tirocinio formativo attivo (tfa) - unibas.it · misura minore da quelli di “chimica analitica”....

Tirocinio formativo attivo

(TFA)

Chimica Fisica

Dr. Sergio Brutti

Calendario

Venerdì 7/6/2013 - Dr. Sergio Brutti

Lunedì 10/6/2013 - Dr. Sergio Brutti

Giovedì 13/6/2013 - Prof. R.Teghil

Venerdì 14/6/2013 - Prof.ssa C.Minichino

Venerdì 14/6/2013 - Prof.ssa C.Minichino

Le lezioni si terranno sempre nella sala-biblioteca del dipartimento di Scienze

L’insegnamento della

Chimica Fisica nella classe

concorsuale A013

Contenuti di chimica fisica nell’ambito dell’insegnamento della classe A013

Argomenti e percorsi di insegnamento

Materiale didattico (slides) disponibili all’indirizzo

www2.unibas.it/sbrutti/TFA

Programma ministeriale

classe A013 – chimica fisica

Fonte: Decreto ministeriale del 11 agosto 1998 N°357 (SO n.192 del 18.11.98 GU 18-11-98 n.270) - programmi di accesso al SSIS classe 13/A

Premessa: le parti del programma ministeriale riguardanti argomenti chimico-fisici sono sempre difficilmente distinguibili da quelli che ricadono sotto la denominazione “chimica generale” e in misura minore da quelli di “chimica analitica”.



Natura della materia (sovrapposizione chim. generale/chimica fisica)

L'atomo ed i suoi costituenti. Teorie atomiche. Le regole quantiche. Orbitali atomici. Orbitali molecolari. Ibridizzazione. Configurazioni elettroniche degli elementi. La tavola periodica. Le combinazioni degli atomi e molecole. Geometria molecolare


classe A013 – chimica fisica Gli stati di aggregazione della materia (sovrapposizione chimica generale/chimica fisica)

Lo stato solido. Il reticolo cristallino. Vari tipi di cristalli. Difetti nelle strutture dei solidi. Struttura dei metalli. Semiconduttori

Lo stato gassoso. Leggi empiriche. Teoria cinetica dei gas. Legge di Graham. I gas reali. Deviazione dal comportamento ideale. Equazione di Van der Waals.

Lo stato liquido. Equilibrio di fasi. Le soluzioni. I colloidi. Modello di soluzione ideale. La legge di Raoult. I potenziali chimici. Soluzioni diluite. La legge di Henry. Soluzioni reali: attività e coefficiente di attività. Equilibrio chimico costante d'equilibrio, fattori che influenzano l'equilibrio.



Elettrochimica

Conducibilità delle soluzioni elettrolitiche. Potenziali degli ioni in soluzione. Elettrolisi. Celle galvaniche. Equazione di Nernst. Potenziale d'elettrodo. Tipi di elettrodi.

(sovrapposizione chimica analitica/chimica fisica)

Conduttimetria. Elettrodeposizione. Potenziometria. Amperometria. Coulombometria. Polarografia. Stripping anodico.



Cinetica chimica

La velocità di reazione e fattori che la influenzano. Ordine della reazione. Costante di velocità. Equazione cinetica. Meccanismi di reazione. Teoria degli urti . Catalisi.

Catalizzatori

L'impiego dei catalizzatori nelle reazioni chimiche su scala industriale. Teoria della catalisi. Problemi connaturati alla conduzione di una reazione realizzata in presenza di un catalizzatore.



Termodinamica

Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio.



Analisi spettrofotometriche in emissione ed in assorbimento

Leggi di propagazione delle onde elettromagnetiche. Interazione energia-materia. Regole di selezione. Intensità ed ampiezza delle righe spettrali. Spettrografia. Quantometria. Plasma. Emissione di fiamma. Spettrofotometria in assorbimento atomico. Spettrofotometria W-VIS. Spettrofotometria I.R. Turbidimetria e nefelometria. Spettrofotometria di rilassamento. Analisi polarimetriche. Spettrometria di massa.

