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  1. Science
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  3. Scienze e Tecnologie Geologiche [E3401Q]
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  5. A.A. 2020-2021
  6. 1st year
  1. General and Inorganic Chemistry
  2. Summary
Course summary syllabus
Insegnamento Course full name
General and Inorganic Chemistry
Course ID number
2021-1-E3401Q004

Course Syllabus

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Obiettivi

Il corso si prefigge come obiettivo quello di fornire allo studente le conoscenze di  base  inerenti la struttura della materia, la reattività chimica, e le proprietà dei principali elementi e composti inorganici, con particolare riferimento alle applicazioni in geologia. Il corso inoltre vuole fornire allo studente  la capacità di risolvere semplici problemi di stechimetria.

Conoscenza e capacità

Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito una buona conoscenza:

sulle grandezze fondamentali della chimica quali la massa atomica e la mole

sulla struttura elettronica degli atomi e le loro proprietà in relazione alla tavola periodica

sulle teorie del legame chimico e i principi che regolano il modo in cui gli atomi si combinano tra di loro

sulla natura delle forze intermolecolari e gli stati della materia

sugli scambi di energia associati a trasfomazioni fisiche e chimiche, e sui criteri per determinare la spontaneità di un processo

sulle transformazioni di stato e la loro dipendenza dalle variabili termodinamiche

sulle  proprietà delle miscele omogenee ed eterogenee

su nozioni di base di reattività chimica e sulle principali classi di reazioni chimiche (reazioni redox, acido-base, di precipitazione)

sui principi generali dell'equilibrio chimico e della cinetica chimica

su nozioni di base di elettrochimica

sulla chimica descrittiva di alcuni tra gli elementi maggiormente distribuiti in natura.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate

Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:

scrivere correttamente una reazione chimica e eseguire semplici calcoli ponderali

Prevedere il comportamento e classificare le sostanze sulla base della loro natura chimica

Prevedere i tipi di legame e la forma tridimensionale di molecole semplici

Prevedere la spontaneità di una trasformazione chimica, valutare gli scambi energetici associati a tale trasformazione e individuare le condizioni di equilibrio.

Descrivere il comportamentodi acidi, basi, loro miscele, e di specie che formano sali poco solubili in soluzione acquosa

Autonomia di giudizio

Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:

Saper descrivere le caratteristiche e le proprietà delle sostanze e saper mettere in relazione tali proprietà con la loro reattività;

Abilità comunicative

Saper descrivere in forma scritta in modo chiaro e sintetico ed esporre oralmente con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate.

Capacità di apprendere

Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, ed approfondire gli argomenti trattati nel corso


Contenuti sintetici

La materia. La teoria atomica. Il concetto di mole e la costante di Avogadro. I composti chimici. Nozioni di nomenclatura. Le reazioni chimiche. La struttura elettronica dell’atomo. Le proprietà periodiche degli atomi. Il legame ionico e il legame covalente. I solidi e la teoria delle bande. I gas. Termodinamica chimica. Liquidi, solidi, forze intermolecolari. Le soluzioni. Proprietà colligative delle soluzioni. Cinetica chimica. Equilibrio chimico. Acidi e basi (Definizioni di Arrhenius e di Brønsted-Lowry. Definizione di pH. Equilibri acido-base. Titolazioni. Indicatori). Equilibri di solubilità. Ioni complessi. Acidi e basi di Lewis. Elettrochimica. Chimica dell’idrogeno e degli elementi del blocco s. Chimica degli elementi del blocco p. Chimica degli elementi di transizione.

Programma esteso

Struttura elettronica dell’atomo. Il modello di Bohr. Lo spin dell'elettrone. Il principio di Heisenberg e l'equazione di Schrodinger. Orbitali atomici.

Tavola periodica e proprietà periodiche degli elementi; energie di ionizzazione, affinità elettroniche, polarizzabilità, raggi atomici e ionici.

Il legame chimico: legami ionici e covalenti. La struttura elettronica e la forma delle molecole: formule di Lewis e regola dell'ottetto, risonanza e composti ipervalenti,  teoria VSEPR. Teoria del legame di valenza; orbitali ibridi e legami sigma e pi-greco.  Cenni sulla descrizione del legame chimico mediante la teoria degli orbitali molecolari.

