CHIMICA FISICA III

CHIM/02 - 7 CFU - 1° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

GIOVANNI MARLETTA


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


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


Altro materiale didattico

- File pdf delle lezioni del dcente: www.lamsun.it



Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Colloquio orale.


PROVE IN ITINERE

Non sono previste prove in itinere.


PROVE DI FINE CORSO

Non sono previste prove di fine corso, oltre all'esame 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.

Struttura e proprietà di bio-interfacce.

Proprietà di sistemi ad alta dispersione.

Equazione di Young e valutazione della bagnabilità di una superficie.




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