Syllabus del corso
Obiettivi
Obiettivi generali
Il corso di Chimica Generale e Inorganica dei Materiali (6 CFU) è rivolto agli studenti del Corso di Laurea in Scienza dei Materiali. Ha lo scopo di fornire i concetti basilari della chimica al fine di poter comprendere poi le proprietà macroscopiche delle sostanze e dei composti pure e dei materiali.
Conoscenze e capacità di comprensione
Lo studente, al termine del corso, dovrà conoscere i principi base della chimica generale e della chimica dei composti inorganici.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente è in grado di:
· risolvere in modo adeguato semplici problemi di stechiometria
· valutare la stabilità/reattività di semplici composti inorganici
Autonomia di giudizio
Lo studente dovrà essere in grado di:
· scegliere la metodologia di calcolo più adeguato per lo studio del sistema di interesse
· individuare i composti più appropriati per un dato problema/reazione da affrontare.
Abilità comunicative
Lo studente alla fine del corso dovrà essere in grado di descrivere gli argomenti affrontati con proprietà di linguaggio
Capacità di apprendere
Lo studente dovrà essere in grado di affrontare i problemi e argomenti più complessi che verranno presentati nei successivi insegnamenti.
Contenuti sintetici
Il corso si propone di fornire conoscenze approfondite sulla chimica generale, necessarie per la comprensione della struttura e delle proprietà dei composti chimici di maggior interesse, nonché dei fenomeni chimici (reazioni chimiche, equilibri chimici, pH, proprietà colligative). Nel corso sono incluse esercitazioni di stechiometria in stretto raccordo con il corso di Introduzione alle Operazioni Elementari di Laboratorio e a completamento e integrazione dei concetti appresi dallo studente nella parte teorica del corso.
Programma esteso
Atomi, configurazione elettronica degli elementi e proprietà periodiche. Struttura dell’atomo, particelle fondamentali, dimensioni. Elementi e loro isotopi. Concetto di mole e numero di Avogadro, masse atomiche. Isotopi stabili e non. Moto dell’elettrone, funzioni d’onda. Orbitali atomici, loro energie, forme e dimensioni per atomi idrogenoidi e plurielettronici. Configurazioni elettroniche degli elementi, loro caratteristiche e proprietà periodiche. Volumi e raggi atomici, potenziali di ionizzazione ed affinità elettroniche. Orbitali ibridi di tipo “sp” “sp2” e “sp3”.
Molecole, composti, relazioni ponderali, legami chimici e interazioni molecolari. Molecole e formule chimiche, pesi molecolari, numero di moli. Reazioni ponderali, loro bilanciamento e calcoli ponderali nelle trasformazioni di reagenti in prodotti. Teoria del legame ionico, energia reticolare, strutture cristalline e raggi ionici. Teoria del legame di valenza, legame covalente, polarizzato, dativo. Legami multipli. Elettronegatività. Numeri di ossidazione. Formule di struttura di molecole poliatomiche. Molecole biatomiche e orbitali molecolari. Interazioni intermolecolari.
Stati di aggregazione della materia, transizioni di fase. Sistemi, numero di fasi, di componenti e gradi di libertà. Fasi e loro transizioni. Modello di gas perfetto, vapore. Solidi. Sistemi amorfi e cristallini, strutture cristalline e celle elementari. Fase liquida. Equilibri di fase. Diagramma di stato dell’acqua. Miscele binarie. Metodi di misura della concentrazione. Proprietà colligative.
Cenni di termodinamica e cinetica chimica, equilibrio chimico delle reazioni. Breve richiamo sui risultati dello studio della termodinamica e cinetica chimica. Bilancio energetico e verso spontaneo nel decorso di una reazione chimica. Condizione di equilibrio delle reazioni chimiche, costanti di equilibrio.
Reazioni di dissoluzione di soluti solidi molecolari e ionici in solventi liquidi, definizione di solubilità e prodotto di solubilità di sali.
Reazioni di idrolisi. Acidi e basi. Reazioni con trasferimento di protoni. Forza degli acidi e delle basi e relative costanti di dissociazione. Reazione di autodissociazione dell’acqua. Definizione di pH e pOH e campi di validità nelle soluzioni acquose diluite. Calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi monoprotiche.
Reazioni con trasferimento di elettroni e cenni di elettrochimica. Specie ossidate e ridotte, semireazioni di ossidazione e riduzione. Differenza di potenziale elettrodico ed equazione di Nernst. Potenziali standard di riduzione. Tipologie di elettrodi chimici. Pile e loro forza-elettromotrice.
