Scienze Chimiche

ILARIA FRATODDI

L'insegnamento di Chimica Inorganica I ha l'obiettivo di fornire conoscenze fondamentali e principi basilari per lo studio delle Scienze Chimiche, evidenziando le correlazioni tra struttura chimica e proprietà delle molecole. L'obiettivo principale del corso è di fornire gli strumenti per comprendere il legame chimico, in particolare il legame chimico covalente, ionico, metallico, di coordinazione e le principali interazioni intermolecolari. Le lezioni frontali si sviluppano a partire dalla struttura dell'atomo, arrivando allo studio della formazione delle molecole consentendo allo studente di acquisire competenze nella comprensione del legame chimico. Un ulteriore obiettivo è fornire una ampia casistica, basata sull’analisi delle proprietà dei principali composti degli elementi dei vari gruppi della tavola periodica, a supporto delle conoscenze del legame chimico sviluppate nella prima parte del corso.
Le conoscenze e competenze acquisite nel presente insegnamento, costituiranno un quadro di riferimento per lo studio successivo, inteso nel suo significato più ampio.
Risultati di apprendimento attesi:
1) Conoscenza e capacità di comprensione
Gi studenti che abbiano superato l’esame saranno in grado di conoscere e comprendere (conoscenze acquisite)
i) la struttura atomica, ed in particolare il significato degli orbitali atomici.
ii) i principali modelli per l'interpretazione del legame chimico covalente, ionico, metallico e di coordinazione.
iii) le interazioni intermolecolari ed i modelli basilari per l'interpretazione dello stato solido;

L'insegnamento di Chimica Inorganica I ha l'obiettivo di fornire conoscenze fondamentali e principi basilari per lo studio delle Scienze Chimiche, evidenziando le correlazioni tra struttura chimica e proprietà delle molecole. L'obiettivo principale del corso è di fornire gli strumenti per comprendere il legame chimico, in particolare il legame chimico covalente, ionico, metallico, di coordinazione e le principali interazioni intermolecolari. Le lezioni frontali si sviluppano a partire dalla struttura dell'atomo, arrivando allo studio della formazione delle molecole consentendo allo studente di acquisire competenze nella comprensione del legame chimico.
Le conoscenze e competenze acquisite nel presente insegnamento, costituiranno un quadro di riferimento per lo studio successivo, inteso nel suo significato più ampio.

Risultati di apprendimento attesi (secondo gli indicatori di Dublino):
1) Conoscenza e capacità di comprensione
Gi studenti che abbiano superato l’esame saranno in grado di conoscere e comprendere (conoscenze acquisite)
i) la struttura atomica, ed in particolare il significato degli orbitali atomici.
ii) i principali modelli per l'interpretazione del legame chimico covalente, ionico, metallico e di coordinazione.
iii) le interazioni intermolecolari ed i modelli basilari per l'interpretazione dello stato solido;

2) Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Gli studenti saranno in grado di conoscere e comprendere i modelli del legame nei composti di coordinazione e gli aspetti relativi allo studio della sistematica e reattività degli elementi e principali composti del blocco s e p.

3) Autonomia di Giudizio
Gli studenti che abbiano superato l’esame saranno in grado di (competenze ed abilità acquisite):
interpretare il legame chimico ed interpretare criticamente la struttura delle e la reattività dei composti chimici e comprendere e correlare le proprietà delle molecole con la struttura molecolare.
Sapranno inoltre comprendere la connessione con le altre aree culturali del CdS, in particolare gli aspetti della chimica fisica, chimica organica e chimica analitica.

4) Abilità Comunicative
Gli studenti sapranno sviluppare la capacità di comunicare quanto appreso, attraverso prove d'esame orali.

5) Capacità di Apprendimento
Gli studenti avranno capacità di sviluppare lo studio autonomo attraverso l'indicazione di fonti di aggiornamento accessibili.

L'insegnamento si trova nel percorso triennale di Chimica al primo anno, secondo semestre ed è compreso tra gli insegnamenti di base. Alcune conoscenze preliminari di base sono indispensabili, in particolare quelle derivanti dal corso di Chimica Generale ed Inorganica per il quale è prevista la propedeuticità (corso del primo semestre del primo anno) quali ad esempio la capacità di scrivere e bilanciare reazioni chimiche, nomenclatura di base, definizione di acidi e basi, reazioni redox, leggi della termodinamica. Inoltre sono utili ed importanti le competenze di base di analisi matematica, acquisite sempre nel corso del primo anno nel primo semestre.

Contenuto dell’insegnamento
L’insegnamento prevede 6 CFU di didattica frontale, suddivise in quattro argomenti generali: struttura atomica (14 h), legame chimico covalente, ionico, metallico (16 h), legame chimico nei complessi di coordinazione (8 h), studio della sistematica degli elementi della tavola periodica, con particolare attenzione al blocco s e blocco p (10 h).

