Silvestro Natoli

Mariano Calatozzolo

Le nuove indicazioni ministeriali dell’indirizzo “Chimica, Materiali e Biotecnologie” articolazione “Chimica e Materiali” mostrano una tendenza alla compressione dei contenuti ispirandosi ad una logica di “razionalizzazione” delle risorse umane ed economiche anziché alle esigenze della società ed agli obiettivi del processo formativo. In particolare, sono state sacrificate 4 ore settimanali di materie di indirizzo, rendendo necessaria la soppressione di “Chimica-Fisica” per evitare un’eccessiva frammentazione delle discipline chimiche in relazione alle ore a disposizione.
 
 La nuova edizione del manuale accoglie queste indicazioni, assicurando una stretta connessione con la scansione dei programmi ministeriali ma, allo stesso tempo, gli argomenti centrali della disciplina sono sviluppati in maniera da consentire al docente di scegliere le conoscenze da trasmettere, tra tutte quelle indicate nelle indicazioni ministeriali, in base agli obiettivi formativi fissati e di sviluppare gli opportuni approfondimenti.
 
 Le principali novità riguardano i contenuti di “Chimica-Fisica” direttamente correlate alla disciplina di Tecnologie Chimiche che sono state incluse nel piano dell’opera. In particolare: <ul><li>lo studio degli equilibri tra fasi diverse che sono collegati alla trattazione di tutte le operazioni unitarie basate sul raggiungimento di condizioni di equilibrio tra fasi diverse;
</li><li>lo studio della termodinamica e della cinetica chimica, ovvero i cardini teorici che consentono la corretta rappresentazione dei bilanci di materia e di energia e la definizione delle migliori condizioni operative di una reazione, sia per quanto riguarda le rese che le velocità di reazione.</li></ul>