Chimica inorganica descrittiva. Principali caratteristiche degli elementi presenti in natura. Gli elementi importanti nell'industria. Studio di caso ineteressanti per la Scienza dei Materiali.
Prerequisiti
Sono richieste le conoscenze di base del calcolo numerico e algebrico, della geometria analitica, della fisica classica, come comunemente impartiti nelle scuole superiori.
Modalità didattica
L'insegnamento da 6 CFU corrisponde a 48 ore di attività didattica.
Tutte le lezioni sono svolte in presenza in modalità erogativa.
Le lezioni sono registrate e masse a disposizione degli studenti sulla pagina e-learning del corso.
Le lezioni sono tenute in lingua italiana dal docente che presenta mediante slides power point o alla lavagna i contenuti del programma. Le slides di tutte le lezioni sono messe a disposizione degli studenti. Contestualmente agli argomenti teorici di volta in volta presentati, saranno di seguito proposti esercizi numerici esplicativi a titolo di esempio ed di esercitazione. Lo studente potrà verificare il suo livello di apprendimento attraverso una serie di quesiti, test ed esercizi, forniti in qualità di materiale didattico integrativo, durante il ciclo delle lezioni. Sebbene non sia più obbligatoria, si consiglia agli studenti una regolare frequenza alle lezioni per un più facile apprendimento dei contenuti del corso.
Materiale didattico
Chimica - Kotz, Treichel, Weaver - Edises
Martin S. Silberberg, Chimica, la natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni, Mc Graw Hill
Slides delle lezioni nel website e-learning
Periodo di erogazione dell'insegnamento
primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Colloquio orale, con votazione in trentesimi, mirante a verificare la conoscenza dei principali aspetti della chimica generale e inorganica.
Non sono previste prove in-itinere.
Il colloquio consiste in domande aperte relative agli argomenti base del programma di chimica generale riguardanti la comprensione della struttura e delle proprietà di sostanze e composti e delle reazioni e trasformazioni chimiche. Sarà verificata anche la capacità di risolvere problemi quantitativi inerenti gli argomenti del programma.
La valutazione considererà la capacità di esporre le conoscenze in modo chiaro e con proprietà di linguaggio, di rispondere alle domande dell'esaminatore e di sostenere una discussione.
La valutazione finale sarà comunicata in modo dettagliato, specificando i punti di forza e di debolezza.
La graduazione dei voti sarà la seguente:
• Voto insufficiente: non raggiunto il livello minimo di preparazione
• Voto sufficiente (18-21): raggiunto il livello minimo di preparazione, con diverse lacune
• Voto discreto (22-25): raggiunto un livello soddisfacente di preparazione, con alcune lacune
• Voto buono (26-28): raggiunto un buon livello di preparazione, con rare lacune
• Voto ottimo (29-30 e lode): raggiunto un livello eccellente di preparazione, con nessuna lacuna
Orario di ricevimento
su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
General Objectives
The course of General and Inorganic Chemistry (6 CFU) is devoted to the students enrolled to Materials Science university course. The aim of the course is to present the basic concepts of the chemistry in order to realize the macroscopic properties of the pure substances and compounds and of the materials.
Knowledge and understanding.
Students, by the end of the course, will learn the basic principles of stoichiometry and of the chemical reactions of inorganic compounds. Moreover, students will learn to know and exploit general chemistry lab equipment and glassware as well as the basic safety rules.
Applying knowledge and understanding.
By the end of the course, students will be able to solve simple problems of stoichiometry and to perform simple chemistry lab experiments.
Making judgments.
By the end of the course, students will become able to choose the methodology to study the chemistry of a selected system and to individuate proper compounds and techniques to carry out simple chemical reactions.
Communication skills.
By the end of the course, students will be able to describe the arguments of the course and to participate in stimulating discussions.
Learning skills.
By the end of the course, students will have developed the ability to solve and face with more complex exercises, arguments and experiments.
Contents
The course aims to provide in-depth knowledge of general chemistry, necessary for understanding the structure and properties of the most relevant chemical compounds, as well as chemical phenomena (chemical reactions, chemical equilibria, pH, colligative properties). The course includes stoichiometry exercises closely coordinated with the course "Introduction to Basic Laboratory Operations" and designed to complement and reinforce the concepts learned by the student in the theoretical part of the course.
Detailed program
Atoms, Electronic Configuration of Elements, and Periodic Properties.
