Ateneo - UPO

Elementi di termodinamica classica e introduzione alla meccanica quantistica.

Appunti forniti dal docente
P.W. Atkins e J. De Paula, "Chimica Fisica", Zanichelli
A.C. Philips “Introduction to Quantum Mechanics”, Wiley
Levine “Quantum Chemistry”, Prentice Hall

Il corso si articola in lezioni frontali in cui verranno fornite allo studente solide conoscenze sui fondamenti della termodinamica per l’analisi dei processi chimici ed i principi della meccanica quantistica necessari ad acquisire la capacità di comprendere la struttura e le proprietà dei sistemi atomici e molecolari.
E’ inoltre previsto lo svolgimento collegiale di esercizi in modo da poter stimolare la capacità di applicare le conoscenze, la capacità di apprendimento e l’autonomia di giudizio.
Gli studenti sono stimolati ad interagire con il docente per chiarire gli argomenti trattati nell’ambito del corso e questo permetterà anche di stimolare le abilità comunicative e cioè acquisire e saper utilizzare un lessico chimico appropriato in relazione agli argomenti ed alle tecniche trattate nel corso.

Conoscenze derivanti dai corsi di base di Chimica Generale, di Matematica e di Fisica.

Lezioni frontali in aula, esercitazioni guidate ed eseguite dagli studenti, sessioni di discussione collegiale. Durante il corso gli studenti verranno stimolati ad interagire con il docente e la risoluzione di esercizi in sessioni collegiali permetterà di stimolare l’applicazione delle conoscenze, le capacità di apprendere e l’autonomia di giudizio.

Le lezioni teoriche prevedono molti esempi pratici. Specie per la parte di termodinamica gli studenti sono chiamati a svolgere esercizi alla lavagna ed a discutere dei risulati collegialmente.

La valutazione della preparazione avverrà con una prova scritta e una prova orale. La prova scritta comprende 6 esercizi di Termodinamica dove verrà richiesto di applicare le conoscenze teoriche in modo da valutare sia la conoscenza che la capacità di applicarla e l’autonomia di giudizio. Nella prova scritta, i punti totali (30) vengono suddivisi equamente tra gli esercizi; la sufficienza che consente di accedere alla prova orale, si raggiunge quando il punteggio complessivo (ottenuto anche da soluzioni parziali degli esercizi) raggiunge 18/30.
L'esame orale consta di alcune domande sui vari argomenti di Termodinamica e Meccanica Quantistica trattati, con l'obiettivo di valutare in modo esteso e approfondito la preparazione del candidato, il senso critico e la capacità di apprendere. Nell'orale, la sufficienza viene raggiunta mostrando conoscenze e abilità di base sugli argomenti trattati nel corso e il possesso di un lessico adeguato. L’eccellenza si raggiunge dimostrando di conoscere in modo approfondito gli argomenti richiesti in sede di esame orale e risolvendo in modo adeguato gli esercizi previsti nella prova scritta, dimostrando senso critico.
Il voto finale non deriva da una media pesata dei voti ottenuti nelle prove scritta e orale, ma piuttosto da una valutazione finale espressa collegialmente della Commissione sulla base di quanto emerso nella prova scritta e in quella orale.
L’abilità comunicativa degli studenti verrà valutata durante l’esame orale in relazione al linguaggio usato dagli studenti per rispondere ai vari quesiti posti.

Il corso si svolge in stretta relazione con il Corso di Laboratorio di Chimica Fisica I. Lo scopo del corso è quello di fornire allo studente i fondamenti della termodinamica chimica ed i principi della meccanica quantistica. Si tratta di nozioni propedeutiche ai successivi corsi di Chimica Fisica e di concetti basilari per la miglior comprensione dei corsi di Chimica Inorganica, Chimica Organica e Chimica Analitica. Gli argomenti trattati dal corso si dividono in due parti: Parte A: Termodinamica Richiami dei principi della termodinamica classica; funzioni energia interna, entalpia ed entropia. Termochimica. Funzioni di Helmholtz e Gibbs e potenziali chimici. Cambiamenti di fase e trasformazioni fisiche. Miscele semplici e proprietà colligative. Diagrammi di fase. Reazioni chimiche ed equilibrio chimico. Parte B: Chimica quantistica Introduzione alla meccanica quantistica e suoi. Principi. Applicazione al trattamento dei moti traslazionale, vibrazionale e rotazionale di particelle quantistiche. Struttura e spettri degli atomi idrogenoidi, orbitali atomici e loro energie; estensione agli atomi plurielettronici. Struttura molecolare: la molecola ione idrogeno, molecole diatomiche e poliatomiche. Metodi variazionali e delle perturbazioni.
Utilizzo del materiale didattico per uno studio in autonomia volto a sviluppare la capacità di apprendimento.

Conoscenza e comprensione: conoscenza dei principi e dei metodi di base della Termodinamica Classica; conoscenza delle principali funzioni di stato e delle loro relazioni, del calcolo di calore, lavoro e efficienza; conoscenza del concetto e dell’utilizzo del potenziale chimico, anche in relazione alle leggi dell’equilibrio chimico; conoscenza di base dei principi e delle tecniche della Maccanica Quantistica; applicazione a semplici problemi modello.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: capacità di risolvere problemi fisici e chimici che coinvolgono leggi termodinamiche; abilità nella soluzione numerica di problemi chimico-fisici; abilità nel riconoscere e quantificare gli elementi legati alla termodinamica in problemi e processi complessi; capacità di risolvere semplici problemi di meccanica quantistica, legati alle proprietà di particelle microscopiche in potenziali modello.

Autonomia di giudizio: capacità di analizzare con senso critico gli elementi legati alla termodinamica o alla meccanica quantistica in problemi complessi e realistici, individuando eventuali inconsistenze e proponendo soluzioni fisicamente fondate. Questo aspetto viene principalmente valutato attraverso la prova scritta mediante la soluzione di appropriati problemi. 

Abilità comunicative: abilità di relazionare su argomenti scientifici, e in particolare chimico-fisici, in maniera precisa, concisa e chiara, sia per iscritto che oralmente. Viene valutato in sede di esame analizzando il linguaggio usato dagli studenti nel rispondere alle domande orali.

Capacità di apprendimento: capacità di utilizzare il materiale didattico per uno studio critico e ragionato, anche per una successiva autonoma acquisizione di conoscenze superiori e per un aggiornamento continuo. Viene valutata in sede di esame attraverso lo svolgimento degli esercizi scritti.