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CHIMICA

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Chemistry

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Anno accademico 2015/2016

Codice dell'attività didattica
MFN0611
Docenti
Prof. Maria Cristina Paganini (Titolare del corso)
Prof. Mario Chiesa (Titolare del corso)
Corso di studi
Corso di Laurea in Scienze Geologiche
Anno
1° anno
Periodo didattico
Primo semestre
Tipologia
Di base
Crediti/Valenza
10
SSD dell'attività didattica
CHIM/03 - chimica generale e inorganica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
MODULO 1: CHIMICA GENERALE DI BASE
Conoscenze matematiche e fisiche di base
MODULO 2: APPLICAZIONI DELLA CHIMICA
Elementi di calcolo
Easy Calculation ability
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

MODULO 1:

Il modulo 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. Sono parte integrante di tale approccio le nozioni di stechiometria basata sul concetto di mole, le configurazioni elettroniche degli atomi e conseguentemente le proprietà degli elementi, i concetti basilari sul legame chimico, le interazioni tra molecole, e la comprensione delle leggi che regolano gli stati di aggregazione della materia. Sono previste esercitazioni di stechiometria elementare.

MODULO 2:

Il modulo si propone di approfondire l’applicazione di principi di chimica tematiche di scienze geologiche.

Modul1: Basis of chemistry. Concepts of stoichiometry, of mole and
electronic configurations, chemical bonds and interactions between
molecules and atoms.
Modul 2:
Application of the chemistry to the geology.

 

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Risultati dell'apprendimento attesi

MODULO 1:

Utilizzo disinvolto del concetto di mole. Relazione fra configurazione elettronica degli elementi e loro proprietà, e di conseguenza uso delle formule di struttura di Lewis delle molecole. Concetti base di termodinamica.

MODULO 2:

Conoscenza delle materie affrontate. Abilità nella risoluzione dei problemi di stechiometria associati a tali materie. Capacità critica di interpretazione dei diagrammi di stato.

 

Modul 1: Use of mole concept, relationship between electronic
configuration of elements and their properties. Basis of thermodynamic.
Modul2: Application of stoichiometry to different problems of geological
interests (phase diagrams, solubility, miscibility)

 

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Modalità di insegnamento

La metodologia didattica impiegata consiste in:

MODULO 1:

Lezioni frontali (N. ore): 34

Esercitazioni in classe (N. ore): 12

MODULO 2:

Lezioni frontali (N. ore): 40

 Modul 1:
lectures 34 h
exercise 12 h

Modul 2:
lectures 40 h

 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame è costituito da una prova scritta obbligatoria ed una orale facoltativa, che vertono su tutto il programma svolto.
La prova scritta è costituita da esercizi e domande (5 domande di teoria che valgono 2 punti ciascuna e 5 esercizi che valgono 4 punti ciascuno), ed è valutata in trentesimi. L'ammissione alla prova orale è subordinata al superamento della prova scritta. Per superare la prova scritta occorre conseguire un punteggio di almeno 18/30.
La prova orale consiste in un colloquio sugli argomenti svolti durante il corso e prevede, in particolare:
- l'eventuale discussione della prova scritta sostenuta;
- l'eventuale svolgimento di esercizi;
- l'esposizione di argomenti trattati nel corso.
La prova scritta ha validità per un anno solare. Nel caso lo studente decida di sostenere anche la prova orale e il risultato non sia soddisfacente, anche la prova scritta dovrà essere sostenuta nuovamente.
The exam consists of a written test and an optional oral, that relate to the entire program.
The written test consists of questions and exercises (5 theory questions worth 2 points each and 5 exercises that are worth 4 points each), and ranked thirty. Admission to the oral test is conditioned by the written test. To pass the written exam must achieve a score of at least 18/30.
The oral examination consists of an interview on the arguments developed during the course and provides, in particular:
- Any discussion of the written test supported;
- The possible conduct of exercises;
- Exposure of the topics covered in the course.
The written test is valid for one academic year. If the student decides to support even the oral test and the result is not satisfactory, even the written test will be supported again.