Strategia del TFA – chimica fisica

La strategia di insegnamento si focalizza nell’affrontare un argomento specifico per lezione nell’ambito dei contenuti disciplinari definiti nel decreto ministeriale n. 357.

L’obiettivo è quello di consolidare le strategie di insegnamento di argomento specifico di apprendimento.

La proposta operativa si articola per punti ed è adattabile ed estendibile ad altri argomenti. In particolare ogni argomento verrà proposto secondo questo schema:

Strategia del TFA – chimica fisica 1. Individuazione di un percorso formativo

2. Identificazione del linguaggio specifico

3. Definizione dell’obiettivo formativo

4. Individuazione dei prerequisiti disciplinari e non

disciplinari

5. Trattazione degli argomenti

6. Identificazione delle criticità (livelli di competenza matematica e di fisica/chimica di base)

7. Sperimentazione in laboratorio

8. Metodi di verifica dell’apprendimento

Percorso proposto

TERMODINAMICA

Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio.

Percorso proposto: Termodinamica

Definizione generale

La termodinamica si occupa dello studio delle variazioni

di energia che accompagnano un processo chimico-

fisico in un sistema aperto/chiuso

Energia

Criticità numero 1: Identificazione di un linguaggio specifico

Processo

chimico-

fisico

Sistema

aperto/chiuso

Il linguaggio specifico rappresenta una delle criticità comuni a tutti gli ambiti disciplinari della classe A013


Identificazione di un linguaggio specifico

Universo Spazio delle osservazioni: è diviso in 2

porzioni - sistema e ambiente

Sistema Porzione dell’universo nella quale

hanno luogo le trasformazioni (es. provetta)

Ambiente Porzione dell’universo in cui compiamo

le osservazioni sul sistema. Esso è separato dal sistema da una “superficie di confine” (es. laboratorio)



Sistema aperto Sistema in grado di scambiare materia

con l’ambiente circostante

Sistema chiuso Sistema non in grado di scambiare

materia con l’ambiente circostante

Sistema

adiabatico Sistema non in grado di scambiare

energia con l’ambiente

Sistema isolato Sistema non in grado di scambiare

materia ed energia con l’ambiente

Ambiente


Identificazione di un linguaggio specifico (anche visivo)

Sistema Energia Massa

Criticità numero 2: Dare concretezza alle definizione mediante degli esempi


Tornando alla definizione generale

La termodinamica si occupa dello studio delle

variazioni di energia che accompagnano un processo

chimico-fisico in un sistema aperto/chiuso

Criticità numero 3-4: Calore & lavoro



Processo

chimico fisico

Trasformazione chimico fisica di un sistema che coinvolga trasferimenti di energia

Es.1 Cambiamento di fase

Es.2 Reazione chimica

Lavoro Forma di energia che viene scambiata quando un sistema varia il suo contenuto energetico fornendo utilità o immagazzinando utilità futura. Forza opponente x distanza

Energia Capacità di un sistema di compiere

lavoro

Lavoro

espansivo Forma semplice di lavoro che proviene

dalla compressione/espansione di un gas in un contenitore adiabatico o non–adiabatico. w=-pambiente*DV

Sistema

(gas) Sistema

(gas)

Sistema

(gas)


Lavoro

espansivo

Forma semplice di lavoro che proviene dalla compressione/espansione di un gas in un contenitore adiabatico o non–adiabatico. w=-pambiente*DV

Parete adiabatica

pambiente

Espansione – w<0 Il sistema compie lavoro

Compressione – w>0 Il sistema assorbe lavoro


Ambiente


Identificazione di un linguaggio specifico (anche visivo)

Processo

esotermico

Trasformazione chimico-fisica che trasferisce energia sottoforma di calore dal sistema all’ambiente

Processo

endotermico

Trasformazione chimico-fisica che trasferisce energia sottoforma di calore dall’ambiente al sistema

Sistema

Flusso di calore

Endotermico

Q>0

Esotermico

Q<0

Calore Forma di energia che viene scambiata

quando un sistema varia il suo contenuto energetico senza scambiare lavoro

Sistema

(gas)


Calore

Forma di energia che viene scambiata quando un sistema varia il suo contenuto energetico senza scambiare lavoro

