Corso di laurea in Chimica per la manifattura sostenibile

In coerenza con gli obbiettivi formativi del corso di laurea che prevedono l’acquisizione di una solida formazione nelle discipline chimiche, inclusa la chimica analitica, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, altresì fornendo la capacità di affrontare problematiche di caratterizzazione e analisi quali/quantitativa di sostanze chimiche e materiali, anche di interesse in ambito manifatturiero, l’insegnamento si propone di fornire agli studenti:

• le definizioni e i concetti di base in Chimica Analitica e le abilità di "problem solving" relative alla termodinamica delle soluzioni ed in particolare agli equilibri in soluzioni di elettroliti.
• Gli strumenti della chimica analitica classica e la capacità di applicarli per la soluzione di problemi analitici
• I fondamenti delle tecniche elettrochimiche conduttometriche e potenziometriche e le loro applicazioni nell’analisi di sostanze chimiche e materiali.
• Fornire gli elementi di teoria degli errori e statistica necessari per valutare le prestazioni di una metodica analitica e la qualità del risultato di un'analisi.

Queste conoscenze sono propedeutiche per la comprensione dei metodi della chimica analitica strumentale affrontati nei corsi successivi

D1 CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE

Acquisizione di competenze teoriche e operative relative a: 1) la termodinamica delle soluzioni, in particolare di elettroliti; 2) gli equilibri in soluzione e loro applicazione per le analisi chimiche classiche (volumetria); 3) metodi chimico analitici strumentali di base (spettrofotometria, potenziometria, conduttimetria)

D2 CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
Acquisizione della capacità di applicare le conoscenze teoriche alla risoluzione di problemi chimico analitici di base

D3 AUTONOMIA DI GIUDIZIO
Capacità di prendere le corrette decisioni su come affrontare una problematica legata all’analisi chimica e alla valutazione dei dati ottenuti..

D4 ABILITÀ COMUNICATIVE
Capacità di descrivere chiaramente le tecniche chimico analitiche studiate con termini appropriati ed esempi opportuni

D5 CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO
Acquisizione di capacità autonome di apprendimento e di autovalutazione della proprie conoscenze allo scopo di affrontare nuovi problemi chimico-analitici

Il processo analitico, la chimica analitica e scienza della misura. Concetto di equilibrio chimico e derivazione termodinamica. Stati di riferimento. Costanti di equilibrio termodinamiche e in concentrazione. Deviazioni dall'idealità. Coefficienti di attività, teoria di Debye-Huckel e il concetto di forza ionica, formule estese, formula di Davies. Salting out. Impostazione delle relazioni per il calcolo degli equilibri. I bilanci di massa, calcolo della distribuzione delle specie. L'autoprotolisi dell'acqua.

Equilibri acido/base. Acido forte e acido monoprotico. I diagrammi logaritmici. Calcolo della variabile master: il bilancio di carica, il bilancio protonico. Calcolo del pH di un acido forte, formula generale e formule semplificate. Dipendenza del pH da -log(C). Rappresentazione grafica delle concentrazioni e delle frazioni di concentrazione (alfa). pH di acido debole e calcolo grafico. Le basi deboli, relazione di simmetria formule. Calcolo grafico pH. pH di una miscela di acido forte e acido debole: formule semplificate e rappresentazione grafica. Acidi poliprotici: distribuzione delle specie. pH di acidi poliprotici. pH di un sale di acido e base debole. pH di anfoliti, aminoacidi, calcoli delle specie e pH. Tamponi (concetto e calcolo), capacità tampone di acido forte, acido debole e acidi/basi poliprotiche.

Equilibri di complessazione.  Costanti di formazione, costanti cumulative. I complessi metallici: tipologie, effetto chelato. La distribuzione delle specie per i complessi. L'effetto di equilibri concorrenti. Le costanti condizionali. Il grado di formazione. Cenno ai complessi polinucleari.

Gli equilibri di precipitazione. La solubilità e il prodotto di solubilità. Rappresentazione grafica degli equilibri di precipitazione. Caso di equilibri concorrenti acido/base e di complessazione. Definizione delle costanti condizionali ed equilibri concorrenti in fase omogenea. Solubilità di solfuri e idrossidi.

Equilibri redox. Definizione di cella elettrochimica, potenziale di semicella e di cella, equazione di Nernst, significato e relazioni con Keq. Elettrodi di riferimento ed indicatori, finestra stabilità dell'acqua. Meccanismi delle reazioni redox in soluzione. Potenziali redox in presenza di equilibri concorrenti. Potenziali formali. Grafici pe/pH e loro significato, applicazioni in altri settori disciplinari.