Structure of the atom, subatomic particles, dimensions. Elements and their isotopes. Concept of the mole and Avogadro number, atomic masses. Stable and unstable isotopes. Electron motion, wave functions. Atomic orbitals, their energies, shapes, and sizes for hydrogen and multi-electron atoms. Electronic configurations of the elements, their characteristics, and periodic properties. Atomic volumes and radii, ionization potentials, and electron affinities. Hybrid orbitals of types “sp,” “sp²,” and “sp³.”
Molecules, Compounds, Stoichiometric Relationships, Chemical Bonds, and Molecular Interactions.
Molecules and chemical formulas, molecular weights, number of moles. Stoichiometric reactions, their balancing, and mass calculations in the conversion of reactants into products. Ionic bond theory, lattice energy, crystal structures, and ionic radii. Valence bond theory, covalent, polar, and coordinate bonds. Multiple bonds. Electronegativity. Oxidation numbers. Structural formulas of polyatomic molecules. Biatomic molecules and molecular orbitals. Intermolecular interactions.
States of Matter and Phase Transitions.
Systems, number of phases, components, and degrees of freedom. Phases and their transitions. Ideal gas model, vapor. Solids. Amorphous and crystalline systems, crystalline structures, and unit cells. Liquid phase. Phase equilibria. Phase diagram of water. Binary mixtures. Methods for measuring concentration. Colligative properties.
Introduction to Thermodynamics and Chemical Kinetics, Chemical Equilibrium.
Brief overview of results from the study of thermodynamics and chemical kinetics. Energy balance and spontaneous direction of chemical reactions. Equilibrium conditions of chemical reactions, equilibrium constants.
Dissolution Reactions of Solid Molecular and Ionic Solutes in Liquid Solvents, Definition of Solubility and Solubility Product of Salts.
Hydrolysis Reactions. Acids and Bases.
Proton transfer reactions. Strength of acids and bases and related dissociation constants. Self-ionization of water. Definition of pH and pOH and their applicable ranges in dilute aqueous solutions. Calculation of the pH of monoprotic acid and base solutions.
Electron Transfer Reactions and Introduction to Electrochemistry.
Oxidized and reduced species, half-reactions of oxidation and reduction. Electrode potential difference and Nernst equation. Standard reduction potentials. Types of chemical electrodes. Galvanic cells and their electromotive force.
Inorganic Chemistry of Elements.
Main characteristics of naturally occurring elements. Elements of industrial importance. Case studies relevant to Materials Science.
Prerequisites
The basic knowledge concerning the numerical, algebra and analytical geometry calculations are required, such as typically given in the high school.
Teaching form
The course (6 CFU) correspond to 48 hours of lessons.
All lectures are delivered as in-presence delivered lessons
The lesons are recorded and put at students disposal on the e-learning platform.
The lessons are delivered in Italian language by the teacher which presents the syllabus arguments by slides or on the blackboard. The slides of the lessons will be supplied to the students on the e-learning platform. Besides the theoretical aspects representative examples and exercises will be shown in order to practice. The student can verify its learning through other exercise texts and written questions, which will be proposed as didactical material during the cycle of lessons. The regular attendance of the lessons is recommended for an easier learning, although it is not more compulsory.
Textbook and teaching resource
Chimica - Kotz, Treichel, Weaver - Edises
Martin S. Silberberg, Chimica, la natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni, Mc Graw Hill
Slides of the lessons on the e-learning website
Semester
first semester
Assessment method
Oral interview (grade from 18/30 to 30/30) aimed at verifying at assessing the knowledge of the main aspects of general and inorganic chemistry.
No in-itinere tests are provided.
The oral exam consists in open questions on the main topics of the general chemistry program regarding the comprehension of the properties and structure of substances and compounds and of the chemical reactions and transformations. The capacity of solving quantitative problems related to the topic of the program is also evaluated.
The evaluation will take into account the ability to present knowledge clearly and with appropriate language, to answer the examiner’s questions, and to engage in a discussion
The final evaluation will be communicated in detail, specifying strengths and weaknesses.
The grading scale will be as follows:
• Failing grade: the minimum level of preparation was not achieved
• Passing grade (18–21): the minimum level of preparation was achieved, with several gaps
• Fair grade (22–25): a satisfactory level of preparation was achieved, with some gaps
• Good grade (26–28): a good level of preparation was achieved, with few gaps
• Excellent grade (29–30 with honors): an excellent level of preparation was achieved, with no gaps
Office hours
upon request
Sustainable Development Goals
Staff
-
Massimiliano D'Arienzo