Parete non

adiabatica pambiente

Assorbimento di calore T↑ – DV=0

Cessione di calore

T↓ – DV=0

Sistema

(gas)

Sistema

(gas) Q>0 pambiente

pamb

Q<0



Calore Effetto sulla temperatura di un sistema che non scambia lavoro con l’ambiente dovuto ad un flusso di calore

Criticità numero 4: Astrazione matematica

Q = C·DT

C = capacità termica di una sostanza, proprietà

specifica di ogni materiale

T(1) Q>0 T(2)>T(1)

DT=Q/C

T(2)=T(1)+DT


Calore

Criticità numero 5: Convenzione dei segni

Lavoro Sistema

Ambiente

Sistema Q>0 Q<0

W>0

W<0

Obiettivo formativo : Termodinamica

Finalità del percorso formativo.

Esso va definito con chiarezza alla luce dei programmi ministeriali, dell’autonomia del docente e della preparazione della classe

Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo

principio. Entropia. Energia libera. Terzo principio.

Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio

chimico. Le costanti di equilibrio.

Esempio - Ricapitolazione degli argomenti di termodinamica


Obiettivo A:

Descrizione delle leggi

fondamentali della

termodinamica chimica.

Razionalizzazione

matematica dei principi

della termodinamica.

Introduzione alle funzioni di

stato.

Derivazione termodinamica

della legge dell'equilibrio

chimico e delle costanti di

equilibrio.

Esperienze di laboratorio.

Obiettivo B:

Descrizione elementare

delle leggi fondamentali

della termodinamica

chimica.

Razionalizzazione

matematica dei principi

della termodinamica.

Fenomenologia

dell’equilibrio chimico su

basi termodinamiche.


Definizione di un obiettivo formativo e strutturazione di un percorso formativo coerente.

La determinazione ex ante di un percorso formativo e del livello di profondità nell’illustrazione dei contenuti proposti deve basarsi su una chiara conoscenza dei prerequisiti necessari e delle potenzialità reali dell’infrastruttura didattica.

Prerequisiti

disciplinari Prerequisiti

non-disciplinari

Dotazione dei

laboratori


Definizione di un obiettivo formativo e strutturazione di un percorso formativo coerente.

Esempio: Descrizione delle leggi fondamentali della

termodinamica chimica. Razionalizzazione matematica dei

principi della termodinamica. Introduzione alle funzioni di stato.

Derivazione termodinamica della legge dell'equilibrio chimico e

delle costanti di equilibrio. Esperienze di laboratorio.

Prerequisiti: Concetti base

(es. reazione chimica; trasformazione di fase;

Pressione; temperatura; equazione del gas ideale, principio

zero)

Prerequisiti:

Competenze

matematiche

(es. logaritmo;

elementi di calcolo

differenziale ed

integrale)

Dotazione dei

laboratori

(es. dewar,

termometri e/o

termocoppie;

calorimetro

adiabatico; )

Obiettivo formativo : prerequisiti

Stato gassoso Stato di aggregazione della materia

caratterizzato da assenza di volume proprio e forma propria.

Variabili di

stato gassoso

Proprietà intensive (P,T) ed estensive (n,V) che descrivono univocamente lo stato fisico di un gas.

Mole ed

argomenti

correlati

Insieme di 6.022 *1023 particelle. Peso atomico, peso molecolare.

Criticità numero 6: Concetto di mole


Pressione Forza che insiste sull’unità di

superficie: origine molecolare (urti elastici). Unità di misura (Pascal, atmosfere, bar, torr)

Temperatura Proprietà che indica il verso del flusso

di energia tra 2 oggetti in contatto diatermico (che scambiano calore). Il flusso di energia è dall’oggetto a temperatura maggiore a quello a temperatura inferiore.

Principio zero Dati 3 corpi in contatto attraverso

pareti diatermiche se A si trova in equilibrio termico con B e B con C, alloca anche C è in equilibrio termico con A.

Scale

termometriche

Data un corpo ad una data temperatura essa può essere espressa in K, C, F.


