Dipartimento di Ingegneria Civile, dell'Energia, dell'Ambiente e dei Materiali - Università Mediterranea di Reggio Calabria - Didattica

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CHIMICA

Corso

Ingegneria Civile e Ambientale per lo sviluppo sostenibile

Curriculum

TUTELA DELL'AMBIENTE

Orientamento

Orientamento unico

Anno Accademico

2021/2022

Crediti

Settore Scientifico Disciplinare

CHIM/07

Anno

Primo anno

Unità temporale

Secondo semestre

Ore aula

Attività formativa

Attività formative di base

Canale unico

Docente

MARIA GRAZIA MUSOLINO

Obiettivi

Il corso mira a fornire allo studente conoscenze sui processi chimico- fisici, sulla struttura e le trasformazioni della materia, sugli aspetti energetici delle trasformazioni chimiche. Ulteriore obiettivo formativo è far comprendere agli studenti come i principi fondamentali della chimica possono essere applicati sia dal punto di vista numerico che sperimentale. Inoltre l’obiettivo principale che si cercherà di raggiungere, e' quello di dare agli studenti la consapevolezza del ruolo essenziale che la disciplina ha nella produzione di tutte le tipologie di materiali usati nel campo dell’ingegneria. Lo studente, attraverso lo studio della chimica prendera consapevolezza non soltanto del ruolo fondamentale espletato da questa disciplina in diversi ambiti scientifico-tecnologici, ma anche acquisira dimestichezza con i principi fondamentali alla base del metodo scientifico.
Conoscenza e capacità di comprensione: al termine del corso, lo studente sarà in grado di comprendere nel dettaglio i principi fondamentali che regolano le trasformazioni chimico–fisiche connesse alle modifiche strutturali della materia, di conoscere gli aspetti termodinamici delle reazioni chimiche, di applicare le conoscenze acquisite alla comprensione di processi chimici osservabili nella quotidianità, di spiegare dal punto di vista chimico il funzionamento di alcuni comuni dispositivi (es. batterie e celle elettrolitiche) o lo svolgimento di determinati fenomeni (es. corrosione e passivazione), di conoscere composti organici che oggi costituiscono una parte molto importante da cui ottenere i nuovi materiali ad alto contenuto tecnologico, impiegati per la realizzazione dei diversi dispositivi.
Conoscenze e capacità di comprensione applicate: in particolare lo studente, attraverso l’applicazione dei concetti teorici del corso e lo studio di esempi pratici, sarà in grado di risolvere semplici problemi stechiometrici concernenti i rapporti ponderali nelle reazioni chimiche, i gas ideali, la concentrazioni delle soluzioni, le proprietà colligative delle soluzioni, la termochimica, gli equilibri chimici omogenei ed eterogenei, il calcolo del pH e gli equilibri ionici, l’elettrochimica.
Autonomia di giudizio: al termine del corso lo studente sarà in grado di di esaminare criticamente i risultati ottenuti nella risoluzione dei problemi stechiometrici, di riconoscere situazioni in cui applicare le competenze acquisite, di identificare la tipologia di problema e di valutare autonomamente possibili alternative per la sua risoluzione.
Abilità comunicative: al termine del corso lo studente sarà in grado di comunicare le nozioni acquisite in modo chiaro e con rigore di argomentazioni, attraverso un linguaggio tecnico-scientifico adeguato, comprensibile anche da parte di interlocutori non specialisti.
Capacità di apprendimento: al termine del corso, lo studente avrà appreso i principi fondamentali della struttura della materia e degli aspetti termodinamici delle reazioni chimiche. Avrà compreso la differenza tra un approccio fenomenologico e un approccio microscopico/ modellistico allo studio delle proprietà della materia, delle sue trasformazioni chimiche e delle connesse variazioni di energia. Queste conoscenze contribuiranno alla formazione del suo bagaglio di conoscenze scientifiche di base e di metodologie di analisi di problemi scientifici che gli consentiranno di proseguire gli studi ingegneristici con maggiore autonomia e discernimento.

