Obiettivi formativi
Il corso ha l’obiettivo di consentire allo studente di conoscere, comprendere ed applicare i concetti essenziali e le linee di ragionamento proprie della Chimica generale ed inorganica. In particolare, obiettivo primario sarà mostrare, anche ricorrendo ad esempi tratti dalla esperienza quotidiana, come la chimica fornisca il linguaggio per descrivere le trasformazioni della materia. Lo studente potrà utilizzare la conoscenza e la comprensione acquisita per affrontare i contenuti chimici dei corsi successivi.
Gli esercizi di stechiometria hanno l’obiettivo di familiarizzare lo studente con gli aspetti quantitativi dei problemi chimici e applicare conoscenza e capacità di comprensione ad esempi specifici e concreti.
RISULTATI DELL’APPRENDIMENTO. Lo studente dovrà sviluppare quelle abilità comunicative, quella capacità di apprendere e fare collegamenti fra i vari argomenti, che gli consentiranno di affrontare la chimica dei corsi successivi. Lo studente al termine del corso dovrà dimostrare conoscenze e capacità di comprensione circa: la struttura dell’atomo; la natura del legame chimico e la struttura delle molecole; gli stati di aggregazione della materia ed i passaggi di stato; la termodinamica e la cinetica chimiche; i principi dell’elettrochimica; la chimica inorganica degli elementi dei gruppi principali.
Lo studente inoltre, sempre applicando la conoscenza e la comprensione acquisite, dovrà essere in grado di risolvere i problemi della stechiometria di base.
Prerequisiti
E’ richiesta la conoscenza degli elementi della nomenclatura chimica, degli elementi di fisica e matematica propri dei curricula della Scuola secondaria di secondo grado.
Contenuti dell'insegnamento
La prima parte del corso tratta della materia dal punto di vista
microscopico, ossia verranno discussi i principi della teoria atomico/molecolare. Si
procede poi a descrivere come la materia si organizzi su scala
macroscopica, trattando delle caratteristiche generali degli stati di aggregazione. Completano il corso, per parlare della reattività chimica, le parti relative alla termodinamica ed alla cinetica. La reattività chimica è ulteriormente sviluppata mediante l’esposizione della chimica degli elementi dei gruppi principali della Tavola Periodica. Alcuni argomenti del
corso saranno accompagnati dallo svolgimento di problemi di
stechiometria.
Programma esteso
FONDAMENTI DELLA TEORIA ATOMICA DELLA MATERIA. Modelli atomici di Thomson e di Rutherford. Protone, neutrone, elettrone. Numero atomico
e massa atomica. Isotopi. Radiazione elettromagnetica. Teoria quantistica. Atomo di Bohr. Dualismo onda-particella, relazione di de Broglie. Principio di indeterminazione di Heisenberg. Equazione d’onda di Schroedinger. Orbitali atomici e numeri quantici per l’atomo di idrogeno. Atomi polielettronici. Principio di aufbau (principio di Pauli, regola di Hund). Configurazione elettronica degli elementi. Sistema periodico. Principali proprietà periodiche.
LEGAME CHIMICO: DALL’ ATOMO ALLA MOLECOLA. Tipi di legame chimico. Legame ionico. Introduzione al legame covalente. Strutture di Lewis. Elettronegatività, legame covalente omo- ed eteropolare. Legami semplici e legami multipli. Geometria molecolare, teoria VSEPR. Teoria del legame di valenza (principi generali, risonanza, ibridizzazione). L’ibridizzazione nell’atomo di carbonio. Cenni relativi alla teoria dell’orbitale molecolare (molecola dell’ossigeno). Legame metallico. Polarità delle molecole. Interazioni di van der Waals, legame a idrogeno.
TERMODINAMICA. Terminologia. Tipi di trasformazioni. Funzioni di stato. Primo principio. Lavoro e calore. Entalpia. Termochimica. Degradazione dell’energia, disordine. Entropia. Secondo principio. Terzo principio. Energia libera di Gibbs. Condizioni di spontaneità di un processo chimico. EQUILIBRIO CHIMICO. Reazioni chimiche ed equilibrio. Legge d’azione di massa. Costante di equilibrio. Energia libera di Gibbs e costante di equilibrio. Influenza esterna sull’equilibrio (principio di Le Chatelier). Equilibri eterogenei. Dipendenza della costante di equilibrio dalla temperatura.
STATO GASSOSO Proprietà dei gas. Gas ideale. Leggi di Boyle e di Charles. Temperatura assoluta. Equazione di stato dei gas ideali. Teoria cinetica molecolare. Velocità molecolari. Gas reali. Liquefazione dei gas.
STATO LIQUIDO. Struttura e proprietà dei liquidi. Tensione superficiale. Evaporazione. Tensione di vapore. Ebollizione, punto di ebollizione.