Legge di Boyle Il prodotto del volume e della

pressione di un gas isotermo è una costante

Legge di

Charles

Il volume di qalunque gas tende a zero al tendere a zero della temperatura assoluta del gas stesso

Principio di

Avogadro

Pari quantità in moli di gas differenti hanno lo stesso volume a parità di temperatura e pressione.

Equazione di

stato dei gas

Relazione matematica che correla le 4 variabili di stato

pV=nRT

Criticità numero 7: leggi dei gas ideali


Equazione di

stato dei gas


pV=nRT

Processi

chimico fisici

sul piano p-V

pre

ssio

ne

Volume

Dato un valore costante di n, ogni punto sul piano

p-V

corrisponde ad uno stato termodinamico univoco con

T=pV/nR

P1

V1

T1=P1V1/nR


Equazione di

stato dei gas


pV=nRT

Processi

chimico fisici

sul piano p-V

pre

ssio

ne

Volume

P1

V1

T1=P1V1/nR

Trasformazioni

isobare

V2

T2=P1V2/nR

Processo chimico fisico

che avviene a pressione

costante


Equazione di

stato dei gas


pV=nRT

Processi

chimico fisici

sul piano p-V

pre

ssio

ne

Volume

P1

V1

T1=P1V1/nR

Trasformazioni

isocore P2

T3=P2V1/nR


che avviene a volume

costante


Equazione di

stato dei gas


pV=nRT

Processi

chimico fisici

sul piano p-V

pre

ssio

ne

Volume

P1

V1

T1=P1V1/nR

Trasformazioni

isoterme

P3 T1=P3V3/nR


che avviene a

temperatura costante

V3


Algebra di

base (1)

Operazioni aritmetiche elementari (moltiplicazione, divisione, sottrazione, addizione) tra numeri reali

Algebra di

base (2)

Calcolo

differenziale ed

integrale

Concetto di quantità differenziale, derivata, integrale di funzione.

Operazioni aritmetiche avanzate (elevazione a potenza, logaritmo, numero di Nepero) tra numeri reali

Criticità numero 8: Competenze algebriche della classe


Ricapitolazione degli argomenti

Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia.

Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge

dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio.

1

3

4

Primo

principio

Secondo

principio

Derivazione

termodinamica

della legge

dell'equilibrio

chimico.

Le costanti di

equilibrio.

Legge di Hess.

Entalpia.

2

Entropia.

Energia libera.

Terzo principio.

5

SEQUENZA LOGICA DI SUCCESSIONE


Ricapitolazione degli argomenti – Primo principio

L’energia interna di un sistema isolato è una costante

Energia

interna


Sistema

isolato

Energia totale di un

sistema;

Unità di misura Joule / J




Ambiente

Sistema

Energia Massa

L’energia interna è l’energia totale di un sistema.

Se il sistema non è in grado di scambiare energia e

materia con l’ambiente l’energia interna del sistema

non può variare. Criticità numero 9


Primo principio

Disaccoppiamo gli effetti

Ambiente

Sistema

Energia Massa

1. Se un sistema non può scambiare materia con l’ambiente

significa che il numero di moli (quantità di materia) che

costituisce il sistema è costante.

2. Se il sistema non può scambiare energia con l’ambiente

significa che è adiabatico (non scambia calore) e che non

scambia lavoro con l’esterno (non fa o subisce un lavoro).


Primo principio

Ambiente

Sistema

Calore (Q) Lavoro (w)

Se un sistema non scambia ne calore ne lavoro con l’esterno

significa che la sua temperatura e il suo volume sono

entrambi contemporaneamente costanti.

Nel lavoro espansivo w=-pambiente*DV ed essendo w=0 se ne

deduce che il volume del sistema non è cambiato

(ISOCORO)

Un sistema adiabatico che non scambia lavoro è ISOTERMO

Criticità numero 9

Primo principio e variabili di stato




Energia

interna


Concetto di funzione di stato.

Proprietà intensiva di un sistema termodinamico dipendente unicamente dalle sue variabili di stato.