Massa atomica e molecolare. Concetto di mole, Le reazioni chimiche, i coefficienti steechiometrici e il bilanciamento delle reazioni. Calcoli ponderali per la determinazione della massa di prodotti; reagente limitante. Reazioni in soluzione acquosa; reazioni di precipitazione, reazioni acido-base, reazioni di ossido-riduzione e loro bilanciamento. Modi per l’espressione della concentrazione delle soluzioni.

Le forze intermolecolari: forze di dispersione, forze dipolo-dipolo, forze ione-dipolo e legame ad idrogeno.

I sistemi chimici macroscopici e la termodinamica: definizione di sistema di stato termodinamico e di funzione di stato. Primo principio della termodinamica; calore lavoro, energia interna, e entalpia. La legge di Hess, lo stato standard  e le entalpie di formazione e di reazione.

Stati della materia e trasformazioni di stato. Stato gassoso; gas ideali e miscele gassose. Cenni di teoria cinetica dei gas e equazione di Maxwell-Boltzmann sulla distribuzione delle velocità

Lo stato solido; i cristalli, il reticolo cristallino  e la cella elementare. Classificazione dei solidi e loro proprietà; solidi ionici, solidi metallici, solidi covalenti, solidi metallici e solidi molecolari. La teoria delle bande ; conduttori semiconduttori e isolanti.

Lo stato liquido; proprietà, tensione di vapore dei liquidi e dipendenza dalla temperatura, trasformazioni di stato e diagrammi di fase.

Le soluzioni; metodi per esprimere la concentrazione di una soluzione, propietà colligative delle soluzioni, legge di Raoult innalzamento ebullioscopico, abbassamento crioscopico e pressione osmotica.

Cenni di cinetica chimica: velocità di reazione, energia di attivazione e cammini di reazione. Teoria dello stato attivato e catalisi. Equazione cinetica e ordine di reazione.

L'equilibrio chimico. Costanti di equilibrio in funzione della concentrazione, della pressione parziale e della frazione molare. Equilibri in fase gassosa. Metodo per calcolare la quantità di reagenti e prodotti all'equilibrio. Il principio di LeChatelier e gli effetti sull'equilibrio chimico di una variazione di concentrazione, di temperatura e di pressione. Equilibri eterogenei.

Le soluzioni acquose. Il processo di autoprotolisi dell’acqua, prodotto ionico e equilibri in soluzione acquosa. Teoria degli acidi e delle basi: definizione di Arrhenius, Brønsted e Lewis. Definizione di pH. Metodi per il calcolo del pH e della composizione di una soluzione di un acido e di una base. Soluzioni tampone e loro applicazione. Equilibri di idrolisi dei sali. Metodi per la determinazione della concentrazione  di più specie in una soluzione acquosa. Titolazioni acido-base e indicatori.

La solubilità dei sali e il prodotto di solubilità. Metodi per il calcolo della solubilità di un sale. Effetto dello ione comune. Effetto del pH sulla solubilità di un sale.

Secondo principio della termodinamica, ciclo di Carnot, entropia e energia libera di Gibbs. Criteri per determinare la spontaneità di una reazione.

Elettrochimica: celle galvaniche, l’elettrodo SHE, i potenziali standard di riduzione, l’equazione di Nernst.


Chimica descrittiva dei principali elementi dei gruppi principali: idrogeno, boro, carbonio, azoto, ossigeno, silicio, zolfo, fosforo, alluminio, metalli alcalini e alcalino-terrosi.

Cenni di chimica dei metalli di transizione e di chimica dei composti di coordinazione.

Le lezioni sono accompagnate da esercitazioni numeriche.


Prerequisiti

Nozioni di base della meccanica.

Nozioni matematiche di base (algebra, esponenziali, logaritmi, trigonometria).

Familiarità con le  unità di misura e i fattori di conversione


Modalità didattica

Lezioni teoriche in aula (7 cfu) e esercitazioni numeriche sugli argomenti trattati nelle lezioni teoriche (1 cfu; 10 ore).

Il corso è supportato da attività di tutoraggio, con modalità decise autonomamente dal tutor e dai partecipanti.

