Syllabus del corso
Obiettivi
Il corso di CHIMICA (E3002Q027, 12 CFU) è articolato in due moduli, da 6 CFU ognuno: CHIMICA INORGANICA (E3002Q030M, primo semestre) e CHIMICA ORGANICA (E3002Q031M, secondo semestre). L'obiettivo è fornire agli studenti un'ampia conoscenza di base di entrambi i principali ambiti della chimica. Ciò è rilevante sia sotto il profilo della cultura scientifica generale, sia al fine di comprendere il nesso tra struttura e proprietà di tutte le principali classi di materiali per l'ottica: il vetro e le soluzioni per lenti a contatto (approfonditi nell'ambito del modulo di chimica inorganica) e i materiali plastici per le lenti a contatto (oggetto del modulo di chimica organica).
Per ciascun modulo è previsto un esame separato, in forma scritta per la chimica inorganica e orale per la chimica organica. Una volta superati entrambi gli esami, verrà riportato a libretto un unico voto complessivo per l'intero corso di chimica, calcolato in base alla media di profitto nello scritto e nell'orale.
E' permesso agli studenti Erasmus provenienti da università estere selezionare anche un solo modulo nel loro piano di studi.
Modulo di Chimica Inorganica
Acquisire definizioni e concetti fondamentali dello studio della chimica. Conoscere le proprietà chimico-fisiche fondamentali della materia negli stati di aggregazione gassoso, liquido e solido. Comprendere la struttura dell'atomo e il suo nesso con la reattività chimica della specie. Leggere analiticamente la tavola periodica degli elementi. Padroneggiare la soluzione di problemi di stechiometria e bilanciamento di reazioni. Comprendere il concetto di equilibrio chimico e la sua applicazione ad equilibri di solubilità, titolazioni e soluzioni tampone. Conoscere la struttura microscopica di materiali per l'ottica, quali il vetro o le soluzioni per lenti a contatto.
Contenuti sintetici
Definizioni generali e strumenti propedeutici allo studio della chimica. Stechiometria. Reazioni chimiche e bilanciamento. Teoria dei gas e termochimica. Teoria quantistica, struttura atomica e configurazione elettronica. Il legame chimico. La forma delle molecole. Teorie del legame covalente. Forze intermolecolari. Proprietà delle soluzioni. Cinetica chimica e termodinamica. Equilibrio chimico e calcolo del pH. Reazioni di ossidoriduzione in ambiente acido e basico. La chimica dei materiali per l’ottica.
Programma esteso
1. Definizioni generali e strumenti propedeutici allo studio della chimica
Proprietà fisiche e chimiche della materia. Trasformazioni fisiche e reazioni chimiche. Stati di
aggregazione della materia. Cifre significative e arrotondamento. Teoria atomica. Formule e
nomenclatura di composti binari e ternari.
2. Stechiometria
Masse molecolari e masse formula. Mole. Massa molare e numero di Avogadro. Composizione
percentuale in massa. Soluzione dei problemi di stechiometria. Resa della reazione e reagenti
limitanti. Stechiometria in soluzione: concentrazione e molarità
3. Reazioni chimiche e bilanciamento.
Dissoluzione dei composti ionici e reazioni di precipitazione. Reazioni acido-base. Reazioni di
ossidoriduzione (metodo dei numeri d’ossidazione).
4. Teoria dei gas e termochimica
Leggi dei gas. Equazione di stato dei gas perfetti. Le leggi dei gas nei problemi di stechiometria.
Teoria cinetica dei gas. Gas reali. Trasferimento di energia, calore e lavoro durante i processi chimici.
Entalpia e calore specifico.
5. Teoria quantistica, struttura della materia e configurazione elettronica
Natura ondulatoria e corpuscolare della luce. Quantizzazione dell’energia. Modello di Bohr per
l’atomo di idrogeno. Modello atomico quantistico, numeri quantici e orbitali. Configurazione
elettronica di atomi e ioni. Periodicità chimica: raggio atomico/ionico, energia di ionizzazione,
affinità elettronica.
6. Il legame chimico
Legame metallico, ionico, covalente: principali proprietà e tendenze periodiche in energie e distanze
di legame. Elettronegatività e polarità di legame. Tendenze periodiche nella reattività
7. La forma delle molecole
Formule di Lewis, teoria VSEPR, polarità molecolare
8. Teorie del legame covalente
Teoria del legame di valenza e ibridazione degli orbitali. Teoria dell’orbitale molecolare. Orbitali leganti e antileganti. Ordine di legame. Delocalizzazione elettronica.