Descrizione generale: Corso di base in cui viene trattato il legame chimico. Nelle linee generali il corso prevede: concetti e applicazioni del legame chimico per molecole semplici e per composti di coordinazione, mediante l'illustrazione dei principali modelli per l'interpretazione del legame. Legame covalente (metodi VSEPR, valence bond VB, molecular orbitals MO), ionico, metallico. Legame idrogeno ed interazioni deboli. Introduzione ai composti di coordinazione Teoria VB, teoria del campo cristallino, teoria MO. Trattazione sistematica degli elementi principali del blocco s e blocco p, secondo la loro collocazione nella tavola periodica.

Programma dettagliato del corso: nella sezione seguente si illustra dettagliatamente il programma con la relativa articolazione nel tempo. Il corso prevede 6 CFU e si sviluppa in 48 ore di didattica frontale con costante coinvolgimento degli studenti presenti.

Argomento 1, Struttura dell'atomo (14 h): ruolo della chimica inorganica, origine e distribuzione degli elementi, Legge di Lavoisier, legge di Proust, teoria atomica di Dalton. Atomi e massa atomica. Legge di Gay Lussac ed esperimenti di Cannizzaro. Concetto di mole, numero di Avogadro, Particelle elementari, massa e carica delle particelle elementari, esperimenti di Thomson, Mullikan e Rutherford. Numero atomico, numero di massa, isotopi. Onde e spettro elettromagnetico, spettri atomici, equazione di Planck, effetto fotoelettrico, quantizzazione dell’energia, atomo di Bohr. Modelli atomici. Dualismo particella-onda, principio di De Broglie. Cenni di meccanica ondulatoria, principio di indeterminazione, equazione di Schrodinger, numeri quantici, orbitali atomici, rappresentazione delle funzioni d’onda radiali ed angolari. Sistemi multielettronici, carica nucleare effettiva, energia orbitali atomici, configurazioni elettroniche degli elementi. Aufbau, principio di massima molteplicità di Hund e principio di escusione di Pauli, proprietà periodiche degli elementi. Tavola periodica ed andamento periodico delle proprietà. Dimensioni di atomi e ioni. Energia di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività, caratteristiche hard-soft e loro variazione nella tabella periodica. Carattere metallico, polarizzabilità.

Argomento 2, Legame chimico (16 h): legame ionico, struttura cristallina, impacchettamento di sfere, regole del rapporto radiale, regole di Fajans, Energia reticolare. Ciclo di Born Haber ed equazione di Born Landè. Legame covalente: ordine, lunghezza, geometria ed energia di legame; teoria di Lewis, legame polare ed elettronegatività. Teoria del legame di valenza (VB), modello VSEPR. orbitali ibridi e forma delle molecole, strutture di risonanza, delocalizzazione elettronica. Caratteristiche del legame covalente, legami sigma e p-greco, esempi, correlazione tra struttura e reattività in semplici molecole inorganiche. Teoria degli orbitali molecolari (MO), metodi LCAO, applicazioni a molecole biatomiche omonucleari. Orbitali molecolari per molecole biatomiche eteronucleari e polinucleari, ordine di legame. Proprietà magnetiche. Legame metallico, metalli e leghe, teoria delle bande, livello di Fermi, conduttività elettrica, isolanti, semiconduttori intrinseci e gap di banda, semiconduttori. Legami elettrostatici, legame idrogeno. Forze intermolecolari, interazioni tra dipoli permanenti, indotti ed istantanei. Solidi ionici, covalenti, metallici e molecolari.

Argomento 3, Legame nei composti di coordinazione (8 h): caratteristiche generali dei metalli di transizione. Struttura e isomeria nei complessi. Trattazione VB del legame nei complessi di metalli di transizione. Retrodonazione ed esempi. Teoria del campo cristallino, complessi ottaedrici, quadrato planari e tetraedrici, esempi, serie spettrochimica dei leganti. Teoria del campo dei leganti e metodo MO applicato a complessi. Legame sigma e p-greco. Cenno agli spettri elettronici e alle proprietà magnetiche dei complessi, esempi