CAMBIAMENTI ED EQUILIBRI DI FASE. Passaggi di stato. Diagrammi di stato. Diagramma di stato dell’acqua. Regola delle fasi.
SOLUZIONI. Tipi ed esempi. Composizione delle soluzioni, la concentrazione. Forze intermolecolari ed entalpia di soluzione. Soluzioni ideali. Solubilità. Dissoluzione di un sale in acqua. Solvatazione. Tensione di vapore delle soluzioni. Legge di Raoult e relative deviazioni. Innalzamento del punto di ebollizione ed abbassamento del punto di congelamento. Proprietà colligative. Pressione osmotica, osmosi, osmosi inversa.
STATO SOLIDO. Struttura e proprietà dei solidi. Solidi cristallini e solidi amorfi. Reticoli e celle elementari. Simmetria nei cristalli. Sistemi cristallografici. Tipi di impaccamento. Classificazione dei solidi cristallini (metallici, ionici, covalenti, molecolari). Polimorfismo, allotropia.
EQUILIBRI IN SOLUZIONE. Acidi e basi. Teoria di Bronsted-Lowry. Forza degli acidi e delle basi. Costanti di dissociazione. Acidi poliprotici. Relazione tra proprietà acidobasiche e struttura. Acidi e basi di Lewis. Prodotto ionico dell’acqua. pH, indicatori di pH. Idrolisi di un sale. Soluzioni tampone. Anfoliti. Sali poco solubili: prodotto di solubilità, effetto dello ione comune.
ELETTROCHIMICA. Conduttori elettrolitici. Dissociazione elettrolitica. Elettrolisi: processi chimici agli elettrodi. Pile. Potenziali di elettrodo e
relative applicazioni. Corrosione metallica.
CINETICA CHIMICA. Velocità di reazione. Fattori che influenzano la velocità di reazione. Legge della velocità. Teorie cinetiche. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione, equazione di Arrhenius. Meccanismi di reazione. Catalisi.
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.
ELEMENTI DI STECHIOMETRIA. Dagli elementi ai composti: tavola periodica, numero di ossidazione, nomeclatura 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 ecesso/difetto, resa di una reazione; esercizi sulle soluzioni.
Bibliografia
Sono disponibili on line le slides utilizzate per le lezioni, una serie di esercizi modello svolti e da svolgere, una serie di domande preparatorie per la prova scritta finale e alcune prove scritte utilizzate negli anni precedenti.
Vengono consigliati i seguenti testi:
C.KOTZ, P.TREICHEL, J.TOWNSEND: "Chimica", EdiSES, Napoli.
R.H.PETRUCCI, W.S.HARWOOD: "Chimica generale", Piccin, Padova.
P.ATKINS, L.JONES: "Principi di chimica", Zanichelli, Bologna
F.ANFUSO, L.PALMISANO, Guida per la Risoluzione di Esercizi di Chimica, EdiSES, Napoli
Metodi didattici
Il corso verrà svolto mediante lezioni frontali accompagnate dalla proiezione di slides. Le slide verranno rese disponibili on line e sono parte integrante del materiale didattico. Si avrà cura di richiamare costantemente all’uso appropriato del linguaggio chimico, di inserire esempi tratti dalla “vita comune”, di sottolineare i collegamenti fra le varie parti del corso, di incentivare la partecipazione attiva degli studenti.
Gli esercizi di stechiometria, siano essi reazioni o problemi, sono parte essenziale del corso in quanto momento di verifica della reale comprensione dei concetti chimici e della capacità di applicarli. Verranno alternati esercizi svolti dal docente ed esercizi lasciati allo studente, che avrà così modo di poter misurare la propria capacità di apprendere ed autonomia di giudizio; successivamente gli esercizi verranno comunque corretti in aula.
Per gli studenti che abbiano un debito in ingresso, sono previste delle lezioni integrative.
Modalità verifica apprendimento
L’accertamento del raggiungimento della conoscenza e della comprensione dei contenuti del corso prevede una prova scritta ed una prova orale.
La prova scritta, della durata di tre ore, è articolata in dieci quesiti, di cui otto a risposta aperta riguardanti la parte generale del corso e due esercizi di stechiometria, così da verificare la conoscenza e la capacità di comprensione applicate. Durante la prova scritta non è consentito l'uso della Tavola periodica degli elementi. Ogni quesito prevede un punteggio massimo di 5; l’accesso alla prova orale è condizionato al superamento della prova scritta con un punteggio minimo di 18/30. La prova scritta verrà restituita, corretta, prima della prova orale.
La prova orale è intesa, in particolare, a verificare l’acquisita padronanza del linguaggio chimico di base e l’abilità comunicativa dello studente.
Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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