 

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Programma

MODULO 1:

Fondamenti di Chimica. Classificazione della materia: sostanze e miscugli. Materia ed energia. Stati di aggregazione. Natura atomica della materia. Leggi di Lavoisier e Dalton. Simboli degli elementi e formule dei composti. Massa atomica ed unità di massa atomica. Isotopi. Difetto di massa. Cifre significative. Molecole. Massa molecolare. Mole e costante di Avogadro. Formula minima molecolare e di struttura. Isomeria. Analisi elementare. Reazioni chimiche e bilanciamento.  Ioni.

Struttura atomica. Numeri quantici ed orbitali atomici. Atomi polielettronici e principio di Aufbau. Configurazioni elettroniche. Proprietà periodiche e tavola periodica di Mendeleev.  Energia di ionizzazione. Affinità elettronica ed elettronegatività. Numeri di ossidazione. Srechiometria e Reazioni di ossidoriduzione.

Legame chimico. Legame ionico. Legame covalente. Relazione fra tipo di legame e proprietà fisiche. Energia di legame. Distanze ed angoli di legame. Formule di Lewis, regola dell’ottetto e risonanza. Ibridazione. Mmodello VSEPR. Legami σ e π. Mesomeria e Risonanza. Polarità dei legami. Legame a idrogeno

La nomenclatura inorganica. Proprietà chimiche degli ossidi, dell’idrogeno e degli idruri, dei metalli alcalini, dei metalli alcalino-terrosi, dei metalli di transizione e degli elementi principali. Cenni di geochimica.

Stato gassoso. Pressione, Volume, Temperatura. Leggi di Boyle, Charles e Gay-Lussac. Equazione di stato dei gas ideali. Principio di Avogadro. Miscele gassose e legge di Dalton delle Pressioni parziali. Gas reali (equazione di Van der Waals). Fenomeni critici. Miscele di gas ed esercizi sulla legge di Dalton.

Termodinamica e termochimica. Stato di equilibrio di un sistema. Grandezze di stato. Capacità termica, calore specifico. Principio di conservazione dell’energia. Stato standard. Entalpie di formazione e di reazione. Legge di Hess. Capacità termica e calore specifico. Calore sensibile e calore latente. Entropia ed energia libera. Secondo principio della termodinamica. Dipendenza dell’energia libera dalle altre funzioni di stato.

Soluzioni. Le unità di concentrazione. Solubilizzazione. Equilibrio chimico. Legge di azione di massa. Costanti di equilibrio. Principio di Le Chatelier. Spostamento di equilibri. Acidi e basi. Equilibri in soluzione. Le teorie di Arrhenius, Brönsted-Lowry e Lewis. Dissociazione dell'acqua. La scala di pH. Calcolo del pH di acidi e basi forti, calcolo del pH di acidi e basi deboli. Idrolisi e soluzioni tampone. Equilibrio soluto/soluzione. Prodotto di solubilità. Effetto dello ione comune.

MODULO 2:

Cinetica Chimica:

Velocità media e istantanea di una reazione chimica. Fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica: concentrazione (definizione di ordine di reazione) e temperatura. Reazioni di ordine 0 e 1. Meccanismi di reazione. Energia di attivazione, Equazione di Arrhenius. Catalisi omogenea e eterogenea

Chimica nucleare:

Energia delle reazioni nucleari -Energia di legame per nucleone -Abbondanze degli elementi sulla terra in relazione alla stabilità dei nuclei -Tipi di radiazioni ionizzanti (particelle a, b-, b+, raggi g, raggi X) e processi di decadimento -Relazione energia media di legame per nucleone/abbondanze degli elementi -Stabilità dei nuclidi -Serie di decadimento radioattivo -Velocità e legge del decadimento radioattivo-Attività di una sorgente-Sorgenti poliisotopiche: equilibrio secolare. -Semivita dei nuclidi -Contatore Geiger-Müller -Datazioni radiometriche – Orologi per la geocronologia (14C, 238U ® 206Pb, 40K ® Ar)

