Corso di laurea in Chimica per la manifattura sostenibile

Collocato all’inizio del percorso formativo, l’insegnamento è mirato a fornire le conoscenze di base della chimica, propedeutiche alle conoscenze avanzate trattate nei corsi successivi. Nello specifico, l’insegnamento si propone di fornire gli elementi terminologici e tecnici atti a descrivere, comprendere ed interpretare i fenomeni chimici e gli strumenti concettuali per comprendere la natura delle sostanze e le loro principali modalità di trasformazione. 

L’insegnamento inoltre si prefigge di introdurre al corretto  svolgimento delle operazioni basilari in un laboratorio chimico.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
Acquisizione di competenze teoriche e operative relative alla struttura e alle proprietà della materia, ai principi della reattività chimica e alle tecniche numeriche che consentono di descrivere e prevedere l'andamento delle reazioni chimiche.

CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Acquisizione della capacità di applicare le conoscenze teoriche allo studio delle reazioni chimiche, alla risoluzione di esercizi e di problemi, ed alla osservazione pratica delle manifestazioni dei concetti teorici appresi.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Acquisizione di consapevole autonomia di giudizio nella valutazione ed interpretazione di dati ricavati da osservazioni sperimentali.

ABILITÀ COMUNICATIVE
Acquisizione ed utilizzo in maniera appropriata delle terminologie del linguaggio chimico in associazione a competenze e strumenti per la comunicazione nella forma scritta e orale e all'utilizzo di linguaggi grafici e formali propri delle scienze sperimentali.

CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO
Acquisizione di capacità autonome di apprendimento e di autovalutazione della propria preparazione, atte ad intraprendere gli insegnamenti successivi con un alto grado di autonomia.

Fondamenti di Chimica. Sostanze elementari e composte. Allotropi. Stati di aggregazione della materia. Fasi. Miscugli (omogenei ed eterogenei). Dalle sostanze agli atomi: leggi fondamentali, conservazione della massa nelle reazioni chimiche e teoria atomica di Dalton. Nozioni di base e definizioni sugli atomi: particelle costitutive e loro caratteristiche fisiche, numero atomico, numero di massa. Massa atomica e unità corrispondente. Isotopi. Concetto di mole e costante di Avogadro. Massa molecolare e massa molare. Formula minima, formula molecolare, formula di struttura. Isomeria strutturale.

Elementi di struttura dell’atomo. Particelle fondamentali. Modello nucleare degli atomi. Il Nucleo: stabilità dei nuclei. Decadimenti. Famiglie radioattive. Fissione e fusione nucleare. Onde elettromagnetiche. Effetto fotoelettrico. Spettroscopia atomica. Atomo di Bohr. Dualismo onda particella. L’atomo ondulatorio. Funzione d’onda e densità di probabilità (Ψ e Ψ²). Orbitali atomici e numeri quantici. Atomi multielettronici. Configurazioni elettroniche degli atomi e modello a gusci. Carica nucleare effettiva. Spettroscopia fotoelettronica degli atomi e “binding energy”. Periodicità delle proprietà chimiche e tavola periodica. Blocchi di elementi nella tavola periodica. Proprietà chimiche fondamentali degli elementi principali sulla base della configurazione elettronica. Comportamento metallico e non metallico. Anfoterismo. Periodicità delle proprietà atomiche (dimensioni, energia di ionizzazione, affinità elettronica).

Legame chimico. Scambio di elettroni e legame ionico. Legame covalente. Elettronegatività. Polarità dei legami. L’approccio di Lewis nella scrittura delle formule di struttura. Regola dell’ottetto ed espansione dell’ottetto. Geometrie molecolari e teoria della minima repulsione (VSEPR). Teoria del legame di valenza. Legami semplici e multipli. Legami σ e π. Ibridazione e orbitali ibridi. Orbitali ibridi e geometrie molecolari. Legame covalente coordinativo (dativo). Cenni alla teoria dell’orbitale molecolare. Legame metallico e solidi metallici. 

Forze intermolecolari e stati di aggregazione della materia. polarità delle molecole, interazioni dipolo-dipolo forze di dispersione, legame a ponte di idrogeno. Lo stato gassoso. Leggi fondamentali dello stato gassoso ed equazione di stato. Modello cinetico e cenni alla teoria cinetica dei gas. Gas reali ed equazione di van der Waals. Lo stato liquido: proprietà dipendenti dalle forze intermolecolari. Tensione di vapore e sua dipendenza dalla temperatura. Lo stato solido. Reticoli cristallini e celle elementari. Passaggi di stato (punto di congelamento e punto di ebollizione). Diagrammi di stato ad una componente. Curve di riscaldamento. Capacità termica molare ed entalpia dei passaggi di stato.

