ideale bidimensionale” e del “gas reale bidimensionale” – Adsorbimento da fase vapore su liquido – Principio di “Independent Surface Action”- Orientazione molecolare e lavoro adesivo e coesivo - Film di Langmuir-Blodgett – Stato “gas-like” e stati “liquid-like”: equazioni di stato, transizioni di fase e equaz. Di Clausius-Clapeyron – Stati condensati. | 7 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap. I-III |
| 8 | Termodinamica di superfici ed interfacce IV - Spargimento di liquido su liquido: liquidi quasi-immiscibili - Energetica del processo di spargimento – Comportamenti transienti – Spargimento di un liquido su un solido: “bagnabilità di una superficie” – Meccanismi ed energetica dei processi di wetting per “spreading”: equazione di Young e pressione di spargimento – Modello di Fowkes: contributi polari e apolari – - Modelli di “wetting by spreading” - “wetting by adhesion” - “wetting by immersion” - | 8 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.VI |
| 9 | Interfacce elettricamente cariche I – Definizioni di potenziale di Volta, di Galvani e di Superficie – Funzione-lavoro e potenziale elettrochimico – Modelli di doppio strato elettrico: Modelli del continuo – Equazione di Poisson-Boltzmann – Distribuzione di concentrazione di ioni e distribuzione di densità di carica in funzione del potenziale - Campi deboli ed equ. Di Posson-Boltzmann linearizzata – Lunghezza di Debye – | 9 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.IV |
| 10 | Interfacce elettricamente cariche II – Campi forti ed equazione “full one-dimensional” - Equazione di Grahame – Modelli discreti e doppio strato di Stern: modello semplice e modello complesso – Energia libera di Gibbs di un doppio strato elettrico: doppio strato di Gouy-Chapman – Potenziali elettrocinetici – Deduzione del potenziale zeta – | 10 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.IV |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
Colloquio orale.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
Tipi di forze intermolecolari e forma del relativo potenziale.
Energie libera di superficie e sue applicazioni.
Proprietà di interfacce cariche.
Film di Gibbs.
Struttura e proprietà di bio-interfacce.
Proprietà di sistemi ad alta dispersione.
Equazione di Young e bagnabilità di superfici.