Modalità di accertamento e valutazione
L’acquisizione delle competenze verrà accertata tramite una prova scritta e una orale. La prova scritta mira a valutare la capacità di eseguire calcoli applicativi e verificare la conoscenza di base della materia per l’ammissione all’orale. Essa ha una durata massima di due ore e consiste nella risoluzione numerica di cinque problemi concernenti i seguenti argomenti: bilanciamento delle reazioni RedOx, rapporti ponderali, leggi dei gas, legge di Hess, concentrazione delle soluzioni, equilibrio chimico, equilibri in soluzione acquosa, elettrochimica. Verranno presi in considerazione la logica seguita dallo studente nella risoluzione del problema; la correttezza della procedura individuata per la soluzione del problema; l’esattezza del risultato finale; l'adeguatezza del risultato numerico trovato; la capacità di comprensione critica dei risultati ottenuti. Durante la prova lo Studente può fare uso della calcolatrice e di manuali. La risoluzione corretta di almeno due/ tre problemi è condizione necessaria per l’accesso alla prova orale. La prova orale consiste in un colloquio mirato ad accertare il possesso delle competenze e delle conoscenze disciplinari previste dal corso, l’autonomia di giudizio, nonché le capacità elaborative ed espositive dei contenuti teorici della disciplina attraverso l’uso di un linguaggio tecnico-scientifico appropriato. Si possono, eventualmente, prevedere due prove scritte in itinere durante il corso, della stessa tipologia della prova di esame, incentrate ciascuna sulla risoluzione di tre problemi di stechiometria, per aiutare lo studente a prepararsi all’esame finale e a fargli prendere consapevolezza del grado di preparazione raggiunto. Le prove in itinere non peseranno sulla valutazione finale, ma permetterà agli studenti che conseguiranno una valutazione media positiva in entrambe le prove scritte di essere esonerati dalla prova scritta di esame e di accedere direttamente alla prova orale. Il voto finale è quello della discussione orale e sarà attribuito secondo il seguente criterio di valutazione:
30 e lode: conoscenza completa, approfondita e critica degli argomenti, eccellente proprietà di linguaggio tecnico-scientifico, completa ed originale capacità interpretativa, piena capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
30 - 28: conoscenza completa e approfondita degli argomenti, ottima proprietà di linguaggio tecnico-scientifico, completa ed efficace capacità interpretativa, in grado di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
27 - 25: conoscenza degli argomenti con un buon grado di padronanza, buona proprietà di linguaggio tecnico-scientifico, corretta e sicura capacità interpretativa, buona capacità di applicare in modo corretto la maggior parte delle conoscenze per risolvere i problemi proposti;
24 - 21: conoscenza adeguata degli argomenti ma mancata padronanza degli stessi, soddisfacente proprietà di linguaggio tecnico-scientifico, corretta capacità interpretativa, limitata capacità di applicare autonomamente le conoscenze per risolvere i problemi proposti;
20- 18: conoscenza di base degli argomenti principali, conoscenza di base del linguaggio tecnico-scientifico, sufficiente capacità interpretativa, sufficiente capacità di applicare le conoscenze basilari acquisite per la risoluzione dei problemi proposti;
Insufficiente: non possiede una conoscenza accettabile degli argomenti trattati durante il corso.

Programma

ATOMO (1 CFU)
Proprietà della materia. Stati di aggregazione della materia. Miscele (eterogenee, omogenee) e sostanze pure. Elementi e composti. Leggi ponderali. Sviluppo storico della teoria atomica della materia. Particelle fondamentali dell’atomo. Esperienza di Rutherford. Numero atomico, numero di massa, isotopi. Mole, numero di Avogadro, unità di massa atomica, massa atomica relativa. Difetto di massa. Natura (ondulatoria, particellare) della luce. Spettri atomici. Modello atomico di Bohr. Dualismo onda-particella di materia e energia. Postulato di De Broglie. Principio di indeterminazione di Heisenberg. Modello quantomeccanico dell’atomo. Orbitale atomico e posizione probabile dell’elettrone. Numeri quantici. Atomi polielettronici. Lo spin elettronico. Configurazioni elettroniche degli elementi della tavola periodica. Principio di Aufbau. Tavola periodica degli elementi e proprietà periodiche. Raggi atomici. Energia di ionizzazione. Affinità elettronica.