1. I fondamenti chimico-fisici delle operazioni unitarie: il primo principio della termodinamica

1.1 Definizioni e concetti fondamentali

1.2 Temperatura e calore: il principio zero

1.3 L'energia interna e il primo principio

1.4 Il calore specifico

1.5 Entalpia

1.6 Applicazioni del primo principio

Glossario

Esercizi

2. Bilanci di materia ed energia

2.1 Le equazioni di bilancio ed i principi di conservazione

2.2 I bilanci di materia

2.3 Bilanci di energia nei sistemi aperti in cui non si realizzano reazioni chimiche

3. Il trasferimento di calore

3.1 Equazioni di trasferimento

3.2 La conduzione

3.3 La convezione

3.4 Trasmissione di calore per irraggiamento

3.5 Applicazione delle equazioni di bilancio e di trasferimento

3.6 Isolamento termico

4. Le apparecchiature per lo scambio termico

4.1 Gli scambiatori di calore

4.2 Gli scambiatori a doppio tubo

4.3 Gli scambiatori a fascio tubiero

4.4 Altri tipi di scambiatori

4.5 I condensatori e ribollitori

4.6 Il vapore e il trasferimento di energia termica

4.7 Il controllo della temperatura negli scambiatori

5. I fondamenti chimico-fisici dei processi: il secondo ed il terzo principio

5.1 Le macchine termiche

5.2 Secondo principio. gli enunciati di kelvin-planck e clausius

5.3 Il ciclo di carnot

5.4 L'entropia

5.5 Frigoriferi e pompe di calore

5.6 Bilancio entropico

5.7 L'energia “libera” – lavoro ed equilibrio

6. Il trasporto dei gas

6.1 Il lavoro di compressione

6.2 Le apparecchiature per il trasporto dei gas

7. I fondamenti chimico-fisici delle operazioni unitarie: i diagrammi di fase

7.1 I diagrammi di fase di sostanze pure: l'acqua

7.2 Evaporazione ed ebollizione di sostanze pure

7.3 L'equilibrio liquido-vapore nelle soluzioni

8. Concentrazione e cristallizzazione

8.1 Aspetti generali della concentrazione

8.2 Impianti di evaporazione a singolo effetto

8.3 Il comportamento reale delle soluzioni

8.4 Influenza delle variabili di processo

8.5 Gli impianti a multiplo effetto

8.6 Bilanci e dimensionamento degli evaporatori a multiplo effetto

8.7 Evaporazione per ricompressione meccanica del vapore

8.8 Caratteristiche costruttive degli evaporatori

8.9 Le apparecchiature ausiliarie

8.10 Gli schemi di controllo negli impianti di evaporazione

8.11 La cristallizzazione

9. Essiccamento

9.1 Generalità e ambiti applicativi

9.2 I processi in fase gassosa: la psicrometria

9.3 Parametri termometrici dell'aria umida

9.4 Il diagramma psicrometrico

9.5 Le trasformazioni dell'aria umida

9.6 Le caratteristiche interne dei solidi umidi

9.7 Bilanci di materia ed energia nell'essiccamento

9.8 Classificazione e caratteristiche degli essiccatori

9.9 La liofilizzazione

9.10 Il controllo negli impianti di essiccamento

9.11 Le torri di raffreddamento

10. I fondamenti chimico-fisici dei processi: la termodinamica chimica

10.1 Il primo principio e la termochimica

10.2 Spontaneità ed equilibrio chimico

11. I fondamenti chimico-fisici dei processi: cinetica chimica, catalisi, reattori

11.1 La velocità di reazione

11.2 Velocità di reazione e concentrazione

11.3 Velocità di reazione e temperatura

11.4 La velocità di reazione al variare di concentrazione e temperatura

11.5 Catalisi e catalizzatori

11.6 I reattori chimici

12. Processi industriali

12.1 Idrogeno e gas di sintesi

12.2 La sintesi dell'ammoniaca

564 Glossario glossario Catalizzatori. Partecipano al meccanismo di   Ordine di reazione. Indica la dipendenza della   reazione restando però immutati alla fine. Le velocità di reazione dall esponente delle conprincipali caratteristiche sono l attività, tramite cui un catalizzatore aumenta la velocità di reazione, e la selettività, che consiste nell aumentare la velocità solo di una delle possibili reazioni che una specie può subire. Possono effettuare una catalisi omogenea, se formano una fase unica con il sistema in reazione, o, altrimenti, una catalisi eterogenea. cinetica. Stabilisce una proporzionali  Costante tà tra la velocità di reazione e le concentrazioni di reagenti e prodotti. Nelle reazioni reversibili cineticamente semplici, si ha una costante cinetica per la reazione diretta, che porta dai reagenti ai prodotti, e una per l inversa. Decadimento radioattivo. L emissione sponta  nea di radiazioni provocata dalla trasformazione (disintegrazione) di nuclei di isotopi instabili (nuclei radioattivi) in nuclei più stabili. Per raggiungere la stabilità possono emettere particelle  , cioè nuclei di He (decadimento  ), particelle   (decadimento   o emissione elettronica), emissione di positroni ( +, elettrone con carica positiva), emissione di raggi   (radiazioni elettromagnetiche a   molto corta). centrazioni di reagenti o prodotti. Infatti, la velocità di reazione viene espressa come il prodotto tra una costante cinetica e le concentrazioni di reagenti o prodotti elevate ai rispettivi esponenti. L ordine di reazione rappresenta la somma degli esponenti. a letto fluido. Sfruttano i principi del  Reattori la fluidizzazione dei solidi allo stato di polveri. Consentono di raggiungere elevati gradi di miscelazione tra il catalizzatore e i reagenti, nonché un migliore smaltimento del calore. CSTR (o a tino agitati). Reattori continui   Reattori che grazie alla perfetta agitazione determinano condizioni omogenee di temperatura, concentrazioni, pH ecc. Di conseguenza i parametri in uscita sono identici a quelli all interno del reattore. PFR (a flusso a pistone). Reattori in   Reattori cui l assenza di mescolamento determina una variazione continua delle concentrazioni andando dalla sezione di ingresso a quella di uscita. di dimezzamento. Il tempo necessario   Tempo affinché la concentrazione di un reagente si dimezzi. Si legano ai centri attivi dei catalizzatori   Veleni. Equazione di Arrhenius. Descrive la variazione   della in maniera reversibile (veleni temporanei) o percostante cinetica in funzione della temperatura, dell energia di attivazione e del fattore di frequenza. Isoterma di reazione. Descrive l evoluzione nel   tempo delle concentrazioni di una specie partecipante alla reazione a temperatura costante. Confrontando isoterme a diverse temperature si nota la variazione della resa termodinamica e della velocità di reazione. manente (veleni permanenti), determinandone la diminuzione dell attività. di reazione. Rappresenta la rapidità   Velocità con la quale scompaiono i reagenti o si formano i prodotti. Matematicamente è espressa dalla derivata nel tempo della concentrazione di un reagente (con il segno negativo) o di un prodotto.   funzione delle concentrazioni di reagenti e prodotti e della temperatura. 

565 esercizi Capitolo 11 esercizio 1 La reazione irreversibile A   P decorre con una cinetica del primo ordine e con una costante cinetica di 10 s 1. Scrivere l equazione cinetica in forma differenziale e integrata e calcolare il tempo di dimezzamento. (Risposta: t1/2 = 6,93   10 2 s) esercizio 2 La reazione 2 N2O5(g)   4 NO2(g) + O2(g) decorre a 55°C con una velocità di formazione di NO2 di 7 mmol/(dm3   s). Calcolare la velocità di scomparsa di N2O5 e di formazione di O2. Suggerimenti Tener presente la definizione di velocità di reazione a coefficiente unitario. (Risposta: rN2O5 = 3,5 mmol/(dm3   s); rO2 = 1,75 mmol/(dm3   s)) esercizio 3 La reazione di decomposizione di N2O5 dell esempio precedente decorre con una cinetica del primo ordine e presenta un tempo di dimezzamento di 1,605 h a 35 °C. Calcolare la costante cinetica. Inoltre, se la concentrazione iniziale di N2O5 è di 350 mg/m3, dopo quanto tempo sarà di 50 ppm? (la densità dell aria a 35°C e 1 bar è di 1,130 g/L. (Risposta: k = 0,432 h 1; t = 4,22 h) esercizio 4 Per la reazione irreversibile   +   H2O2(aq) + 3 I (aq) + 2H (aq)   I 3(aq) + 2 H2O(l) sono noti i seguenti dati cinetici a temperatura costante e a pH costante: PROVA [H2O2]0 (mol/L) [I- ]0 (mol/L) VELOCIT  INIZIALE DI FORMAZIONE I3  (mol/L   s) 1 0,100 0,100 1,15   10 4 2 0,100 0,200 2,30   10 4 3 0,200 0,100 2,30   10 4 4 0,200 0,200 4,60   10 4 Ricavare l ordine complessivo della reazione e rispetto ai singoli reagenti, scrivere la relativa equazione cinetica (essendo [H+] costante, la si può conglobare nella costante cinetica). (Risposta: r = k   [H2O2]   [I- ]) 

Le nuove indicazioni ministeriali per "Chimica e Materiali" influenzano il manuale, mantenendo i punti chiave ma consentendo flessibilità.

Tecnologie chimiche industriali

Tecnologie chimiche industriali, Vol. 2

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