28625 - FONDAMENTI DI CHIMICA T-A (L-Z)

Contenuti

Il programma dell'insegnamento è strutturato in due parti:

MODULO 1 —

1. Atomo e Modelli Atomici

• Composizione dell'atomo (elettroni, protoni ed neutroni): esperimenti con tubi di Crookes, esperimento di Millikan, esperimento di Rutherford, spettro elettromagnetico, effetto fotoelettrico, esperimento doppia fenditura, principio indeterminazione.
• Numero atomico, numero di massa, isotopi.
• Struttura dell'atomo e modelli atomici: Thompson, Rutherford, Bohr e spettri atomici, Schrodinger e l'atomo di idrogeno.
• Configurazione elettronica di atomi e ioni polielettronici: spin elettronico, principio di Pauli, regole di Hund, carica nucleare effettiva.

2. Tavola Periodica, Legame Chimico e Interazioni Intermolecolari

• Tavola periodica e proprietà periodiche (volume atomico, energie di ionizzazione, affinità elettronica), elettronegatività, dimensione ioni.
• Legame chimico: il legame ionico e quello covalente, elettroni di valenza, formule di Lewis.
• Legame ionico: composti ionici (stechiometria e geometria), energia reticolare e ciclo di Born-Haber.
• Legame covalente: caratteristiche, legame singolo, doppio e triplo, legame dativo, cariche formali, formule di risonanza, regola dell’ottetto ed eccezioni.
• Geometria molecolare secondo il modello VSEPR, teoria del legame di valenza e ibridazione, proprietà del legame chimico (ordine di legame, distanza di legame ed energia di legame).
• Legame covalente puro e polare, polarità molecolare e momento dipolare.
• Forze intermolecolari: interazioni ione-ione, ione-dipolo, dipolo-dipolo, dipolo-dipolo indotto, forze di London e legame ad idrogeno.

3. Valenza e Numero di Ossidazione, Nomenclatura dei Composti Inorganici

• Valenza, numero d’ossidazione, carica reale vs. formale.
• Nomenclatura dei composti inorganici (tradizionale, IUPAC e secondo Stock): distinzione tra metalli e non metalli, ossidi ed anidridi, acidi, idrossidi, idruri e sali.

4. Mole, Reazioni Chimiche e Stechiometria

• Il concetto di mole.
• La mole, massa molare vs. molecolare, “peso” formula vs. “peso” molecolare, composizione percentuale dei composti, formule empiriche e molecolari.
• Equazione chimica e suo bilanciamento, stechiometria, reagente limitante e reagente in eccesso, resa di reazione.
• Esercizi di stechiometria.

5. Stati di Aggregazione della Materia

• Lo stato gassoso: legge di Boyle, legge di Charles, ipotesi di Avogadro, legge dei gas ideali e teoria cinetica molecolare, miscele di gas, pressioni parziali, legge di Dalton, legge di Graham, gas reali ed equazione di van der Waals.
• Lo stato liquido: forze intermolecolari, tensione superficiale, capillarità, viscosità, pressione di vapore, equazione di Clausius-Clapeyron, cambiamenti di stato, curve di riscaldamento e raffreddamento di sostanze pure, stati metastabili, fluidi supercritici, diagrammi di fase.
• Lo stato solido: solidi ionici, molecolari, covalenti e metallici, solidi cristallini e amorfi, reticoli cristallini cubici, densità di un solido cristallino, strutture di alcuni solidi cristallini metallici e ionici, difetti nei cristalli, legame metallico.

6. Soluzioni e Proprietà Colligative

• Soluzioni: formazione di una soluzione, soluzioni acquose, solubilità ed equilibrio, effetto di temperatura e pressione sulla solubilità in soluzioni acquose, Legge di Henry.
• Unità di misura della concentrazione: molarità, frazione molare, molalità, percentuale in massa.
• Proprietà colligative delle soluzioni con soluti non volatili: legge di Raoult, innalzamento ebullioscopico, abbassamento crioscopico, pressione osmotica, coefficiente di van’t Hoff.