9. Forze intermolecolari
Aspetti quantitativi delle transizioni di fase. Pressione di vapore. Diagrammi di fase. Forze
intermolecolari. Stato liquido: tensione superficiale, capillarità, viscosità. Stato solido: reticolo
cristallino e cella elementare. Solidi cristallini e amorfi. Tipologie di legame chimico nei solidi e
conduttività elettrica.
10. Proprietà delle soluzioni
Forze intermolecolari nelle soluzioni. Aspetti energetici e termici nei processi di solubilità. Soluzioni
sature. Proprietà colligative.
11. Cinetica chimica e termodinamica
Velocità di reazione. Leggi cinetiche e ordine di reazione. Teoria delle collisioni. Stato di transizione.
Catalisi. Entropia. Energia libera di Gibbs e spontaneità delle trasformazioni.
12. Equilibrio chimico
Quoziente di reazione e costante d’equilibrio. K c e K p . Direzione di una reazione e principio di Le
Châtelier. Equilibri acido-base. Equilibri di ionizzazione. Soluzioni tampone. Risoluzione dei
problemi sui sistemi in equilibrio.
13. Reazioni di ossidoriduzione in ambiente acido e basico
Metodo delle semireazioni.
14. La chimica dei materiali per l’ottica
Il vetro: struttura chimica e proprietà fisiche. Componenti principali del vetro comune e del vetro
ottico. Vetri colorati e fotocromatismo. Soluzioni per lenti a contatto: tipi e funzioni,
parametri chimico-fisici, soluzioni per lenti idrogel.
Prerequisiti
Requisiti minimi di matematica (operazioni fondamentali, concetti di base dello studio di funzioni, proprietà dei logaritmi).
Requisiti minimi di fisica (grandezze scalari e grandezze vettoriali, leggi della termodinamica, legge di Coulomb).
Modalità didattica
Il corso prevede prevalentemente lezioni teoriche. Alcune ore sono invece dedicate allo svolgimento guidato di esercizi e problemi.
Materiale didattico
Il docente condivide solo parzialmente il materiale proiettato a lezione. Saranno periodicamente resi disponibili approfondimenti ed esercizi mediante il sito e-learning
Si consiglia vivamente di ricorrere a un libro di testo per la preparazione dell'esame.
I seguenti libri di testo costituiscono, tra gli altri, un valido supporto per la preparazione dell'esame:
R. Chang, K. Goldsby, Fondamenti di chimica generale (McGraw-Hill)
M. S. Silberberg, CHIMICA, La natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni (McGraw-Hill)
N. J. Tro, CHIMICA. Un approccio molecolare (Edises)
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Non sono previste previste prove in itinere o prove parziali. La valutazione del profitto consiste in un'unica prova scritta, così strutturata:
• Sei domande a risposta aperta (3 punti ognuna)
• Tre problemi (4 punti ognuno)
E' necessario totalizzarne almeno 18 punti per superare l'esame.
Chimica inorganica è un modulo del corso di chimica, pertanto non è prevista alcuna verbalizzazione dell'esame. Un voto complessivo verrà registrato dopo aver superato l'esame di chimica inorganica e quello di chimica organica.
E' possibile, su richiesta, effettuare l'esame in forma orale in lingua inglese.
Orario di ricevimento
Mercoledì 9-10
Si raccomanda di contattare il docente e prendere appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
The Chemistry course (E3002Q027, 12 ECTs) is splitted in two modules: INORGANIC CHEMISTRY (E3002Q030M, 6 ECTS, first semesters) and ORGANIC CHEMISTRY (E3002Q031M, 6 ECTS, second semester). The course aims at providing a wide basic knowledge on both main areas of chemistry. This is relevant both to the general scientific culture and to the comprehension of the structure/properties relationship in all the main classes of materials for Optics: glasses and solutions for contact lenses (illustrated in the Inorganic chemistry module) and plastic materials for contact lenses (organic chemistry module).
There will be a separated exam for each module, in written form for Inorganic Chemistry and oral form for Organic Chemistry. The final mark is recorded as an average of the written and oral essays, once both exams have been passed.
Incoming Erasmus students have also the possibility to include only one module in their plan.
Inorganic Chemistry Module
Acquire fundamental concepts and definitions for the study of chemistry. Get to know the fundamental physical and chemical properties of matter in its gaseous, liquid or solid state. Understand the atomic structure and its link to the chemical reactivity. Read analytically the periodic table of elements. Manage and solve stoichiometry problems and balance chemical equations. Understand the concept of chemical equilibrium and its application to solubility, titrations and buffer solutions. Get insight on the microscopic structure of materials of frequent use in optics, such as glass or solutions for contact lenses.
