Corsi di studi in Scienze Geologiche (L-34 e LM-74)

Concetti di matematica e fisica elementare, conoscenza delle principali unità di misura del Sistema Internazionale, capacità di impostare semplici esercizi numerici.

Fornire agli studenti le competenze chimiche di base, sia dal punto di vista microscopico (atomico/molecolare) che macroscopico. Acquisire familiarità con la terminologia chimica, le configurazioni elettroniche degli atomi e le proprietà degli elementi, la formazione dei legami, le interazioni tra molecole, e la comprensione delle leggi che regolano gli stati di aggregazione della materia. Fornire le nozioni basilari riguardanti la chimica dei composti del carbonio.

Al termine del corso, lo studente avrà acquisito le conoscenze necessarie a comprendere la struttura degli atomi, leggere la tavola periodica e prevedere le proprietà chimiche e fisiche degli elementi, interpretare e scrivere le formule di composti ionici e molecolari, comprendere la natura dei composti, la loro formazione, composizione e nomenclatura, bilanciare le reazioni chimiche e utilizzarle nei calcoli stechiometrici (reazioni di equilibrio, ossido riduzioni, acido-base), comprendere la natura delle diverse forme della materia, le proprietà delle soluzioni acquose, e le teorie che descrivono il comportamento di acidi e basi, comprendere la natura e le caratteristiche dello stato di equilibrio, leggere e interpretare criticamente i diagrammi di stato, utilizzare i principi della termochimica per gestire problemi che riguardano il trasferimento di calore, comprendere le basi della cinetica chimica. Inoltre sarà in grado di riconoscere i diversi gruppi funzionali dei composti organici e la formula di semplici molecole in cui sono presenti, descrivere le principali reazioni.

La metodologia didattica impiegata consiste in 74 ore di didattica frontale e 12 ore di esercitazioni collettive in aula (esercizi di stechiometria).

Le conoscenze acquisite sono verificate mediante una prova scritta basata su 8 quesiti (bilanciamento di reazioni, disegno di formule di struttura, esercizi di stechiometria, domande a risposta aperta), seguita da un colloquio orale volto ad accertare la padronanza dei principali concetti di chimica. Per poter accedere alla prova orale occorre totalizzare almeno 18 punti nella prova scritta. Nella prova orale si hanno a disposizione altri 12 punti per un punteggio finale tra prova scritta e prova orale fino a 30 punti.

Ripassi pre esame e chiarimenti/approfondimenti sugli argomenti dei moduli su richiesta degli studenti previo appuntamento via mail (singoli o piccoli gruppi).

Natura atomica della materia. Atomi: particelle costitutive e loro caratteristiche fisiche, numero atomico, numero di massa, isotopi. Massa atomica e unità di massa atomica, difetto di massa. Sostanze elementari e composte. Allotropi. Molecole, massa molecolare. Formula minima molecolare e di struttura. Isomeria. Analisi elementare. Classificazione della materia: sostanze e miscugli.

Elementi di struttura dell'atomo. Funzione d'onda e densità di probabilità. Orbitali atomici e numeri quantici. Atomi polielettronici e principio di Aufbau, configurazioni elettroniche e relazione con il sistema periodico,proprietà periodiche: raggi atomici e ionici, energia di ionizzazione, affinità elettronica ed elettronegatività.

Legame chimico. Scambio di elettroni e legame ionico. Legame covalente. Elettronegatività e polarità dei legami. L'approccio di Lewis. Geometrie molecolari e teoria della repulsione delle coppie elettroniche nel guscio di valenza (VSEPR). Teoria del legame di valenza (legami σ e π). Risonanza, ibridazione, orbitali ibridi e geometrie molecolari. Teoria dell'orbitale molecolare.

Numero o stato di ossidazione, valenza chimica. Proprietà e caratteristiche degli elementi dei principali gruppi della tavola periodica (metalli alcalini, metalli alcalino-terrosi, altri metalli, metalli di transizione, metalli di transizione interna, non metalli, alogeni, gas nobili). Nomenclatura inorganica e proprietà chimiche di ossidi, idruri, idrossidi, acidi e sali.

