Obiettivi formativi
Apprendimento dei concetti di base della chimica generale. Acquisizione di un linguaggio formalmente corretto, capacità di esprimere i contenuti in modo chiaro e lineare, elaborazione di collegamenti tra le diverse parti del corso. (conoscenza e capacità di comprensione)
Il Corso di Chimica Generale ed Inorganica ha lo scopo di fornire i concetti fondamentali indispensabili per intraprendere lo studio della Chimica. Particolare risalto é dato ai due aspetti fondamentali della chimica moderna: (i) l'aspetto strutturale che, muovendosi dalla struttura elettronica dell'atomo conduce alla struttura delle molecole, alle aggregazioni supramolecolari fino ai solidi estesi (reticolati covalenti, metallici e ionici) e ai sistemi complessi a più componenti; (ii) l'aspetto energetico che attraverso i principi della termodinamica e della cinetica chimica consente la razionalizzazione della reattività chimica. La trattazione teorica dei concetti fondamentali é ampiamente corredata da esempi tratti dal comportamento dei principali elementi del sistema periodico e dei loro composti . (capacita' di apprendere, conoscenza e capacita' di comprensione applicate)
Esercitazioni di stechiometria (autonomia di giudizio)
Riguardo le capacità comunicative, viene curata l'acquisizione di un linguaggio formalmente corretto, viene stimolata la capacità di esprimere i contenuti in modo chiaro e lineare, vengono sottolineati i collegamenti tra le diverse parti del corso. (abilita' comunicative)
Prerequisiti
E' utile avere una buona conoscenza della matematica e della fisica di base. Non è necessario avere informazioni preliminari di Chimica in quanto il corso comincia dai concetti elementari della materia.
Contenuti dell'insegnamento
FONDAMENTI DELLA TEORIA ATOMICA E MOLECOLARE
STRUTTURA DELL'ATOMO
LEGAME CHIMICO
STATO GASSOSO
STATO SOLIDO
STATO LIQUIDO
SOLUZIONI
TERMODINAMICA CHIMICA
EQUILIBRIO CHIMICO
EQUILIBRI ACIDO-BASE ED EQUILIBRI DI DISSOCIAZIONE E PRECIPITAZIONE
ELETTROCHIMICA
CINETICA CHIMICA
CHIMICA INORGANICA
STECHIOMETRIA
Programma esteso
Radici storiche della Chimica. Materia ed energia. Grandezze fisiche e loro unità di misura. Caratteristiche della materia. La massa. Le forze fondamentali della natura. La carica elettrica, le particelle elementari e gli atomi. Sostanze e loro proprietà. Sistemi fisici; fasi e componenti, miscele e soluzioni.
Energia, lavoro e calore. Energia cinetica interna. Temperatura assoluta, distribuzione dell'energia cinetica, zero assoluto. Capacità termica e calore specifico. Energia potenziale interna. Primo principio della Termodinamica. Entalpia. Introduzione agli stati di aggregazione della materia e ai passaggi di stato.
Breve storia della teoria atomica. Gli atomi e gli elementi. Ioni e molecole. Gli isotopi. Radioattività, fissione e fusione nucleare. Massa atomica (peso atomico). Mole e numero di Avogadro. Esercizi di applicazione sul concetto di mole.
Gli elementi. Caratteristiche dei metalli. Caratteristiche dei non-metalli. Valenza, composti e nomenclatura: composti binari, ternari, quaternari e superiori.
Reazioni chimiche: definizioni e simbologia. Costante di equilibrio. Classificazione delle reazioni chimiche: reazioni di scambio e di ossido-riduzione. Numero di ossidazione. Trasferimento di energia durante le reazioni chimiche. Legge di Hess. Entalpie di formazione standard e loro uso per il calcolo del calore di reazione. Criteri di spontaneità delle reazioni chimiche. Entropia S; secondo e terzo principio della Termodinamica. Energia libera di Gibbs G e sua relazione con H ed S. Equilibri chimici. Relazioni fra deltaG, deltaG°, Q e K. Dipendenza di K dalla temperatura. Influenza della pressione sugli equilibri.
