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

Chimica

Anno accademico 2012/2013

Sommario insegnamento

• Programma
• Testi consigliati e bibliografia
• Strumenti didattici

Programma

Il corso intende fornire le basi della chimica agli studenti del corso di laurea in Scienze Geologiche, sia dal punto di vista microscopico (atomico/molecolare) che macroscopico. Il programma del modulo di lezioni riguarda:

1) Leggi fondamentali della chimica. Sostanze elementari e composte. Allotropi. Stati di aggregazione della materia. Miscugli (omogenei ed eterogenei). Natura atomica della materia. Atomi: particelle costitutive e loro caratteristiche fisiche, numero atomico, numero di massa. Massa atomica ed unità di massa atomica. Isotopi. Cifre significative. Concetto di mole e Numero di Avogadro. Massa molecolare e massa molare. Formula minima, formula molecolare, formula di struttura. Isomeria strutturale. Analisi elementare. Reazioni chimiche e bilanciamento. Stechiometria.

2) Elementi di struttura dell’atomo. Particelle fondamentali. Modello nucleare. Atomo di Bohr. Funzione d’onda e densità di probabilità. Orbitali atomici e numeri quantici. Atomi polielettronici e principio di Aufbau. Configurazione elettronica e relazione con il sistema periodico. Proprietà periodiche: raggi atomici e ionici, energia di ionizzazione, affinità elettronica ed elettronegatività. Numeri di ossidazione. Reazioni di ossidoriduzione.

3) Legame chimico. Scambio di elettroni e legame ionico. Legame covalente. Elettronegatività e polarità dei legami. L’approccio di Lewis. Geometrie molecolari e teoria della minima repulsione (VSEPR). Teoria del legame di valenza. Legami semplici e multipli. Legami s e p. Ibridazione, orbitali ibridi e geometrie molecolari. Energia di legame, distanze ed angoli di legame.

4) Forze intermolecolari e stati di aggregazione della materia (polarità delle molecole, forze ione–dipolo, dipolo–dipolo, dipolo-dipolo indotto, forze di dispersione, polarizzabilità, legame a idrogeno). Stato gassoso, leggi del gas perfetto, correzioni per i gas reali e teoria cinetica dei gas. Stato liquido, tensione superficiale, viscosità e tensione di vapore. Stato solido, strutture e tipi di solidi. Definizione di Fase. Calore e passaggi di stato. Equilibri tra le fasi, punti critici e diagrammi di stato ad un componente. Soluzioni, concentrazione, proprietà colligative.

5) Equilibri omogenei in fase gas e in soluzione, principio di Le Chatelier e spostamento degli equilibri. Equilibri eterogenei.

6) Proprietà degli acidi e delle basi. Teoria acido-base secondo Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Scala del pH. Equilibrio di autoprotolisi dell'acqua, acidi e basi forti, acidi e basi deboli. Acidi poliprotici. Proprietà acido-base dei sali: equilibri di idrolisi. Soluzioni tampone. Equilibrio soluto/soluzione: prodotto di solubilità ed effetto dello ione comune.

7) 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.

8) Elettrochimica, celle elettrolitiche e celle galvaniche, potenziali standard di riduzione. Equazione di Nernst. Relazione tra E° e K di equilibrio. Pile a concentrazione. Pile e batterie commerciali. Relazione tra E° e costante di equilibrio. Elettrolisi e legge di Faraday. Elettrolisi di NaCl allo stato fuso. Processo Hall per la produzione di alluminio. Elettrodeposizione. Corrosione.

9) 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.

10) Chimica organica: chimica del carbonio. Idrocarburi saturi e insaturi (alcani, alcheni, alchini). Nomenclatura. Gruppi funzionali: alcoli, fenoli, acidi carbossilici, aldeidi, chetoni, eteri, esteri, ammine, ammidi. Acidi grassi, lipidi e carboidrati.

11) 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.

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.

Per gli esercizi di stechiometria: M. Lausarot, G. Vaglio, "Stechiometria per la chimica generale", Piccin.

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