Elettrochimica:

Equivalenti di ossidanti e riducenti -Tipi di conduttori elettrici: metalli, soluzioni di elettroliti, sali fusi -Celle elettrolitiche e galvaniche -Leggi di Faraday -Produzione di alluminio, magnesio, sodio-Elettrolisi di una salamoia-Raffinazione del rame-Elettrodeposizione di argento.-Pila Daniell-Forza elettromotrice e potenziali standard-Equazione di Nernst e celle a concentrazione.-Potenziali redox in geologia: misura del potenziale redox e diagrammi Eh-pH

Elementi di Chimica organica:

Idrocarburi saturi e insaturi (alcani, alcheni, alchini), idrocarburi aromatici. -Alcoli e fenoli, eteri, acidi carbossilici, ammine, composti eterociclici-Grassi e oli, carboidrati.--Composizione e origine del petrolio e del carbone

Passaggi di stato:

Tensione di vapore di un liquido e di un solido-Equilibri eterogenei: definizione di fase, ordine, varianza e regola delle fasi.-Diagramma di stato di un sistema ad un componente e tre fasi (CO2, H2O) e curve di riscaldamento/raffreddamento.-Equazione di Clausius-Clapeyron-Metastabilità, allotropia, enantiotropia, monotropia.-Diagramma di stato di un sistema ad un componente e 4 fasi (Zolfo).-Proprietà colligative-Legge di Raoult per soluzioni ideali: soluto non volatile + solvente, due componenti entrambi volatili.-Legge di Raoult per soluzioni reali: due componenti entrambi volatili completamente miscibili.-Sistemi binari: due componenti volatili completamente miscibili; diagrammi isotermi, isobari e curve di raffreddamento.-Distillazione frazionata: distillazione del petrolio-Cristallizzazione/solidificazione frazionata-Miscele azeotropiche: diagrammi isotermi, isobari e di raffreddamento, distillazione e cristallizzazione frazionata.-Intersezioni tra diagrammi di stato-Lacune di miscibilità allo stato liquido e solido.-Intersezioni tra diagrammi di stato e lacune di miscibilità (miscele peritettiche ed eutettiche)-Miscibilità totale allo stato liquido e nulla allo stato solido: punto eutettico e eutettoide, sistema sale + Acqua, miscela frigorifera,sistemi con due forme cristalline dello steso componente, sistemi con formazione di un composto con punto di fusione congruente e inconguente.- Diagrammi di Stato ternari (cenni)

Cenni sullo stato solido:

Proprietà fisiche dei solidi-Solidi amorfi – solidi cristallini-Definizione di un cristallo, reticolo cristallino, cella elementare, parametri di cella, reticoli di Bravais, struttura cristallina.

-Polimorfismo, allotropia, isomorfismo-Tipologie di cristalli: cristalli molecolari, a reticolo covalente, ionici e metallici-Numero di coordinazione.-Energia reticolare per un reticolo covalente e uno ionico (costante di Madelung).-Strutture compatte: reticolo esagonale compatto, cubico compatto, cubico a corpo centrato.-Geometria degli interstizi. Strutture correlate ai reticoli compatti: relazione tra i raggi ionici e la geometria della cavità occupata dal catione.