7. Termodinamica e Termochimica

• Primi accenni alla termochimica: processi esotermici ed endotermici; energia, calore e lavoro; concetto di sistema, ambiente e universo; sistema aperto, chiuso ed isolato; capacità termica specifica e calore latente nei passaggi di stato.
• Primo principio della termodinamica, energia interna, entalpia, legge di Hess ed entalpie standard di formazione e combustione.
• Calorimetria: capacità termica, calorimetri, energia e passaggi di stato.
• Termodinamica e spontaneità delle reazioni: entropia, seconda legge della termodinamica, entropia standard e terza legge della termodinamica, energia libera.
• Energia libera in relazione a spontaneità delle reazioni ed equilibrio chimico, effetto della temperatura, energia libera standard e non.

8. Cinetica Chimica

• Cinetica chimica: velocità di reazione ed equazioni cinetiche; effetto della concentrazione (cinetica di ordine 0 e di ordine 1), effetto della temperatura (teoria delle collisioni), area di contatto e catalizzatori.
• Energia di attivazione ed urti efficaci, ruolo del catalizzatore e catalisi omogenea ed eterogenea (accenni).
• Meccanismi di reazione e molecolarità.

9. Equilibrio Chimico

• Costante di equilibrio: equilibri omogenei ed eterogenei, significato della costante di equilibrio, calcolo della composizione all'equilibrio, quoziente di reazione.
• Esercizi sull'equilibrio chimico.
• Perturbazione dell'equilibrio e principio di Le Chatelier, influenza dei parametri esterni sugli stati di equilibrio (variazione delle concentrazioni, della temperatura, del volume o delle pressioni).

10. Equilibrio Acido-Base

• Equilibri acido-base in soluzioni acquose: definizione di acido e base secondo Arrhenius, acidi e basi forti/deboli, acidi mono e poliprotici, lo ione idronio. Definizione acido-base di Bronsted e Lowry, coppie coniugate acido-base, sostanze anfiprotiche.
• Autoprotolisi dell’acqua, Kw, pH e pOH. Calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi forti. Calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi deboli (reazioni d’equilibrio, costanti di dissociazione acida e basica: Ka, Kb).

11. Reazioni Redox e Fondamenti di Elettrochimica

• Ripasso dell'equazione chimica e relativi bilanciamenti.
• Reazioni di ossido-riduzione e loro bilanciamento: metodo del numero di ossidazione, metodo delle semireazioni. Reazioni redox in ambiente acido e basico.
• Reazioni redox e la pila Daniel: anodo, catodo e ponte salino. Notazione convenzionale per celle, elettrodi reattivi ed inerti. Forza elettromotrice e potenziali standard di riduzione.
• Pile commerciali: pila a secco (zinco-carbone) e alcalina, batterie al piombo ed al litio.
• L'elettrolisi. Confronto tra cella elettrolitica e cella galvanica.

MODULO 2 —

12. Fondamenti di Chimica Organica

• La chimica del carbonio: stati di ossidazione del carbonio, legami e ibridazione.
• Gli idrocarburi: alcani e cicloalcani, alcheni, alchini e composti aromatici. Fonti, nomenclatura e isomeria (strutturale, cis-trans, stereoisomeria e composti chirali). Proprietà fisiche e reattività degli idrocarburi: combustione, alogenazione e alogeni alchilici, addizioni al doppio e triplo legame, sostituzioni sull'anello aromatico, riduzioni ed ossidazioni.
• Alcoli, glicoli ed eteri: nomenclatura, proprietà fisiche e reattività (sostituzioni, eliminazioni, condensazioni e ossidazioni).
• Aldeidi e chetoni ed il gruppo carbonile. Nomenclatura, proprietà fisiche e reattività redox.
• Acidi carbossilici e derivati (esteri, anidridi ed ammidi).Nomenclatura, proprietà fisiche e reattività.
• Ammine: nomenclatura, proprietà fisiche e reattività con gli acidi carbossilici.

