CHIMICA FISICA III

CHIM/02 - 7 CFU - 1° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

GIOVANNI MARLETTA
Email: gmarletta@unict.it
Edificio / Indirizzo: Edificio 1 - Dipartimento di Scienze Chimiche - Viale A.Doria 6 - Catania
Telefono: 095-7385130
Orario ricevimento: Mercoledì ore 11.00 - 13.00 - Giovedì 9.00 - 11.00


Obiettivi formativi

- Fornire gli elementi di base per la comprensione dei fenomeni di superficie ed interfacce in fasi condensate (fluido-fluido, fluido-solido).

- Fornire un quadro generale delle forze intermolecolari operanti nei processi di aggregazione e di coesione della materia "soft", ovvero della "materia deformabile con "stress" di di energia dell'ordine di KT ".

- Mettere gli studenti in grado di interpretare processi di segregazione alle superfici o interfacce in sistemi complessi

- Mettere gli studenti in grado di interpretare processi di organizzazione di sistemi molecolari, guidati da forze a corto e medio raggio

- Mettere gli studenti in grado di interpretare il comportamento di film molecolari alla superficie di liquidi e di interazione di film liquidi con superfici liquide o solide

- Mettere gli studenti in grado di interpretare il comportamento di soluzioni di elettroliti in presenza di interfacce cariche elettricamente e di manipolare i parametri di lunghezza di Debye e i potenziali di superficie.

- Mettere gli studenti in grado di interpretare il comportamento di dispersioni colloidali.

- Fornire agli studenti gli strumenti concettuali per la comprensione e manipolazione di processi di adesione e coesione.

- Fornire agli studenti gli strumenti concettuali per la comprensione e manipolazione di equilibri di fisi- e chemisorbimento alle superfici.

- Fornire agli studenti le basi concettuali dei processi di frizione, lubrificazione e usura.


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

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:
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.

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.



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


Altro materiale didattico

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



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Forze 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 coesiva1 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.I-II  
2Forze 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  
3Forze 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 dielettrica3 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.III-IV  
4Forze 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 Debye4 : Intermolecular and Surface Forces, di J.N. Israelachvili, Academic Press 1998 - cap.IV-VI 
5Termodinamica 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  
6Termodinamica 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  
7Termodinamica 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  
8Termodinamica 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 
9Interfacce 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 
10Interfacce 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

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.




Apri in formato Pdf English version