Argomento 4, Caratteristiche strutturali e proprietà degli elementi del blocco s e blocco p e loro composti, correlazione struttura-proprietà (10 h): Idrogeno e suoi composti: effetti isotopici, idruri metallici, ionici e covalenti. Primo e secondo gruppo: proprietà, composti e strutture di legame, metalli alcalini ed alcalino terrosi, composti principali, idruri, alogenuri, carburi, composti organometallici (Grignard) complessi corona, criptandi, importanza biologica. Gruppo XIII: boro elementare e legame nei suoi composti, idruri, alogenuri, ossidi e ossoanioni, BN, borazina, borace, borani, carborani, Alluminio e suoi composti. Gruppo XIV: carbonio elementare, forme allotropiche e suoi composti, fullereni, ossidi, alogenuri, alcani, alcheni alchini, composti aromatici, carburi e composti di intercalazione. Silicio elementare, silicati, setacci molecolari e zeoliti, silani, alogenuri, composti organo silicio, siliconi. Idruri ed alogenuri. Gruppo XV: azoto, idruri, ammoniaca, ossidi e osso anioni, acidi; Fosforo elementare ed i suoi composti, idruri, ossidi, ossiacidi, fosfati e polifosfati, alogenuri, fosfazeni, fosfine, arsenico, antimonio e bismuto, principali composti, idruri ed alogenuri. Gruppo XVI: ossigeno, ozono, ossidi acidi, basici e neutri, ossidi, perossidi e superossidi, zolfo elementare, ossidi e ossiacidi dello zolfo, acidi solforosi, solforici, tionici, idruri. Gruppo XVII: Alogeni, proprietà degli alogeni, ossidi, acidi, ossiacidi e ossoanioni, composti interalogenici, polialogenuri. Gruppo XVIII: composti dei gas nobili, composti dello xenon, ossidi ed alogenuri.

I testi consigliati sono uno tra i seguenti:
1) J.D.Lee “Chimica Inorganica”, Piccin Editore,
2) J.E.Huheey, E.A. KEttter, R.L. Keiter “Chimica Inorganica Principi, Strutture, Reattività”, Piccin Editore,
3) P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller, F.Armstrong “Chimica Inorganica”, Zanichelli Editore.

Sono inoltre disponibili appunti ed approfondimenti sulla piattaforma di elearning Moodle 2 Sapienza.

Il corso è strutturato in lezioni teoriche frontali con lo svolgimento di numerosi esempi atti a dimostrare ed applicare a sistemi molecolari semplici, i modelli esposti. In particolare, sono previste 48 ore complessive di didattica frontale (6 CFU) atte alla acquisizione delle conoscenze evidenziate negli obiettivi formativi. Per sviluppare la capacità di applicare le conoscenze si prevede lo svolgimento di esempi ed esercizi. Le lezioni si svolgono settimanalmente in aula, con due lezioni ognuna da due ore, per un totale di 4 ore settimanali e l’esposizione avviene mediante l’utilizzo di lavagna e/o diapositive su power-point.

La frequenza delle lezioni dell’insegnamento non è obbligatoria ma fortemente consigliata.

Le modalità attraverso cui viene accertato l'effettivo conseguimento dei risultati di apprendimento consistono in un esame orale, nel quale viene richiesto allo studente di descrivere anche con esempi e semplici esercizi, quanto appreso nel corso. Sono previste inoltre una o più prove informali in itinere che avranno come oggetto una parte del programma e come obiettivo quello di aiutare l’ottimizzazione dell’apprendimento da parte degli studenti. La prova d’esame ha l’obiettivo di verificare il livello di conoscenza ed approfondimento degli argomenti del programma dell’insegnamento e la capacità di ragionamento sviluppata dallo studente. La valutazione è espressa in trentesimi (voto minimo 18/30, voto massimo 30/30 con lode). La valutazione consiste di una prova orale. L’esame complessivamente consente di verificare il raggiungimento degli obiettivi in termini di conoscenze e competenze acquisite così come le abilità comunicative. La collocazione temporale delle prove d'esame sarà al termine dell'insegnamento e nelle sessioni previste dal CAD (giugno-luglio, settembre, gennaio-febbraio).

La prova orale prevede domande a risposta aperta sugli argomenti trattati nel corso, corredate da esempi ed esercizi. Le risposte vengono valutate per completezza di contenuto, capacità di sintesi e collegamenti tra i diversi temi sviluppati durante il corso. Gli esempi sono utili a verificare la capacità di interpretazione del legame. Nella valutazione dell'esame la determinazione del voto finale tiene conto dei seguenti elementi:
la base teorica seguita dallo studente per l'esposizione del quesito, la capacità di ragionamento, la proprietà di linguaggio, la chiarezza espositiva e la capacità critica.
Per superare l'esame lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza sufficiente degli argomenti concernenti il legame chimico applicandola ad esempi della chimica inorganica. Per conseguire il punteggio massimo (30/30 e lode), lo studente deve dimostrare di aver acquisito una conoscenza eccellente di tutti gli argomenti trattati durante il corso, essendo in grado di raccordarli in modo logico e coerente, con capacità di correlazione tra struttura chimica e proprietà.

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