Miscugli liquidi. sospensioni, colloidi, micelle. Soluzioni. Concentrazione ed unità di misura relative. Princìpi che regolano la solubilità (solventi polari e apolari). Tensione di vapore delle soluzioni. Legge di Raoult. Diagramma di stato per liquidi miscibili e principio della distillazione. Proprietà colligative delle soluzioni. Coefficiente di Van’t Hoff. Pressione osmotica. 

Reazioni chimiche elementari in chimica inorganica. Reazioni acido base, reazioni di ossido- riduzione. Tecniche di bilanciamento delle ossido-riduzioni. Reazioni di precipitazione. Ioni complessi e reazioni di complessazione. Cenni di termodinamica chimica: entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs. L’equilibrio chimico. Il principio di Le Chatelier. Velocità di reazione. Legge di Arrhenius.

Equilibri in soluzioni acquose. Legge di azione di massa e costante di equilibrio. Proprietà degli acidi e delle basi. Teorie acido-base. Scala del pH. Equilibrio di autoprotolisi dell'acqua. Acidi e basi forti. Acidi e basi deboli. Concetto di coniugazione tra acidi e basi. Acidi poliprotici. Sostanze anfiprotiche. Proprietà acido-base dei sali: equilibri di idrolisi. Soluzioni tampone. Equilibrio in sistemi eterogenei. Solubilità, prodotto di solubilità e effetto dello ione comune. Reazioni di precipitazione. Cenni ai composti di coordinazione e agli ioni complessi.

Elettrochimica. Celle galvaniche. Potenziali standard di riduzione. Elettrodo di riferimento. Potenziali e andamento delle reazioni redox. Equazione di Nernst. Pile a concentrazione. Elettrolisi. Elettrolisi di sali fusi e di soluzioni acquose. Leggi di Faraday. Applicazioni elettrochimiche. Batterie comuni. Corrosione.

Chimica Inorganica Descrittiva. Origine degli elementi chimici (nucleogenesi). Distribuzione degli elementi. Chimica dei principali gruppi della Tavola periodica.

Stechiometria. Introduzione al calcolo chimico. Mole. Formula minima e molecolare. Reazioni chimiche non redox e loro bilanciamento. Relazioni ponderali: calcoli stechiometrici, reagente limitante, reazioni non quantitative e rese. Numero di ossidazione. Reazioni di ossido-riduzione e loro bilanciamento. Legge dei gas ideali e legge di Dalton. Concentrazione delle soluzioni (molarità, molalità, % in peso ed in volume, frazione molare). Calcoli sulle diluizioni. Calcoli relativi agli equilibri di dissociazione in soluzioni di acidi e di basi. Calcolo del pH di soluzioni saline (equilibri di idrolisi) e soluzioni tampone. Calcoli sugli equilibri di precipitazione. Elettrochimica, applicazione dell’equazione di Nernst, elettrolisi e leggi di Faraday.

Laboratorio. Equilibri acido/base, soluzioni tampone, idrolisi; equilibri di solubilità (effetto del pH e dello ione comune); reazioni di ossidoriduzione; sintesi e reattività di sali inorganici.

L’insegnamento consiste di 60 ore di attività didattica frontale (48 ore di lezioni teoriche e 12 ore di esercitazioni di stechiometria) a cui si aggiungono 32 ore di attività pratica da svolgere in laboratorio.

La frequenza alle lezioni e alle esercitazioni in aula è facoltativa, ma fortemente consigliata. La frequenza alle attività di laboratorio è obbligatoria, con una frequenza minima richiesta pari al 75% delle ore (24 su 32).

Le lezioni teoriche in aula utilizzano principalmente metodiche didattiche tradizionali con lezione frontale e proiezione di grafici ed immagini. Verranno affiancate metodologie e strategie didattiche innovative quali l’apprendimento cooperativo e la peer education, attraverso l’uso delle varie possibilità offerte dalla piattaforma di e-learning Moodle, su cui verrà anche reso disponibile il materiale didattico utilizzato a lezione. L’uso di nuove tecnologie ed approcci didattici innovativi  viene in questo corso anche sviluppato per creare ambienti di apprendimento maggiormente inclusivi dei bisogni formativi personalizzati delle studentesse e degli studenti.

Nella parte dell'insegnamento dedicata ad esercitazioni di calcolo chimico (stechiometria), studentesse e studenti sono coinvolti in modo attivo attraverso la risoluzione guidata di problemi e promuovendo processi di co-costruzione del sapere, in un’ottica di forte collaborazione orizzontale tra pari.

Le esercitazioni pratiche sono svolte in laboratorio individualmente o a piccoli gruppi. Ogni discente lavora su una postazione individuale con a disposizione  la vetreria e gli strumenti necessari per condurre gli esperimenti, sotto l’assistenza costante del docente. Tutte le informazioni necessarie per la frequenza del laboratorio e le relative dispense sono fornite prima dell’inizio delle attività.