In caso di emergenza COVID, il corso sarà tenuto tramite lezioni asincrone registrate e caricate su Elearning

Materiale didattico

Libri di testo:


M. S. Silberberg S. Licoccia "Chimica. La natura moleculare della materia e delle sue trasformazioni" Ed. McGraw-Hill

Lucidi e dispense tematiche reperibili sul sito e-learning

Periodo di erogazione dell'insegnamento

II semestre (marzo-giugno)

Modalità di verifica del profitto e valutazione

La prima parte dell'esame è costituita da una prova  scritta in cui si richiede la soluzione di 5/6 problemi di stechiometria e la risposta a 1/0 domande aperte. Ad ogni quesito sarà attribuito un punteggio compreso tra 0 e 5. Saranno ammessi al colloquio orale gli studenti che avranno ottenuto un punteggio almeno pari a 16.

Gli studenti che hanno ottenuto una valutazione maggiore o uguale a 16 alla prova scritta sono ammessi alla seconda parte dell'esame che cosiste in una colloquio orale con la risposta a domande sulle tematiche trattate nel corso.


In caso di emergenza COVID l'esame sarà solo orale, sostenuto su piattaforma Webex.

L'esame sarà preceduto da una domanda di ingresso di carattere pratico/numerico volta a verificare l'acquisizione di concetti basilari quali la nomenclatura, la capacità di interpretare e prevedere le formule chimiche, la capacità di bilanciare equazioni chimiche,

Orario di ricevimento

Sempre, preferibilmente previo appuntamento per telefono o e-mail

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Aims

The aims of the course are to provide the students the baisc knowledge concerning the structure matter, the chemical reactivity and the properties of the most important elements and chemical compounds, with a special enphasize  to applications in the field of geology. Teh course also would provide the student with basic skills in solving stechiometric problems.

Knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:

on the foundamental chemical properties such atomic mass and mole

on the electronic structure of atoms and their periodic properties

on the bond theories and the principles that regulate atom binding

on the nature of intermolecular interactions and their relation with the states of matter

on the energy transfer related to physical and chemical transformations, and the criteria to evaluate the spontaneity of a process.

on the properties of the different states of the matter and their law governing their transformations

on the properties of homogeneous and heterogeneous mixtures

on  the ground concepts of chemical reactivity and the main classes of reactions (redox, acid-base, precipitation etc)

on the general principles of the chemical equilibria and chemical kinetics

on the ground elements of electrochemistry

on the descriptive chemistry of the most important elements


Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student is able to:

write correctly a chemical reaction and perform simple stoichiometric calculations

Understand the behaviour and classify the substances on the basis of their chemical nature

Understand the bond types and tridimensional shapes of simple molecules

Predict the spontaneity of a chemical reaction, evaluate the energy tranfer related to such chemical transformation and describe the condition for the chemical equilibrium

Evaluate the behaviour of acids, bases and their mixtures in aqueous solutions, as well as the behavior of chemical species that produce insoluble salts

Making judgements
At the end of the course the student is able to apply the learned knowledge in different contexts than those presented during the course, and  to elaborate on the topics of the course

Communication skills
At the end of the course the student should be able to describe a report in a clear and concise way, as well as to explain orally with a suitable language the objectives, the procedures and the results of the elaborations carried out.

Learning skills
At the end of the course the student should be able to apply the acquired knowledge to different contexts than those discussed during the course.


Contents

Matter, atomic theory, atomic and molecular mass, Avogadro constant and mole. Chemical compounds. Chemical nomeclature. The electronic structure of atoms and molecules. Atomic periodic properties. Ionic and Covalent bond. Bond theories; Lewis formalism, Valence Bond, and Molecular Orbital theories. Intermolecular interactions. Solids and Band theory. Gas. Thermochemistry. Mixtures and aqueous solutions. Colligative properties of solutions. Chemical kinetics. Chemical equilibrium and LeChatelier principle. Acids and bases (Arrhenius and Brønsted-Lowry definition, pH buffer solutions salt idrolysis, titrations, indicators). Solubility of salts and solubility product. Lewis acids and bases; complex ions. Redox reactions, Electrochemistry. Descriptive chemistry of main groups elements. Stoichiometry

Detailed program

The electronic structure of atoms.  Bohr model, electron spin. Heisenberg principle and Schrodinger equation. Atomic orbitals.

The periodic table and the periodic properties of the elements; ionization energies, electron affinities, polarizabilities, atomic and ionic radii.

The chemical bond: ionic and covalent bonds. The electronic and geometrical structure of molecules; The Lewis formalism and the octect rule, resonance and hypervalent compounds, VSEPR theory. Valence bond theory, hybrid orbitals and sigma and pi bonds. Basic of molecular orbitals theory.