Stechiometria e reazioni chimiche, bilanciamento di reazioni. Concetto di mole e Numero di Avogadro. Massa molecolare e massa molare. Quantità di reagenti e di prodotti, reagente limitante.

Forze intermolecolari (polarità delle molecole, forze ione-dipolo, dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, forze di dispersione, polarizzabilità, legame a idrogeno). Stati di aggregazione della materia. Stato gassoso (leggi dei gas ideali, correzioni per i gas reali, teoria cinetica dei gas). Stato liquido (tensione superficiale, viscosità e tensione di vapore). Proprietà dei solidi, solidi amorfi e cristallini,  reticolo cristallino, cella elementare, parametri di cella, reticoli di Bravais, struttura cristallina. Tipologie di solidi: molecolari, covalente, ionici e metallici.

Definizione di Fase. Calore e passaggi di stato. Equilibri tra le fasi, punti critici, diagrammi di stato ad un componente, varianza di un sistema (regola delle fasi).

Soluzioni: generalità, concentrazione, proprietà colligative.

Equilibrio chimico, costanti di equilibrio e legge di azione di massa. Definizioni di acido-base secondo le teorie di Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. Acidi e basi forti e deboli. Equilibri in soluzione acquosa, prodotto ionico dell'acqua, pH, pOH, pH delle soluzioni saline, soluzioni tampone. Costante del prodotto di solubilità, solubilità ed effetto dello ione comune, formazione del precipitato.

Grandezze termodinamiche e spontaneità delle reazioni. Energia, calore e lavoro. Stato termodinamico di un sistema. Grandezze di stato. Primo principio della termodinamica. Stato standard. Entalpie di formazione e di reazione. Secondo e terzo principio della termodinamica. Entropia ed energia libera.

Elettrochimica, celle elettrolitiche e celle galvaniche, potenziali standard di riduzione. Equazione di Nernst. Elettrolisi e legge di Faraday. Elettrolisi di NaCl allo stato fuso. Processo Hall per la produzione di alluminio. Elettrodeposizione.

Cinetica chimica: velocità di reazione, costante di velocità e ordine di reazione. Meccanismi di reazione, energia di attivazione, equazione di Arrhenius, fattori che influenzano la velocità, catalizzatori.

Chimica nucleare. Materia ed energia. Massa atomica e difetto di massa. Energia media di legame dei nuclidi. Processi di decadimento nucleare e principali particelle e/o radiazioni ionizzanti (particelle alfa, beta, raggi gamma). Stabilità dei nuclidi. Principali reazioni nucleari. Tempi di dimezzamento e datazione. Nucleosintesi.

Elementi di chimica organica: idrocarburi saturi e insaturi (alcani, alcheni, alchini). Idrocarburi aromatici. Nomenclatura. Gruppi funzionali: alogenuri alchilici, alcoli e fenoli, eteri, ammine, aldeidi e chetoni, acidi carbossilici, alogenuri acilici, esteri, ammidi, anidridi.

Gli argomenti delle lezioni sono affiancati da esercitazioni numeriche relative alla determinazione delle formule dei composti, alla nomenclatura ufficiale, al bilanciamento delle equazioni chimiche e alla determinazione delle quantità di sostanze che reagiscono nei processi chimici. Le esercitazioni trattano poi l'argomento delle soluzioni, il calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi forti, gli equilibri in fase gassosa e in soluzione, il calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi deboli e loro miscele, gli equilibri di idrolisi e le soluzioni tampone. Le esercitazioni riguardano, infine, gli equilibri eterogenei, i processi elettrolitici e i potenziali standard di riduzione.

Materiale didattico presentato durante il corso, necessariamente integrato con un libro di testo, ad esempio:

- Whitten K.W., Davis R.E., Peck M.L., Stanley G.G. - Chimica - Piccin

- Michelin Lausarot P., Vaglio G.A. - Stechiometria per la chimica generale - Piccin

Altri testi consultabili:

- Kotz, Treichel, Townsend, Treichel - Chimica - EdiSES