Modelli della struttura elettronica dell'atomo. Onde elettromagnetiche. Dualismo onda particella e la meccanica quantistica. Modello elettronico dell'atomo di idrogeno e degli atomi polielettronici. Aufbau. Il sistema periodico e le proprietà periodiche. Proprietà degli elementi, in particolare dei primi tre periodi e dei metalli della prima serie di transizione.
Tipi di legame chimico. Il legame ionico. Il legame covalente. Modelli di Lewis. Regola dell'ottetto. Espansione dell'ottetto e risonanza. Modello VSEPR e struttura delle molecole. Legami sigma e pi-greco secondo il modello del legame di valenza (V.B.). Ibridazione degli orbitali atomici. Acidi e basi di Lewis, legame dativo e composti di coordinazione.
Interazioni deboli e stati di aggregazione. Interazioni di van der Waals. Legame di idrogeno. Modello dello stato dei gas. Gas perfetto e gas reali. Miscele di gas e pressione parziale. Solidi cristallini e solidi amorfi. Solidi a struttura covalente, molecolare, ionica e metallica. Polimorfismo e allotropia. Caratteristiche peculiari dello stato liquido: tensione superficiale, tensione di vapore. Diagrammi di stato delle sostanze.
Soluzioni. Modi di esprimere le concentrazioni. Polarità dei solventi e solubilità di gas, liquidi e solidi. Leggi di Henry e Raoult. Proprietà colligative. Dissociazione ed associazione dei soluti. Pressione osmotica.
Equilibri omogenei ed eterogenei. Sistemi a due componenti. Regola delle fasi. Equilibri ionici in soluzione acquosa. Prodotto di solubilità dei sali. La natura degli acidi e delle basi. Relazioni tra proprietà acido-basiche e struttura. Ionizzazione dell'acqua; pH. Equilibri idrolitici. Indicatori di pH. Curve di titolazione acido-base. Soluzioni tampone. Sostanze anfotere.
Celle galvaniche. Lavoro elettrico ed energia libera. La serie elettrochimica. Celle elettrolitiche. Aspetti quantitativi dell'elettrolisi e applicazioni industriali. Batterie. Corrosione.
Velocità di reazione e fattori che la influenzano. Meccanismi di reazione. Urti efficaci ed energia di attivazione. Catalisi omogenea, eterogenea ed enzimatica.
Elementi di Chimica Inorganica. Caratteristiche generali dei gruppi. Preparazione e proprietà chimiche dei seguenti elementi e dei loro composti principali: idrogeno, metalli alcalini, metalli alcalino-terrosi, alluminio, carbonio, silicio, stagno, piombo, azoto, fosforo, ossigeno, solfo, alogeni, titanio, cromo, manganese, ferro, rame, argento, zinco, mercurio.
Stchiometria. Dagli elementi ai composti: tavola periodica, numero di ossidazione, nomenclatura dei composti inorganici; formula minima, molecolare, di struttura.
La reattività: reazioni di salificazione, reazioni di scambio, reazioni di ossidoriduzione (dismutazioni) in forma molecolare e in forma ionica.
I calcoli stechiometrici: mole, peso equivalente, reagente in eccesso/difetto, resa di una reazione; esercizi sulle soluzioni. GENERAL CHEMISTRY
THE ATOMIC NATURE OF MATTER AND THE ATOMIC STRUCTURE
Atomic masses. Mole and Avogadro's number. Isotopes. Electromagnetic radiation. Quantum theory. The Bohr atom. Wave-particle duality. The indeterminacy principle. The Schroedinger equation. Atomic orbitals and quantum numbers. The aufbau principle. Electronic configuration. The periodic table and the main periodical properties.
CHEMICAL BONDING
The ionic bond. The covalent bond. Homonuclear and heteronuclear diatomic molecules. Lewis structures. Electronegativity. The shapes of molecules, the VSEPR theory. The valence bond theory. The molecular orbital theory. The metallic bond. The hydrogen bond.