Module I

Fundamentals of chemistry. Substances, mixtures. Matter and Energy. Physical states of matter. Lavoisier and Dalton laws. Symbols of elements and formulae of compounds. Atomic mass and atomic mass unity. Isotopes. The concept of molecule and the molecular mass. Avogadro’s number. Molecular empiric and structural formulae. Balancing of chemical reactions. Atomic structure. Quantum numbers and atomic orbitals. The Aufbau principle. Electronic configurations. Periodic table and properties. Atomic radii. Ionization energy. Electron affinity. Electronegativity. Oxidation numbers. Redox reactions. Chemical bond: ionic and covalent bonds. Binding energy. Distances and angles of bonds. Lewis formulae and the octet rule. Hybridization. The VSEPR model. s and p bonds. Polarity of bonds. The hydrogen bond. Nomenclature of inorganic compounds. Properties of oxides, of hydrogen, of hydrides, of metals and of the most important elements. The gaseous state: pressure, volume, temperature. Boyle, Charles and Gay-Lussac laws. Equation of state of ideal gases. Dalton law of partial pressures. Van der Waals equation. Thermodynamic and thermochemistry. Thermal capacity and specific heat. The principle of conservation of energy. Formation and reaction enthalpies. The Hess law. Entropy and free energy. Second and third principles of thermodynamics. Solutions. Units of concentration. Solubility. The chemical equilibrium. Equilibrium constant. Principle of Le Chatelier. Acids and bases. Theories of Arrhenius, Bronsted-Lowry and Lewis. Dissociation of water. The pH concept. pH of solutions of strong and weak acids and bases. Hydrolysis equilibrium and buffer solutions: determination of pH. Equilibrium of solubility.

Module II

Chemical kinetics. The rate of a chemical reaction. Factors influencing the reaction rate. Reaction order. Reaction mechanism. Activation energy. Equation of Arrhenius. Homogeneous and heterogeneous catalysis. Nuclear chemistry. Types of radiation decays. Electrochemistry. Electrolysis and voltaic cells. The Faraday law. The Nernst equation. Elements of organic chemistry. Saturated and unsaturated hydrocarbons. Aromatic hydrocarbons. Alcohols, ethers, carboxylic acids, amines, fats, oils, carbohydrates. Transition of states. Vapor pressure of liquid and solids. Heterogeneous equilibrium. Variance. The phase rule. State diagram of a single- and of a three-component system. The equation of Clausius-Clapeyron. Metastability, allotropy. The Raoult law. Azeotropes. The solid state. Physical properties of solids. Amorphous and crystalline solids. The crystalline lattice and the elemental cell. Types of crystals: molecular, covalent, ionic, metallic.

 

 

Testi consigliati e bibliografia

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Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile presso: Sito web del corso
E' consigliato l’utilizzo del seguente materiale per approfondimenti e integrazioni:
Nivaldo Tro, Introduzione alla Chimica, Pearson editori, 2013
P. Atkins e L. Jones, Fondamenti di chimica generale, Zanichelli editore, 2014
Kotz, Treichel, Townsend, Chimica, EdiSES, quinta edizione.
Michelin Lausarot, -Vaglio, Stechiometria, Piccin Editore

All the slides are available on the web site of the coirse. The following texts are advised:
Nivaldo Tro, Introduzione alla Chimica, Pearson editori, 2013-05-27
P. Atkins e Loretta Jones, Principi di Chimica, Zanichelli editore, terza edizione italiana 2012
Kotz, Treichel, Weaver, Chimica, EdiSES, quarta edizione.
Michelin Lausarot, -Vaglio, Stechiometria, Piccin Editore



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Orario lezioni

GiorniOreAula
Lunedì9:00 - 10:00Aula Palazzina Dipartimento di Scienze della Terra
Martedì9:00 - 11:00Aula Palazzina Dipartimento di Scienze della Terra
Mercoledì11:00 - 13:00Aula Palazzina Dipartimento di Scienze della Terra
Giovedì9:00 - 11:00Aula Palazzina Dipartimento di Scienze della Terra
Lezioni: dal 28/09/2015 al 15/01/2016

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Ultimo aggiornamento: 16/11/2015 10:40
Location: https://geologia.campusnet.unito.it/robots.html
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