Course Syllabus
Obiettivi
Obiettivi generali
L'obiettivo del corso è fornire agli studenti le conoscenze di base riguardanti la struttura della materia, i principi chimici e la reattività chimica, gli aspetti stechiometrici nelle reazioni, la teoria degli equilibri, la teoria degli acidi e delle basi, e le proprietà dei più importanti elementi e sostanze chimiche. composti. Pur ponendo ovviamente particolare enfasi sugli aspetti chimici legati al campo della geologia, il corso discuterà anche, ove opportuno, la rilevanza degli aspetti trattati in termini di aspetti ambientali.
Conoscenza e capacità
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito una buona conoscenza:
- sulla materia, teoria atomica, massa atomica e molecolare, importanza della costante di Avogadro e uso delle moli.
- sui composti chimici. nomenclatura chimica, struttura elettronica di atomi e molecole, proprietà periodiche atomiche, legame ionico e covalente, teorie del legame, formalismo di Lewis, legame di valenza e teorie dell'orbitale molecolare, interazioni intermolecolari e intramolecolari.
- sulle varie forme della materia solida come cristalli e metalli, inclusi aspetti della cristallografia e della teoria delle bande.
- sulla teoria dei gas ideali e applicazione delle leggi descrittive
- sulla termochimica e termodinamica.
- sulla stechiometria.
- su miscele e soluzioni acquose, proprietà colligative delle soluzioni, solubilità dei sali e la sua descrizione teorica tramite prodotti di solubilità, equilibri chimici e loro manipolazione secondo il principio di LeChatelier.
- sulla cinetica chimica.
- sugli acidi e basi, comprese le definizioni concettuali secondo Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis, il significato di pH, progettazione e uso di soluzioni tampone, titolazioni a fini qualitativi e quantitativi, uso di indicatori.
- sui processi ossidativi e riduttivi e loro accoppiamento.
- su nozioni di base di elettrochimica.
- sulla chimica nucleare e sui tipi di radiazioni.
- sulla chimica descrittiva degli elementi principali dei gruppi importanti della tavola periodica.
- sulle reazioni più importanti nel campo della chimica organica e su importanti biomolecole selezionate.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
- scrivere correttamente un'equazione di reazione chimica.
- eseguire semplici calcoli stechiometrici.
- comprendere il comportamento e classificare le sostanze in base alla loro natura chimica.
- comprendere i tipi di legame e le forme tridimensionali di molecole semplici.
- prevedere la spontaneità di una reazione chimica.
- valutare il trasferimento di energia relativo a tale trasformazione chimica.
- descrivere la condizione per l'equilibrio chimico.
- valutare il comportamento di acidi, basi e loro miscele in soluzioni acquose, nonché il comportamento di specie chimiche che producono sali insolubili.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
- applicare le conoscenze acquisite in vari contesti.
- trasferire concetti e approcci a nuovi campi.
- elaborare gli argomenti del corso.
Abilità comunicative
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
- analizzare un problema di chimica in modo chiaro e conciso
- spiegare con un linguaggio adeguato gli obiettivi, le procedure e 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
- le proprietà chimiche fondamentali quali massa atomica e mole
- la struttura elettronica degli atomi e le loro proprietà periodiche
- teorie del legame e principi che regolano il legame degli atomi
- la natura delle interazioni intermolecolari e la loro relazione con gli stati della materia
- il trasferimento di energia relativo alle trasformazioni fisiche e chimiche ei criteri per valutare la spontaneità di un processo
- le proprietà di miscele omogenee ed eterogenee
- i concetti base della reattività chimica e le principali classi di reazioni (redox, acido-base, precipitazione ecc.)
- i principi generali degli equilibri chimici
- cinetica chimica
- elettrochimica
- chimica nucleare
- la chimica descrittiva dei principali gruppi della tavola periodica dei elementi (blocco s, blocco p, blocco d)
- chimica organica di base.
Programma esteso
-
La struttura elettronica degli atomi; modelli di atomi di Davis, Milliken, Rutherford e Bohr; quantizzazione dell'energia, spin dell'elettrone, principio di Heisenberg, equazione di Schrödinger, orbitali atomici.
-
La tavola periodica e le proprietà periodiche degli elementi; definizioni e tendenze delle energie di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività di Pauling, polarizzabilità, raggi atomici e ionici.
-
Massa atomica e molecolare. Concetto delle moli. Reazioni chimiche, coefficienti stechiometrici e procedure per bilanciare un'equazione di reazione chimica. Classi di reazioni. Calcoli stechiometrici per determinare la massa di reagenti e prodotti, concetto di reagente limitante. Reazioni in soluzione acquosa; reazioni di precipitazione, reazioni acido-base, reazioni redox. Modi fisici e chimici per l'espressione delle concentrazioni.
-
Il legame chimico: legami ionici e covalenti. La struttura elettronica e geometrica delle molecole; Il formalismo di Lewis e la regola dell'ottetto, risonanza e composti ipervalenti, teoria VSEPR. teoria VB, orbitali ibridi e legami sigma e pi greco; basi della teoria MO.
