Course Syllabus
Obiettivi
L'obiettivo di questo corso è fornire agli studenti un'ampia conoscenza di base nel campo della chimica generale e inorganica, contestualizzandola nell'ambito specifico del corso di laurea in Scienze e Tecnologie per l'Ambiente. Ciò è rilevante sia sotto il profilo della cultura scientifica generale, sia al fine dello sviluppo di competenze specifiche atte a intervenire in problematiche di rilevanza ambientale.
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. Conoscere la reattività dei diversi gruppi di elementi, nonché la loro abbondanza naturale e criticità di reperimento. 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, soluzioni tampone ed elettrochimica. Comprendere gli aspetti fondamentali di termodinamica e cinetica, alla base della sostenibilità dei processi chimici.
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. Andamenti periodici di legami e reattività chimica. Cinetica chimica (cenni) e termodinamica. Equilibrio chimico e calcolo del pH. Reazioni di ossidoriduzione in ambiente acido e basico. Elettrochimica. Elementi in natura: abbondanza e fabbisogno.
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. Andamenti periodici di legami e reattività chimica
Tendenze nella reattività e nel comportamento chimico tra i diversi gruppi della tavola periodica.
12. Cinetica chimica e termodinamica
Velocità di reazione. Catalisi. Entropia. Energia libera di Gibbs e spontaneità delle trasformazioni.
13. 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.
14. Reazioni di ossidoriduzione in ambiente acido e basico
Metodo delle semireazioni.
15. Elettrochimica
Celle elettrochimiche. Energia libera e lavoro elettrico. Batterie. Celle elettrolitiche.
16. Gli elementi in natura
Abbondanza naturale degli elementi. Cenni ai cicli di carbonio e azoto. Criticità nell'approvvigionamento di alcuni elementi.
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 è così articolato:
-24 lezioni teoriche in presenza da 2 ore in modalità erogativa completate da
-8 sessioni da 2 ore di esercitazioni in aula (modalità interattiva) dedicate allo svolgimento di problemi di stechiometria,
-4 ore di svolgimento di problemi di stechiometria in ambiente moodle in forma di didattica interattiva, da remoto, asincrona.
Materiale didattico
Saranno periodicamente resi disponibili appunti, 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:
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
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Non sono previste previste prove in itinere o prove parziali. La valutazione del profitto consiste in una prova scritta obbligatoria e una orale facoltativa al termine del corso.
• Prova scritta: sei quesiti (due problemi di stechiometria e quattro domande a risposta aperta sugli argomenti del programma)
• Gli studenti che vogliono tentare di migliorare il loro voto (entro la misura massima del 10%) possono sostenere una prova orale.
Orario di ricevimento
Mercoledì 9-10
Si raccomanda di contattare il docente e prendere appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
This course aims to provide to the students a wide, basic knowledge in the field of General and Inorganic Chemistry, in the specific frame of the bachelor in Science and Technologies for Environment. This matters both to the general scientific knowledge and to the development of specific skills to deal with environmentally relevant problems.
Aquire fundamental definitions and concepts to the study of chemistry. Get to know the fundamental chemical and physical properties of matter in gaseous, liquid and solid state. Understand the atomic structure and relate it to the chemical reactivity. Read analitically the periodic table of elements. Know the reactivity and natural abundance of the groups of elements. Solve stoichiometry problems and balance chemical reactions. Understand the concept of chemical equilibrium and its application to solubility, titrations, buffers and electrochemistry. Familiarize with the fundamental notions of thermodynamics and kinetics, at the base of the sustainability of the chemical processes.
Contents
General definitions and notions necessary to the study of chemistry. Stoichiometry. Chemical reactions and balancing. The theory of gas and thermochemistry. Quantum theory, atomic structure and electron configuration. The chemical bond. The shape of the molecules. Covalent bond theories. Intermolecular forces. Properties of solutions. Periodic trends in chemical bonds and reactivity. Fundamental aspects of kinetics and thermodynamics. Chemical equilibrium and pH scale. Oxidation/reduction reactions in acidic and basic environment. Electrochemistry. The chemical elements in nature: abundancy and requirement.
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. Periodic trends in chemical bonds and reactivity
Trends in reactivity and chemical behavior along the groups of the periodic tables.
12. Chemical kinetics and thermodynamics.
Reaction rate. Catalysis. Entropy. Gibb's free energy and spontaneity of reactions.
13. 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.
14. Oxidoreductions in acid and basic environment.
The semireactions method.
15. Electrochemistry
Electrochemical cells. Free energy and electrochemical work. Batteries. Electrolitic cells.
16. The elements in nature
Natural abundance of the elements. Basic aspects of carbon and nitrogen cycles. Critical requirements of some elements.
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 of:
-24 theoretical lectures (2 hours each) in presence, delivered teaching
-8 sessions (2 hours each) of interactive teaching in presence, devoted to the solution of stoichiometry problems
-4 hours of interactive remote activities delivered asinchronically in Moodle environment and also dedicated to stoichiometry exercises.
Textbook and teaching resource
Notes, 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
Second semester
Assessment method
The assesment is based exclusively on the final exam at the end of the course, consisting of a written test (mandatory), followed by an oral colloquium (elective).
• Written test: six questions (two stoichiometry problems, and four open-ended questions over the whole program)
• The students who aim at improving their mark (up to 10% maximum) are invited to an oral colloquium.
Office hours
Wednesday from 9 to 10 am.
Please contact the teacher and arrange an appointment.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Sergio Paolo Tosoni