13. Materiali Polimerici

• Le plastiche: definizione di polimero. Polimeri termoplastici, termoindurenti, elastomeri. Peso molecolare medio di un polimero. Omopolimeri e copolimeri (statistici, alternati, a blocchi e ad innesto). Polimeri lineari, ramificati e reticolati.
• Grado di cristallinità di un polimero. Temperatura di transizione vetrosa.
• Proprietà meccaniche dei materiali: fragilità-duttilità, tenacità e resilienza. La prova di trazione. La prova di impatto.
• Lavorazione dei materiali polimerici termoplastici (stampaggio a iniezione, estrusione, stampaggio per soffiatura) e dei termoindurenti (stampaggio per compressione e per trasferimento).
• Reazioni di polimerizzazione: polimerizzazione a catena (polimerizzazione radicalica) e polimerizzazione a stadi (reazioni di polimerizzazione per condensazione).
• Polimeri termoplastici: polietilene (a bassa ed alta densità, lineare e/o ramificato), polivinilcloruro o PVC, polipropilene e polistirene.
• Tecnopolimeri: politetrafluoroetilene o Teflon, polietilentereftalato o PET, poliammidi e poliarammidi (esempio del Nylon e del Kevlar).
• Polimeri termoindurenti o resine: resine fenolo-formaldeide, e resine epossidiche.
• Elastomeri o gomme: gomma naturale e suo processo di vulcanizzazione, il neoprene come esempio di elastomero artificiale.

14. Materiali Metallici

• Reticoli cristallini cubici (semplice, a corpo centrato e a facce centrate) e difetti cristallini (puntuali, lineari e superficiali).
• Processo di solidificazione nei metalli e formazione dei grani per nucleazione ed accrescimento. Il ruolo del bordo di grano ed accenni di microscopia.
• Leghe metalliche: soluzioni solide (sostituzionali ed interstiziali), composti intermetallici e composti interstiziali.
• Diagrammi di stato: sostanze pure e a due componenti. Regola delle fasi e regola della leva. Curve di raffreddamento e arresto termico per invarianza.
• Diagrammi di stato di leghe binarie a miscibilità completa e a miscibilità parziale in stato solido (con eutettico). Strutture eutettiche.
• Leghe ferrose: acciai e ghise, differenze e proprietà generali. Alcuni tipi di acciaio (al carbonio, legati, inossidabili).
• Produzione di acciai e ghise: produzione in altoforno, processo di affinazione, colata (in lingotto o continua) e lavorazioni a caldo.
• Diagramma di stato Ferro-Carbonio: fasi presenti (liquido, ferrite alfa, austenite e cementite), costituenti strutturali importanti (perlite e ledeburite).
• Eutettico ed eutettoide nel diagramma Fe-C: curve di raffreddamento e composizione di acciai ipo-, iper- ed eutettoidici; ghise ipo-, iper- ed eutettiche.
• Trattamenti termici degli acciai e prestazioni meccaniche: accenni alla tempra (e ruolo della martensite), alla ricottura ed alla normalizzazione.

Testi/Bibliografia

Per affrontare opportunamente lo studio del programma previsto per questo insegnamento, è fondamentale affiancare alle presentazioni PowerPoint utilizzate dai docenti (e disponibili su AMS Campus) anche gli appunti presi durante le lezioni. È altrettanto importante integrare lo studio a casa con un libro di testo di Chimica Generale.

Nell'elenco sotto riportato sono suggeriti alcuni libri di testo particolarmente validi, anche se qualunque volume di tipo universitario è indicato per una preparazione adeguata:

• J.C. Kotz, P.M. Treichel, J.R. Townsend - "Chimica", EdiSES (5° ed.), 2013. ISBN: 978-8879597777
• R.A. Michelin, A. Munari - "Fondamenti di Chimica", CEDAM (3° ed.), 2016. ISBN: 978-8813339753
• M.S. Silberberg - "Chimica", McGraw-Hill Education (3° ed.), 2016. ISBN: 978-8838615429

Per le lezioni sui "Materiali polimerici" e "Materiali metallici" si può consultare:

• W.F. Smith, J. Hashemi - "Scienza e tecnologia dei materiali", McGraw-Hill Education (4° ed.), 2016. ISBN:978-8838615368
  • Capitoli da 3 a 9: materiali metallici
  • Capitolo 10: materiali polimerici

Materiale per esercitazioni

I libri di testo sopra elencati includono già numerosi esercizi, alcuni dei quali totalmente svolti, altri con soltanto le soluzioni finali. Qualora, però, si volessero consultare libri di testo specificatamente pensati per test ed esercitazioni, sono suggeriti:

• R.A. Michelin, P. Sgarbossa, M. Mozzon, A. Munari - "Chimica di base - Test ed esercizi", CEDAM (1° ed.), 2015. ISBN:978-8813360566
• R.A. Michelin, M. Mozzon, A. Munari - "Test ed Esercizi di Chimica", CEDAM (6° ed.), 2012. ISBN: 978-8813330903

Metodi didattici

Il corso si basa su lezioni frontali, svolte in aula con lavagna e gesso, supportate mediante la proiezione di presentazioni in PowerPoint.

Sui vari argomenti del programma è previsto lo svolgimento di esercizi guidati, sia durante il normale svolgimento delle lezioni, sia durante esercitazioni dedicate. Gli esercizi svolti saranno analoghi, per tipologia e difficoltà, a quelli proposti in sede di esame.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso il solo esame finale; non sono previste prove parziali. L'esame finale consiste in un'unica prova scritta della durata massima di tre ore.

Durante lo svolgimento della prova è consentito unicamente l'utilizzo di cancelleria (matite, penne, gomme, righelli et similia) e della calcolatrice. La tavola periodica (vedi fac-simile su AMS Campus) ed altro materiale eventualmente necessario sarà fornito come allegato al compito. Durante l'esame non è permesso uscire dall'aula, se non dopo aver consegnato definitivamente il proprio compito.

Per sostenere la prova d'esame è necessaria l'iscrizione tramite AlmaEsami, entro le scadenze indicate. È necessario presentarsi in sede d'esame muniti di un documento di identità e del badge universitario, pena l'esclusione dalla prova.

L'esame prevede un punteggio massimo di 34.00 punti. La prova è superata conseguendo un punteggio superiore o uguale a 17.50 punti su 34.00. Il punteggio, espresso in 34esimi, è arrotondato all'intero più vicino per ottenere il voto finale.

Esempio:
Punteggio: 21.75 punti su 34.00 punti totali ---> Voto: 22.

Qualora il punteggio conseguito fosse superiore o uguale a 30.50 punti, è assegnata la lode.

I risultati delle prove saranno pubblicati on-line su AlmaEsami. In caso di esito positivo, la verbalizzazione del risultato avverrà solo in seguito ad una email comprovante l'accettazione del voto da parte dello studente interessato, spedita mediante account istituzionale all'indirizzo email della Prof.ssa Soccio (m.soccio@unibo.it). La verbalizzazione di un risultato positivo è consentita entro e non oltre 6 mesi dalla data della relativa prova; dopo tale scadenza, il risultato conseguito e non verbalizzato decadrà.

Nel caso in cui si scegliesse di sostenere nuovamente l'esame, indipendentemente da qualunque esito, il risultato conseguito nella prova precedente decadrà automaticamente. La prova può essere ripetuta in qualsiasi appello. 

È possibile trovare un fac-simile della prova d'esame su IOL.

Strumenti a supporto della didattica

Le lezioni frontali in aula saranno supportate dalla presentazione di diapositive in PowerPoint che potranno essere scaricate in formato PDF (su AMS Campus) prima dell'inizio di ciascuna lezione.

Sempre su AMS Campus sarà possibile trovare anche altro materiale utile per la preparazione alla prova scritta, come il fac-simile della prova d'esame.

AVVERTENZA: le diapositive sono un ottimo strumento di supporto alle lezioni ed una valida guida per lo studio a casa, ma non possono considerarsi sufficienti per un'adeguata preparazione all'esame!

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michelina Soccio