La variazione di una funzione di stato è indipendente dal percorso ma dipende unicamente dai valori iniziali e finali delle variabili di stato

Criticità numero 10

FUNZIONE DI STATO


Energia

interna

Astrazione matematica:

DU= q + w

1 cal = 4.18 J

Funzione

di stato

Dipende

da T e V

Equivalenza calore-lavoro

Principio di conservazione

dell’energia


Principio di

conservazione

dell’energia

La variazione dell’energia interna di un sistema chiuso (che non scambia massa con l’ambiente) è uguale all’energia che ne attraversa la superficie di separazione con l’ambiente sottoforma di lavoro o calore.

L’ambiente a sua volta subisce una variazione di energia interna uguale e contraria in segno rispetto al flusso di energia che coinvolge il sistema

Criticità numero 11

Conservazione dell’energia

nell’universo


Primo

principio:

enunciato

formale

Il lavoro necessario per modificare un sistema adiabatico da un determinato stato (caratterizzato da variabili V,T,p,n) ad un altro ugualmente determinato (da una nuova terna V’,T’,p’,n) è lo stesso, qualunque sia la maniera in cui il lavoro è stato effettuato.

Le funzioni di stato (e quindi anche l’energia interna) dipendono solo dai valori delle variabili stato e non dal percorso per andare da uno stato ad un altro.

ENERGIA INTERNA

FUNZIONI DI STATO

LEGGE DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA


Lavoro

espansivo

Calcolo del lavoro compiuto da un sistema durante un processo chimico fisico.

1. Lavoro espansivo contro una pressione costante

2. Lavoro compiuto in un’espansione libera

3. Lavoro espansivo reversibile isotermo

Sistema

(gas)

Parete adiabatica

pambiente

Forma semplice di lavoro che proviene dalla compressione/espansione di un gas in un contenitore adiabatico o non–adiabatico. w=-pambiente*DV

Sistema

(gas)


Lavoro

espansivo

Calcolo del lavoro compiuto da un sistema durante un una espansione contro una pressione costante esterna (ambiente)

w=-pambiente*DV= w=-pambiente*(Vfinale-Viniziale)

Sistema

(gas) pambiente

Compiuto contro una pressione costante

Espansione – w<0 Il sistema compie lavoro Criticità numero 3

w


Lavoro

espansivo

w=-pambiente*DV= w=-pambiente*(Vfinale-Viniziale)

Compiuto contro una pressione costante

pre

ss

ion

e

Volume

Pamb

V1 V2

Il lavoro compiuto dal sistema è pari

all’area del rettangolo sotteso dalla

trasformazione isobara descritta nel

piano p-V

Sistema

(gas)


Lavoro

espansivo

Calcolo del lavoro compiuto da un sistema durante un una espansione libera (pressione ambiente nulla)

w=0

Sistema

(gas)

Espansione libera ovvero contro il vuoto (pambiente=0)

Espansione libera Criticità numero 12:

espansione contro il vuoto

Gas

(p’,V’,T)


Lavoro

espansivo

Calcolo del lavoro compiuto da un sistema (gas ideale) durante un una espansione reversibile isoterma

w=-nRT ln(Vfinale/Viniziale)

Gas

(p,V,T)

Espansione reversibile isoterma

Espansione reversibile con Tsistema=costante Criticità numero 13:

espansione reversibile

pambiente


Lavoro

espansivo

w=-nRT ln(Vfinale/Viniziale)

Espansione reversibile isoterma

pre

ssio

ne

Volume

P1

V1

T1=P1V1/nR

P3 T1=P3V3/nR

Il lavoro compiuto dal

sistema è pari all’area

sottesa dalla trasformazione

isotermadescritta nel piano

p-V

V3

W


Ricapitolazione degli argomenti

Primo principio. Legge di Hess. Entalpia. Secondo principio. Entropia.

Energia libera. Terzo principio. Derivazione termodinamica della legge

dell'equilibrio chimico. Le costanti di equilibrio.

1

3

4

Primo

principio

Secondo

principio

Derivazione

termodinamica

della legge

dell'equilibrio

chimico.

Le costanti di

equilibrio.

Legge di Hess.

Entalpia.

2

Entropia.

Energia libera.

Terzo principio.

5

SEQUENZA LOGICA DI SUCCESSIONE

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