-
Interazioni intermolecolari; interazioni di dispersione, interazioni dipolo-dipolo, interazioni dipolo-ione, legane a idrogeno.
-
I sistemi chimici macroscopici e cenni di termochimica: definizione di stato termodinamico di un sistema, funzioni di stato. Energia interna, lavoro, calore e primo principio della termodinamica. Entalpia e legge di Hess. Stato standard di un composto, reazione ed entalpie standard di formazione.
-
Gli stati della materia e le trasformazioni degli stati:
(i) Lo stato gassoso, i gas ideali e le leggi dei gas, le differenze con i gas reali, le miscele gassose e la legge di Dalton; fondamenti di teoria cinetica dei gas ed equazione di Maxwell-Boltzmann.
(ii) Lo stato solido. Il reticolo cristallino e la cella elementare di un cristallo. Classificazione dei solidi in base alla loro struttura; solidi ionici, solidi metallici e teoria delle bande, solidi covalenti e solidi molecolari. Conduttori e isolanti, sostanze paramagnetiche e diamagnetiche.
(iii) Lo stato liquido; proprietà dei liquidi, tensione di vapore ed equazione di Clausius-Claypeiron. Diagrammi di fase e regola di fase. -
Soluzioni e proprietà colligative delle soluzioni; Legge di Raoult, elevazione del punto di ebollizione e depressione del punto di congelamento, pressione osmotica. Azeotropi e miscele eutettiche.
-
Fondamenti di cinetica chimica; velocità di reazione, energia di attivazione e vie di reazione. Teoria dello stato di transizione, legge e ordine o reazioni della velocità, equazione di Arrhenius, catalisi.
-
L'equilibrio chimico. Costanti di equilibrio in funzione delle concentrazioni, della pressione parziale e delle frazioni molari. Equilibri in fase gassosa; metodi per determinare la quantità di reagenti e prodotti alle condizioni di equilibrio. Il principio LeChatelier e gli effetti sull'equilibrio dovuti alle variazioni delle quantità di reagente e prodotto, temperatura e pressione. Equilibri eterogenei.
-
Teorie degli acidi e delle basi; definizioni secondo Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. Autoprotolisi dell'acqua e prodotto ionico dell'acqua. pH e metodi per calcolare il pH di acidi e basi forti e deboli. Soluzioni tampone e loro applicazioni. Idrolisi dei sali e pH delle soluzioni saline. Metodo generale per il calcolo della concentrazione di specie in una soluzione acquosa complessa. Titolazioni acido-base e teoria degli indicatori.
-
Solubilità dei sali e prodotto di solubilità. Metodi per calcolare la solubilità di un sale in soluzione acquosa. Effetto ionico comune. Effetto del pH sulla solubilità di un sale.
-
Secondo principio della termodinamica; Ciclo di Carnot, entropia ed energia libera di Gibbs. Metodi per determinare la direzione spontanea di una reazione, definizione statistica di entropia ed equazione di Boltzmann.
-
Elettrochimica; le celle galvaniche, l'elettrodo SHE, i potenziali standard di riduzione e l'equazione di Nernst.
-
Chimica descrittiva dell'idrogeno, elementi a blocchi s, elementi a blocchi p, gas nobili ed elementi a blocchi d, basi di chimica di coordinazione e teoria teoria del campo cristallino.
-
Fondamenti di chimica dei metalli di transizione e composti di coordinazione.
-
Concetti principali della chimica organica, strutture delle biomolecole importanti.
Prerequisiti
- Nozioni di base della meccanica.
- Nozioni matematiche di base (algebra, esponenziali, logaritmi, trigonometria).
- Familiarità con le unità di misura e i fattori di conversion.
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-19, il corso si svolgerà tramite lezioni a distanza che verranno inoltre registrate e caricate in elearning.
Materiale didattico
-
M. S. Silberberg, S. Licoccia
Chimica. La natura moleculare della materia e delle sue trasformazioni
McGraw- Hill -
J. C. Kotz, Paul M. Treichel, J. R. Townsend
Chimica
Edises -
C. E. Housecroft, A. G. Sharpe
Inorganic Chemistry, 4ᵗʰ edition (solo in lingua Inglese)
Pearson -
diapositive e appunti mostrati durante le lezioni e materiale aggiuntivo su argomenti selezionati disponibili sul sito elearning della Bicocca.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I semestre (ottobre - gennaio)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consiste in un processo di esame in due fasi alla fine del corso. Non ci saranno prove in itinere.
- Prova scritta composta da 6 esercizi; ad ogni domanda viene assegnato un punteggio compreso tra 0 e 5 punti.
- Gli studenti con un punteggio pari o superiore al 67% del totale dei punti conseguibili (es. 20/30) sono ammessi alla obbligatoria prova orale, che consiste nella discussione di vari argomenti discussi durante le lezioni, collegando concetti e risultati.