LEGAME CHIMICO - REAZIONI CHIMICHE (1 CFU)
Formule di Lewis. Energia di legame. Legame covalente. Teoria del legame di valenza. Elettronegatività. Risonanza. Orbitali ibridi e geometria delle molecole. Teoria VSEPR. Orbitali delocalizzati. Legame ionico. Energia reticolare. Cenni sulla teoria dell’orbitale molecolare. Legame metallico. Teoria delle bande. Semiconduttori. Forze intermolecolari. Legame idrogeno.

Valenza. Numero d'ossidazione. Classificazione e nomenclatura dei composti inorganici. Reazioni chimiche. Reazioni redox. Relazioni ponderali nelle reazioni chimiche. Equivalente. Peso equivalente. Calcoli stechiometrici.

STATI DELLA MATERIA (1 CFU)
Stato gassoso. Proprietà dei gas. Gas ideali. Leggi dei gas. Equazione generale dei gas ideali. Cenni sulla teoria cinetica dei gas: distribuzione delle velocità molecolari di Maxwell. Teorema dell’equipartizione dell’energia. Diffusione ed effusione dei gas. Gas reali. Equazione di Van der Waals. Temperatura critica. Liquefazione dei gas: diagramma di Andrews.
Stato liquido. Proprietà dei liquidi. Tensione superficiale. Evaporazione. Tensione di vapore. Ebollizione.
Stato solido. Proprietà dei solidi. Diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli. Solidi ionici, covalenti, molecolari, metallici.

SOLUZIONI (1 CFU)
Passaggi di stato. Sistemi eterogenei ad un componente. Regola delle fasi. Diagramma di stato dell'acqua. Natura delle soluzioni. Solubilità dei gas nei liquidi: legge di Henry. Concentrazione delle soluzioni. Soluzioni ideali. Legge di Raoult. Soluzioni non ideali. Proprietà colligative. Soluzioni elettrolitiche. Conducibilità elettrolitica. Misura della conducibilità elettrolitica. Conducibilità equivalente. Conducibilità equivalente a diluzione infinita. Legge della migrazione indipendente degli ioni. Teoria degli elettroliti forti. Forza ionica e attività.

TERMODINAMICA (1CFU)
Terminologia termodinamica. Calore. Lavoro. Primo principio della termodinamica. Energia interna. Entalpia. Processi esotermici ed endotermici. Calori molari dei gas ideali. Termochimica. Legge di Hess. Termodinamica del legame ionico: ciclo di Born–Haber. Secondo principio della termodinamica. Entropia. Entropia come funzione di probabilità. Terzo principio della termodinamica. Energia libera. Spontaneità delle reazioni chimiche. Energia libera e lavoro utile. Applicazione dell’energia libera ad un sistema bifasico in equilibrio: equazione di Clausius-Clayperon. Considerazioni sulla stabilità dei composti chimici.

EQUILIBRIO CHIMICO (2 CFU)
Equilibri omogenei. Natura dinamica dello stato di equilibrio. Legge dell'equilibrio chimico. Derivazione della legge dell’equilibrio chimico da considerazioni termodinamiche. Grado di dissociazione e sua determinazione. Condizioni di reazione e stato di equilibrio: principio di Le Châtelier. Dipendenza della costante di equilibrio dalla temperatura: equazione di Van't Hoff. Equilibri eterogenei.
Equilibri in soluzione. Acidi e basi. Definizioni di Arrhenius e di Bronsted-Lowry. Acidi e basi secondo Lewis. Forza degli acidi e delle basi. Prodotto ionico dell'acqua. pH. Determinazione del pH. Soluzioni tampone. Indicatori. Idrolisi. Titolazioni acido-base. Equilibri di composti ionici poco solubili. Prodotto di solubilità. L’effetto dello ione a comune sulla solubilità.