THE GASEOUS STATE
Properties. Pressure. Ideal gas. Boyle's and Charles's laws. Absolute temperature. The ideal gas law. The kinetic theory of gases. Graham's law. Real gases. Intermolecular forces. Liquefaction, critical temperature.
THE SOLID STATE
Structure and properties. Crystalline solids and amorphous solids. Crystal lattices and unit cells. Symmetry. The crystal systems. Ionic, covalent, molecular and metallic crystals. Polymorphism. X-ray diffraction and crystal structure.
THE LIQUID STATE
Structure and properties. Surface tension. Evaporation. Vapor pressure. Boiling. Liquid crystals.
STATES OF THE MATTER AND PHASE TRANSITION
Phase diagrams for one- and two-components systems. Phase rule.
SOLUTIONS
The composition of solutions. Intermolecular forces and solution enthalpy. Ideal solutions. Dissolution mechanism. Solubility; influence of temperature and pressure. Vapor pressure. Raoult's law and deviations. Fractional distillation, azeotropic mixtures. Colligative properties; cryoscopy and ebullioscopy; osmosis and osmotic pressure. Colloidal sospensions.
THERMODYNAMICS
State functions. The first law. Work and heat. Heat capacities. Enthalpy. Termochemistry and applications. Degradation of energy and disorder. Entropy. The second law. The third law. Gibbs free energy. Criteria for spontaneity.
CHEMICAL EQUILIBRIUM
Reactions and chemical equilibrium. Law of mass action. Equilibrium constants. Le Chatelier's principle. Heterogeneous equilibria. The Gibbs free energy and the equilibrium constant. The temperature dependence of the equilibrium constants.
ACID-BASE EQUILIBRIA AND DISSOLUTION AND PRECIPITATION EQUILIBRIA
Acids and bases. Bronsted-Lowry and Lewis theories. The strength of acids and bases. Ionization constants. Polyprotic acids. Acid-base properties as a function of molecular structure. Ionic product of water. pH. Hydrolysis. Acid-base indicators. Acid-base titration curves. Buffer solutions. Amphoterism. Solubility product constant, common-ion effect.
ELECTROCHEMISTRY
Electrical conductivity. Electrolytic dissociation. Electrolysis: processes, Faraday's laws, applications. Galvanic cells. Electrodes. Reduction potentials and applications. Corrosion and its prevention.
CHEMICAL KINETICS
Rates of chemical reactions. Reaction rates and concentrations. Dependence of concentrations on time. First-order and second-order reactions. Activation energy. Effect of temperature on reaction rates. Reaction mechanisms. Catalysis.
INORGANIC CHEMISTRY
Description of all the groups of the periodical table. Preparation and properties of the following elements and their main compounds: hydrogen, alkali and alkaline-earth metals, aluminum, carbon, silicon, tin, lead, nitrogen, phosphorus, oxygen, sulphur, halogens, titanium, chromium, manganese, iron, copper, silver, zinc, mercury.
STOICHIOMETRY
Inorganic nomenclature. Oxidation number. Reaction types: salification, exchange and redox reactions. Chemical equations balancing. Empirical and molecular formula; percentage of elements present in the compounds. Weight ratios among reagents and products; mole; limiting reagent; reaction yield. Solutions: composition, dilution and mixing. Chemical equivalent.
Bibliografia
J.C.KOTZ, P.TREICHEL, G.WEAVER: "Chimica", IV edizione, 2010, EdiSES, Napoli.
P.ATKINS, L.JONES: "Principi di chimica", III edizione, 2012, Zanichelli, Bologna.
N. J. TRO: "Chimica un approccio molecolare", Edises, Napoli.
Petrucci et al.: "Chimica generale", Piccin, Padova.
Altre informazioni
Tutorato in aula. Esercizi svolti congiuntamente col docente. Slides del corso fornite dal docente in formato PDF.