In caso di emergenza pandemica l'esame consisterà in una prova orale soltanto, sostenuto su piattaforma Webex. In questo caso, l'esame comincerà con 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, ecc.
Orario di ricevimento
Sempre, preferibilmente previo appuntamento per telefono o e-mail.
Sustainable Development Goals
Aims
General aims
The aim of the course is to provide the students with basic knowledge concerning the structure of matter, chemical principles and chemical reactivity, stoichiometric aspects in reactions, theory of equilibria, theory of acids and bases, and the properties of the most important elements and chemical compounds. While obviously placing special emphasis on chemical aspects related to the field of geology, the course will also discuss, where appropriate, the relevance of covered aspects in terms of environmental aspects.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student will have a fundamental understanding of:
- matter, atomic theory, atomic and molecular mass, importance of Avogadro’s constant and use of moles.
- chemical compounds. chemical nomenclature, electronic structure of atoms and molecules, atomic periodic properties, ionic and covalent bonding, bond theories, Lewis formalism, Valence Bond, and Molecular Orbital theories, intermolecular and intramolecular interactions.
- various forms of solid matter like crystals and metals, including aspects of crystallography and band theory.
- theory of ideal gases and application of descriptive laws.
- thermochemistry and thermodynamics.
- stoichiometry.
- mixtures and aqueous solutions, colligative properties of solutions, solubility of salts and its theoretical description via solubility products, chemical equilibria and their manipulation according to the principle of LeChatelier.
- chemical kinetics.
- acids and bases, including conceptual definitions according to Arrhenius, Brønsted-Lowry and Lewis, the meaning of pH, design and use of buffer solutions, titrations for qualitative and quantitative purposes, use of indicators.
- oxidative and reductive process, their coupling.
- electrochemical potentials, function of batteries.
- descriptive chemistry of main group elements and transition metals.
- most important reactions in the field of organic chemistry and selected important biomolecules.
- nuclear chemistry and radiation types.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student will be able to:
- write correctly a chemical reaction equation.
- 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 transfer related to such chemical transformation.
- 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 will be able to
- apply the acquired knowledge in various contexts.
- transfer concepts and approaches to new fields.
- elaborate the topics of the course.
Communication skills
At the end of the course the student should be able to
- analyse a chemistry-related problem in a clear and concise way.
- 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
- the fundamental chemical properties such atomic mass and mole
- the electronic structure of atoms and their periodic properties
- bonding theories and the principles that regulate atom binding
- the nature of intermolecular interactions and their relation with the states of matter
- the energy transfer related to physical and chemical transformations, and the criteria to evaluate the spontaneity of a process
- the properties of homogeneous and heterogeneous mixtures
- the basic concepts of chemical reactivity and the main classes of reactions (redox, acid-base, precipitation etc)
- the general principles of the chemical equilibria
- chemical kinetics
- electrochemistry
- nuclear chemistry
- the descriptive chemistry of the main groups of the PSE (block s, block p, block d)
- basic organic chemistry
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.
(i) The Gas state; ideal and real gases, gaseos mixtures and Dalton law. Basic on the kinetic theory of gases and Maxwell-Boltzmann equation.
(ii) 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.
(iii) 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.
-
Basics of the transition metal chemistry and coordination compounds.
-
Main concepts of organic chemistry, structures of important biomolecules.
Prerequisites
- Basic physical concepts (mechanics).
- Basic mathematical concepts (algebra, exponential logarithms, trigonometry).
- Units, conversion factors and dimensional calculations.
Teaching form
- Theoretical lessons in the classroom (7 credits) and numerical exercises on the topics covered in the theoretical lessons (1 credits; 10 hours).
- The course is supported by tutoring activities, in a manner decided independently by the tutor and by the participants.
- In the event of a COVID-19 emergency, the course will be held through remote lessons that will be additionally recorded and uploaded to elearning.
Textbook and teaching resource
-
M. S. Silberberg, S. Licoccia
Chimica. La natura moleculare della materia e delle sue trasformazioni
McGraw- Hill -
J. C. Kotz, Paul M. Treichel, J. R. Townsend
Chimica
Edises -
C. E. Housecroft, A. G. Sharpe
Inorganic Chemistry, 4ᵗʰ edition (only available in English)
Pearson -
Slides shown during the lectures and notes as well as additional material on selected topics are available on the Bicocca elearning web-site.
Semester
I semester (october - january)
Assessment method
The exam consists of a two-stage examination process at the end of the course.
- Written exam comprised of 6 exercises; a score between 0 and 5 points is assigned to each question.
- Students with a score equal to or higher than 67% of the total amount of points achievable (i.e., 20/30) are admitted to the oral examination, which consists in a discussion of various topics discussed during the lectures, linking concepts and findings.
In the event of a pandemic emergency, the exam will be oral only, taken on the Webex platform. In this case, the exam will start with a practical / numerical entry question aimed at verifying the acquisition of basic concepts such as nomenclature, the ability to interpret and predict chemical formulas, the ability to balance chemical equations, etc.
Office hours
Always, after scheduling an appointment via phone or e-mail.