ELETTROCHIMICA (1 CFU)
Celle galvaniche. Studio termodinamico della cella galvanica. Equazione di Nernst. Potenziali di elettrodo standard. Forza elettromotrice di una cella galvanica. Misura della f.e.m.. Elettrodi di riferimento. Elettrodo standard a idrogeno. Elettrodo a calomelano. Celle a concentrazione. Esempi di batterie primarie. Elettrolisi. Potenziale di decomposizione. Sovratensione. Leggi di Faraday. Elettrolisi di sali fusi. Elettrolisi dell’acqua. Esempi di batterie secondarie: accumulatore al piombo. Corrosione del ferro e protezione contro la corrosione.

STRUTTURA E PROPRIETA’ DEI COMPOSTI ORGANICI (1 CFU)
Idrocarburi. Nomenclatura degli idrocarburi. Alcani. Proprietà degli alcani. Isomeria di struttura. Alcheni. Metodi di preparazione degli alcheni. Isomeria etilenica o geometrica. Reazioni di addizione al doppio legame. Regola di Markovnikov. Polimerizzazione. Dieni. Alchini. Alcoli. Proprietà degli alcoli. Alogenuri alchilici. Aldeidi e chetoni. Metodi di preparazione delle aldeidi e dei chetoni. Reazioni dei composti carbonilici. Eteri. Acidi carbossilici. Cloruri degli acidi ed anidridi. Isomeria ottica. Esteri. Grassi e saponi. Ammine. Ammidi. Amminoacidi. Idrocarburi aromatici: reazioni di sostituzione elettrofila. Composti eterociclici.

ESERCITAZIONI
Durante le esercitazioni non vengono spiegati nuovi argomenti ma sono trattati gli aspetti numerici di alcuni di essi, in particolare:
' Nomenclatura di composti inorganici e organici
' Mole, massa molecolare
' Relazioni ponderali nelle reazioni chimiche
' Reazioni di ossido-riduzione e loro bilanciamento
' Leggi dei gas ideali.
' Proprietà colligative delle soluzioni
' Termochimica (Legge di Hess)
' Equilibri chimici omogenei ed eterogenei
' pH ed equilibri in soluzione acquosa
' Equazione di Nernst relativa ad un elettrodo o ad una cella
' Leggi di Faraday

Testi docente

Il Corso è caratterizzato da:
- lezioni frontali con l'ausilio della lavagna e di supporti informatici per l'esposizione di testi ed immagini (videoproiezione);
- esercitazioni in classe per la risoluzione guidata di problemi con l'ausilio della lavagna.
Il materiale del corso (slides, problemi proposti durante le esercitazioni, testi di esami scritti precedenti) sarà messo a disposizione degli studenti durante le lezioni.
Per lo studio della disciplina si consigliano i seguenti testi:

A.M. Manotti Lanfredi, A. Tripicchio
FONDAMENTI DI CHIMICA
Casa Editrice Ambrosiana

Franco Nobile, Pietro Mastrorilli
LA CHIMICA DI BASE CON ESERCIZI - Terza Edizione
Casa Editrice Ambrosiana

Jill K. Robinson - John McMurry - Robert C. Fay - Pierangelo Metrangolo
CHIMICA GENERALE 8/Ed. • con MyLab
Pearson

A. Clerici, S: Morocchi
ESERCITAZIONI DI CHIMICA
Edizioni Spiegel

Erogazione tradizionale

Sì

Erogazione a distanza

Frequenza obbligatoria

Valutazione prova scritta

Sì

Valutazione prova orale

Sì

Valutazione test attitudinale

Valutazione progetto

Valutazione tirocinio

Valutazione in itinere