CHIMICA FISICA III
Anno accademico 2021/2022 - 3° annoCrediti: 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
- Conoscenza e capacità di comprensione:
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 di carattere ambientale e manifatturiero come i processi di nucleazione e crescita di rilevanza ambientale e nell'agroalimentare, i sistemi colloidali e le emulsioni e microemulsioni, i processi di adesione ed adsorbimento di molecole e macromolecole, nonchè i processi di lubrificazione, frizione, bagnabilità e corrosione in settori di manifatturiero avanzato come (ma non solo) la micromeccanica, la microelettronica, il packaging (e correlati) 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 ai sistemi citati sopra come 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 mediante la preparazione di brevi relazioni o presentazioni .ppt su argomenti specifici del corso.
- Capacità di apprendimento:
Gli studenti svilupperanno la loro capacità di apprendimento in modo specifico, mettendo in connessione i diversi aspetti teorici fra di loro e con i relativi aspetti fenomenologici e valutando criticamente il grado di generalità delle asserzioni relative.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Lezioni frontali in aula.
Esercitazioni numeriche in aula.
Sessioni di discussione aperta, a conclusione di parti tematicamente omogenee del corso.
Prerequisiti richiesti
- 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
Frequenza lezioni
- Richiesta la frequenza ad almeno il 70 % delle lezioni, ed in particolare alle lezioni relative alle forze intermolecolari, funzionali di energia libera di interfacia e relativi modelli di tensione superficiale, proprietà di superficie, superfici cariche, bagnabilità, adesione e adsorbimento su interfacce solido-liquido, solido-gas e liquido-gas.
Contenuti del corso
| 1) Contenuti del corso: chimica fisica delle interfacce e della materia "soft" - Interfacce: definizione e proprietà - Modello di Gibbs e modello di Guggenheim - Correlazioni Proprietà-spessore - Concetto e Definizione Operazionale di Tensione Superficiale - Caratteri e valori di Tensione Superficiale di fluidi -
2) 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: 3.1) Energia Libera di Superficie I - I funzionali di energia – Applicazione dei funzionali di energia alle interfacce – Definizioni di Lavoro di Superficie e Tensione superficiale - Energia di interfaccia – Equazione di adsorbimento di Gibbs - 3.2) Energia Libera di Superficie II – Tensione superficiale e composizione in sistemi miscibili – Caso delle soluzioni acquose – Monostrati di Gibbs e pressione laterale di un film superficiale π – 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 – 3.3) Energia Libera di Superficie III – Orientazione molecolare e principio di “Independent Surface Action”- Orientazione molecolare e lavoro adesivo e coesivo – Tensione superficiale di Composti organici in acqua – Spargimento di liquido su liquido: caso di liquidi quasi immiscibili - Energetica del processo di spargimento e definizione del coefficiente di spreading – Comportamenti transienti – 3.4) Energia Libera di Superficie V – Film di Langmuir-Blodgett – Stato “gas-like” e stati “liquid-like”: equazioni di stato, transizioni di fase e equaz. Di Clausius-Clapeyron – Stati condensati – Spargimento di un liquido su un solido: il problema della “bagnabilità di una superficie” – Meccanismi di “wetting” – Energetica del processo di bagnamento per “spreading”: equazione di Young e pressione di spargimento – Modello di Fowkes per le interfacce liquido-liquido – Energetica del processo di “wetting” adesivo – Energetica del processo di “wetting” per immersione 4) Interfacce solido-liquido elettricamente cariche - Classi di potenziale elettrico - Modelli del Doppio Strato elettrico: Modelli del mezzo continuo - Modello di Gouy-Chapman - Superfici planari: potenzile 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 I: Strato di Stern «semplice» e "complesso" - Energia libera di Gibbs di un doppio strato elettrico - Potenziale elettrocinetico. 5) 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 6.1) 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 6.2) 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 - 6.3) 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 – 6.4) Forze intermolecolari IV – Forze quantomeccaniche: Interazioni di dispersione (Forze di London) - Modello semiquantitativo. 7) Applicazioni - a) Leggi macroscopiche dei fenomeni di usura (Amonton, Coulomb) - Aspetti statici e cinetici di processi di frizione - Modi frizionali - tecniche di misura di frizione - b) Processi di lubrificazione idrodinamici - Film sottili di lubrificazione - Caratteristiche molecolari per la lubrificazione - c) Processi di usura di superfici - d) Biointerfacce e biomateriali - Energia libera di superfici e biocompatibilità - Adesione di biomolecole su superfici - Principi base dell'interazione cellula-superficie. |
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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 : Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.XI
12 : 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 |
| 11 | a) Leggi macroscopiche dei fenomeni di usura (Amonton, Coulomb) - Aspetti statici e cinetici di processi di frizione - Modi frizionali - tecniche di misura di frizione - b) Processi di lubrificazione idrodinamici - Film sottili di lubrificazione - Caratteristiche molecolari per la lubrificazione - c) Processi di usura di superfici - d) Biointerfacce e biomateriali - Energia libera di superfici e biocompatibilità - Adesione di biomolecole su superfici - Principi base dell'interazione cellula-superficie. | Physics and Chemistry of Interfaces, 3rd Edition Hans-Jürgen Butt, Karlheinz Graf, Michael Kappl; Wiley 2013 - Cap.XI - Dispense del Docente (Biointerfacce) |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
L'esame consiste in una prova orale, riguardante esclusivamente gli argomenti trattati a lezione. Costituiscono elementi di valutazione della preparazione dello studente la correttezza degli enunciati, la dimostrata comprensione dei procedimenti di derivazione dei principali risultati, la correttezza delle equazioni discusse, la proprietà di linguaggio scientifico. Sono considerati come ulteriori aspetti di validità della preparazione la coerenza logica dei concetti esposti e la capacità di correlare formulazioni teoriche e natura dei processi chimici. La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.
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.
Processi di adsorbimento da soluzioni su superfici solide.