Equilibri multifasici di ripartizione gas-liquido e liquido-liquido, di adsorbimento. Cenno agli equilibri in solventi non acquosi. I sistemi termodinamici aperti, la ripartizione tra fasi, la legge di Henry.

Metodi analitici volumetrici basati su reazioni chimiche. Concetti base: volumetria, standard primari e secondari, punto equivalente e punto finale, frazione titolata e curva di titolazione.

Titolazioni acido-base (acido forte con base forte, acido debole con base forte, acido multiprotico e miscele di acidi). Indicatori acido/base, metodi potenziometrici e conduttometrici, coulombometria. Condizioni di titolabilità ed errori di titolazione. Standard primari utilizzabili. Determinazione pKa di acido debole. Applicazioni: acido fosforico, miscele carbonato/idrogeno carbonato, alcalinità delle acque naturali, ammoniaca, azoto totale secondo Kjeldhal (TKN), gruppi idrossilici (OH) nei carboidrati e in altri composti organici, numero di saponificazione di oli e grassi.

Titolazioni complessometriche. Concetti base e requisiti della reazione di complessazione. Titolazioni con EDTA e in presenza di complessanti ausiliari. Indicatori metallocromici e specifici. Condizione di titolabilità con indicatori e rilevazione potenziometrica. pH minimo di titolabilità. Mascheramento. Applicazioni per titolazione diretta: durezza dell'acqua.

Titolazioni redox. Equazioni della curva di titolazione con semplificazioni ed esempi. Rilevazione del punto finale con indicatori redox, autoindicatori, indicatori specifici e metodi potenziometrici. Applicazioni: permanganatometria (Mn in acciai), bicromatometria (Chemical Oxygen Demand), iodometria (ozono, NO_x, ossigeno disciolto e BOD).

Misure conduttometriche. Conducibilità specifica, equivalente e a diluizione infinita. Conducibilità di miscele di elettroliti e determinazione del prodotto ionico dell'acqua. Applicazioni della misura della conducibilità: acqua grado reagente e acque naturali.

Introduzione ai metodi elettroanalitici: celle elettrochimiche, elettrodi indicatori e di riferimento. Celle con e senza giunzione liquida (cella di Harned). Origine del potenziale di giunzione. Classificazione degli elettrodi (a gas, prima e seconda specie), elettrodi di riferimento (NHE, Ag/AgCl, calomelano), elettrodi indicatori. Elettrodi ione selettivi, potenziali di membrana, tipologie (a membrana liquida, solida, policristallina, a vetro). Oltre la definizione di Sorensen: la scala internazionale del pH e la sua misura con elettrodo a vetro. Apparati per le misure potenziometriche e taratura. Celle a concentrazione. Elettrodo di Clark per la misura dell’ossigeno.

Esercitazioni di Laboratorio. Indicazioni sui parametri statistici e sulle procedure di calcolo necessari all’espressione del risultato di misura. Esercitazioni sui metodi analitici basati su reazioni chimiche: dosaggio di acidi/basi, cationi metalli – analisi della durezza delle acque, determinazione del rame, specie redox attive – dosaggio dell’ossigeno disciolto secondo Winkler. Esercitazioni di conduttometria e potenziometria (titolazioni conduttometriche e potenziometriche).

• L’insegnamento consiste di 48 ore di attività didattica frontale 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).

La valutazione finale consiste nella media pesata delle valutazioni di un esame scritto eseguito in PRESENZA e del laboratorio (i pesi sono 6 e 2, rispettivamente). l'esame scritto è composto da TRE problemi numerici e grafici sul calcolo degli equilibri e tre domande a risposta aperta, che possono coinvolgere anche esercizi numerici, sulle titolazioni e metodi elettrochimici di analisi, in modo da valutare sia la comprensione degli argomenti svolti che le capacità di "problem solving" sviluppate dagli allievi. Il secondo elemento di valutazione consiste nelle relazioni (4 individuali e due di gruppo) redatte dagli studenti sulle esercitazioni (accuratezza dei risultati analitici ottenuti, correttezza delle interpretazioni teoriche fornite e dell'elaborazione dei dati sperimentali al fine di ottenere le grandezze analitiche richieste). Questa ultima valutazione sarà effettuata principalmente in itinere in modo da rendere possibile allo studente di recuperare e correggere eventuali risultati negativi, anche attraverso la valutazione critica degli stessi. Mediante la discussione delle relazioni, lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito la padronanza dei concetti e dei metodi appresi ed utilizzati durante le esercitazioni.