Atomic and molecular mass. Concept of mole. Chemical reactions, stoichimetric coefficients and  and procedures to balance a reaction.  Classes of  reactions. Stoichiometric calculations to determine the mass of reagents and products, limiting reactant. Reactions in aqueous solution; precipitation reactions, acid-base reactions, redox reactions. Physical and chemical modes for the expression of concentrations.

Intermolecular interactions; dispersion interactions, dipole-dipole interactions, dipole-ion interactions, H-bonds.

The macroscopic chemical systems and basic of thermochemistry: definition of thermodynamic state of a system, state functions. Internal energy, work, heat and the first principle of thermodynamics. Enthalpy and Hess law. Standard state of a compound, reaction and formation sthandard enthalpies.

The states of the matter and state transformations. The Gas state; ideal and real gases, gaseos mixtures and Dalton law. Basic on the kinetic theory of gases and Maxwell-Boltzmann equation.

The solid state. The crystal lattice and the unit cell of a crystal.Classification of solids on the bases of their structure; ionic solids, metallic solids and band theory, covalent solids and molecular solids. Conductors, semiconductors and insulators.

The liquid state; properties of liquids, vapor pressure and Clausius-Claypeiron equation. Phase diagrams and phase rule.

Solutions and colligative properties of solutions; Raoult law, boiling point elevation and freezing point depression, osmotic pressure.

Basic of chemical kinetics; reaction rate, activation energy and reaction pathways. Transition state theory, velocity law and reaction order, Arrhenius equation, catalysis.

The chemical equilibrium. Equilibrium constants as a function of concentrations, partial pressure and molar fractions. Equilibria in gas phase; methods to determine the amount of reactants and products at the equilibrium conditions. The LeChatelier principle and the effects on the equilibrium due to changes in the reactants and products amounts, temperature and pressure. Heterogeneous equilibria.

Acid and base theories; Arrhenius, Brønsted and Lewis definitions of acids and bases. Water protolysis and ionic product of water. pH and methods to calculate the pH and acids and bases. Buffer solutions and their applications. Idrolysis of salts. General method for the calculation of the concentration of species in a complex aqueous solution. Acid-base titrations and indicators

Solubility of salts and solubility product. Methods to calculate the solubility of a salt in aqueous solution. Common ion effect. Effect of pH on the solubility of a salt. 

Second principle of thermodynamics; Carnot cycle, entrophy and Gibbs free energy. Methods to determine the spontaneous direction of a reaction. statistical definition of entrophy and the Boltzmann equation.

Electrochemistry; galvanic cells, the SHE electrode, standard reduction potentials and the Nernst equation.

Descriptive chemistry of the main elements; hydrogen, boron, carbon, nitrogen, oxygen. silicon, sulphur, phosphorous, alluminium, alkaline- and alkaline-earth metals

Basic of the transition metal chemistry and coordination compounds.

Prerequisites

Basic concept of mechanics

Basic mathematical concepts (algebra, exponential logarithms, trigonometry)

Units, conversion factors and dimensional calculations


Teaching form

Lectures in classroom (6 cfu; 42hours) and exercises on the topics of the lectures (2 cfu; 24 ore).

Tutoring activity, organized by the participants

Textbook and teaching resource

Textbooks:

M. S. Silberberg S. Licoccia "Chimica. La natura moleculare della materia e delle sue trasformazioni" Ed. McGraw-Hill


Slides shown during the lectures and notes on selected topics are available on the e-learning web-site 

Semester

II semester (march - june)

Assessment method

The examination is divided into two parts. The first step is a written examination based on the solution of 5/6 exercises and the answer to 1/0 open questions. A score 0/5 is assigned to each question.

Students with a score equal or higher to 16 are admitted to the oral examinations with questions on the topics of the course

Office hours

Always, by appointment by phone or e-mail

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Key information

Field of research
CHIM/03
CFU
8
Term
Secondo Semestre
Activity type
Obbligatorio
Course Length (Hours)
72
Degree Course Type
Corso di Laurea Triennale

Students' evaluation

View previous A.Y. evaluation

Enrolment methods

  • Manual enrolments
  • Self enrolment (Student)

Staff

    Teacher

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    Mattia Buizza
  • Picture of Roberto Della Pergola
    Roberto Della Pergola
  • Picture of Heiko Lange
    Heiko Lange

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