Contents
General definitions and preparatory tools to study chemistry. Stoichiometry. Balancing chemical equations. Gas theory and thermochemistry. Quantum theory, atomic structure and electronic configuration. Chemical bond. Molecular structure. Covalent bond theory. Intermolecular forces. Properties of solutions. Chemical kinetics and thermodynamics. Chemical equilibrium and pH. Reduction-oxidation reactions in basic and and acid environment. Materials chemistry for optics.
Detailed program
1. General definitions and preparatory tools to study chemistry.
Physical and chemical properties and transformations. Significant digits and roundoff. Atomic theory. Formulas and nomenclature of inorganic compounds.
2. Stoichiometry.
Molecular mass and formula mass. Molar mass and Avogadro's number. Problems and exercises. Reaction's yield and limiting reactant. Stoichiometry in solutions: concentration and molarity.
3. Balancing chemical equations.
Dissolution and precipitation of ionic compounds. Acid base reactions. Oxidoreductions.
4. Gas theory and thermochemistry.
The laws of gases. State equation of perfect gases. Stoichiometry and perfect gases. Kinetic theory of gases. Real gases. Exchange of energy, heat and work in chemical reactions. Enthalpy and specific heat.
5. Quantum theory, atomic structure and electronic configuration.
Wave-particle dualism of light. Quantization of energy. Bohr's model for the hydrogen atom. Quantistic atomic model, quantum numbers and orbitals. Electronic configuration of atoms and ions. Chemical periodicity: atomic/ionic radius, ionization energy, electron affinity.
6. The chemical bond.
Metallic, ionic and covalent bond: main properties and periodic trends in bond energy and distance. Electronegativity and polarity in bonds. Periodic trends in chemical reactivity.
7. Molecular structure.
Lewis formula, VSEPR theory, polarity in molecules.
8. The covalent bond theory.
Valence bond theory and hybridization of orbitals. Molecular orbital theory. Bonding and antibonding theory. Bond order. Electronic delocalization.
9. Intermolecular forces.
Quantitative aspects of phase transitions. Vapour pressure. Phase diagram. Intermolecular forces. Liquid state: surface tension, capillarity, viscosity. Solid state: crystal lattice and unit cell. Amorphous and crystalline solids. Chemical bond in solids and electric conductivity.
10. Properties of solutions
Intermolecular forces in solutions. Energetic and thermal aspects of solubility. Sature solutions. Colligative properties.
11. Chemical kinetics and thermodynamics.
Reaction rate. Kinetic laws and reaction's order. Collisions theory. Transition state. Catalysis. Entropy. Gibb's free energy and spontaneity of reactions.
12. Chemical equilibrium.
Reaction's coefficient and equilibrium constant. Direction of a reaction and Le Châtelier's principle. Acid-base equilibrium. Ionization's equilibrium. Buffer solutions. Problems and exercises.
13. Oxidoreductions in acid and basic environment. The semireactions method.
14. Materials chemistry for Optics.
Glass: chemical structure and physical properties. Main components of common glasses and optical glasses. Coloured glasses and photocromism. Solutions for contact lenses: types and functions, physico-chemical parameters, solutions for hydrogel lenses.
Prerequisites
Basic prerequisites of mathematics (fundamental operations, basic concepts in functions study, properties of logarithms).
Basic prerequisites of physics (scalar and vector quantities, laws of thermodynamics, Coulomb's law).
Teaching form
This course consists mainly of theory's lectures. A few hours are devoted to exercises and tutotials.
Textbook and teaching resource
The slides shown during the lectures are only partially shared with the students, Extra contents and exercises are shared via the e-learning platform.
It is strongly recommended to recurr to a valid textbook to prepare the exam.
Some textbooks (in English):
M. S. Silberberg, CHEMISTRY - The molecular nature of matter and change, Sixth edition (McGraw-Hill)
W. L. Masterton, C. N. Hurley, Neth. Chemistry: principles and reactions (Brooks/Cole,)
Semester
First semester
Assessment method
The assessment is based on a single written exam at the end of the course. The exam is structured as follows:
• Six open questions (3 points each).
• Three exercises (4 points each)
At least 18 points are required to pass the exam. The final mark is not registered. A global mark averaging inorganic chemistry and organic chemistry is registered once both exams are passed.
The exam can be done, upon request, in English in oral form.
Office hours
Wednesday from 9 to 10 am.
Please contact the teacher and arrange an appointment.
Sustainable Development Goals
Staff
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Sergio Paolo Tosoni
