Obiettivi Formativi

Il corso si propone di fornire agli studenti un’adeguata conoscenza e comprensione delle nozioni di base della chimica e dei fondamenti chimici delle tecnologie, necessarie per lo studio dei fenomeni chimici e chimico-fisici ed indispensabili per la comprensione del comportamento e delle caratteristiche dei materiali più comuni che stanno alla base delle realtà applicative dell’ingegneria industriale. Sviluppare la capacità di comprensione delle principali nozioni teoriche dei fenomeni della chimica e delle leggi che li regolano, oltre che aver acquisito capacità nel risolvere esercizi e problemi riguardanti gli argomenti principali della stechiometria, dell'equilibrio chimico e dell'elettrochimica. Far sviluppare la capacità di sapere applicare in maniera autonoma e consapevole le nozioni teoriche acquisite ed essere in grado di individuare l'approccio più appropriato per impostare, analizzare e saper effettuare un confronto critico tra diverse possibili soluzioni attinenti l’interpretazione e il bilanciamento stechiometrico di reazioni chimiche, l’interpretazione e calcolo di fenomeni e la capacità di correlare gli aspetti chimico-fisici della materia (elettronici, termodinamici, cinetici) con le proprietà della stessa. Far acquisire capacità logico -argomentative e di sintesi e capacità di comunicare le conoscenze acquisite in maniera critica adoperando un linguaggio tecnico ed un approccio metodologico adeguati. Incoraggiare gli studenti ad acquisire un adeguato metodo di studio individuale che possa loro consentire di approfondire i temi scientifici e le conoscenze già acquisiti, nonché la capacità di affrontare ulteriori tematiche avanzate o settoriali.

Learning Goals

The course aims to provide skills and knowledge on the fundamentals of chemistry for engineers, on material properties, on the correlation between microstructure and chemical, physical and mechanical properties, on their applications in engineering fields. Acquire the main theoretical notions of the fundamental phenomena of chemistry and the laws that regulate them, as well as having acquired skills in solving exercises and problems concerning the main topics of stoichiometry, chemical equilibrium and electrochemistry. Provide the ability to independently and consciously apply the theoretical notions acquired and be able to identify the most appropriate approach to set up, analyse and be able to make a critical comparison between different possible solutions concerning the interpretation and stoichiometric balance of chemical reactions, the interpretation and calculation of phenomena and the ability to correlate the chemical-physical aspects (electronic, thermodynamic, kinetic) with the properties of the same. Develop logical-argumentative and synthesis skills and must be able to use properly the scientific languages of the specific discipline communicating the knowledge acquired critically using an appropriate technical language and a methodological approach. To make students able to acquire appropriate study, description and scientific investigation methods so that to apply independently their knowledge to solve engineering problems with suitable techniques and tools as well as the ability to face further advanced or sectoral themes.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali. Sono inoltre previste esercitazioni guidate in aula, con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Tutte le attività sono svolte con supporto di slide delle lezioni.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, mainly takes place through lectures. There are also practical based lessons and guided exercises with teacher support, with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. All activities are carried out with the support of lecture slides.

Prerequisiti

Per lo studio di tali argomenti gli studenti devono possedere adeguate conoscenze di matematica (derivate, integrali ed equazioni differenziali) e fisica (forza, lavoro, equilibrio), nonché nozioni di base relative alla simbologia di elementi e composti, alla più semplice nomenclatura inorganica ed organica ed al bilanciamento delle reazioni elementari.

Prerequisites

Knowledge in mathematical analysis (concepts of limit, derivative, integral and differential equations), physics (concepts of force, stress, strain and equilibrium). Basic knowledge of general chemistry's laws, the symbols of elements and compounds, the simplest nomenclature both organic and inorganic, the balancing of elementary reactions.

Verifiche dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta, seguita dalla prova orale. Durante la prova scritta si chiede di eseguire lo svolgimento completo di cinque esercizi. Gli argomenti e il livello di difficoltà degli esercizi corrispondono al programma svolto e ai testi di riferimento indicati. Il tempo assegnato per la prova scritta è di due ore. Durante le prove scritte è possibile utilizzare una calcolatrice, la tavola periodica ed un formulario La valutazione della prova scritta è fatta in trentesimi. La prova scritta si ritiene superata se la valutazione complessiva non è inferiore a 15/30. Superata la prova scritta, essa ha validità per tutto l’anno accademico entro il quale dovrà essere sostenuta la prova orale. La prova orale è incentrata sugli argomenti trattati durante il corso (definizioni, esempi rilevanti, dimostrazioni, applicazioni, collegamenti tra i vari argomenti). Essa ha il duplice scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso e di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento, l'abilità comunicativa e proprietà di linguaggio scientifico e indi valutare le facoltà logico-deduttive acquisite dallo studente. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della valutazione ottenuta durante la prova scritta e durante la prova orale. Durante lo svolgimento del corso sono previste due prove scritte in itinere. Lo studente che supera le prove in itinere è esonerato dalla prova scritta e può direttamente sostenere la prova orale. Le prove in itinere sono relative agli argomenti trattati durante il corso e si tengono rispettivamente nei periodi di Aprile e Maggio (in date che vengono concordate durante le lezioni con gli studenti). La prima prova in itinere prevede lo svolgimento di esercizi sui seguenti argomenti: legame chimico, stato gassoso, stato liquido, termochimica, formule minime e molecolari, nomenclatura dei principali composti inorganici, reazioni chimiche e rapporti ponderali. La seconda prova in itinere verte sullo studio degli equilibri omogenei ed eterogenei in fase gas, equilibri in soluzione, elettrochimica. A ciascuna prova si assegna una valutazione in trentesimi. Le prove sono superate se la media delle due prove di verifica è pari o maggiore a 15/30. Maggiori dettagli sulle modalità di svolgimento delle prove di esame sono reperibili alla pagina Moodle del corso.

Assessment

The exam consists of a written test followed by an oral test. During the written test, students are asked to perform the complete development of five exercises. The topics and the level of the exercises correspond to the program delivered and to the reference texts indicated. The time allotted for the written test is two hours. During the written exams, it is permitted to use a calculator and the periodic table of the elements. The evaluation of the written test is scored out of thirty. The written test is considered passed if the overall evaluation is not less than 15/30. Once the written test has been passed, it is valid for the entire academic year within which the oral exam must be taken. The oral exam focuses on the topics covered during the course (definitions, relevant examples, proofs, links between the various topics…). It has the dual purpose of verifying the level of knowledge and understanding of the course contents and to evaluate the autonomy of judgment, the learning ability, the communicative ability and properties of scientific language and then evaluate the logical-deductive faculties acquired by the student. The final grade is expressed out of thirty and takes into account the evaluation obtained during the written exam and during the oral exam. During the course, there are two ongoing written tests. Students who pass the ongoing tests are exempt from the final written exam and can directly take the oral exam. The ongoing tests are related to the topics covered during the course and are held respectively in the periods of April and May (on dates that are agreed during the lessons with the students). The first ongoing test involves exercises on the following topics: chemical bond, gaseous state, liquid state, thermochemistry, minimal and molecular formulas, nomenclature of the main inorganic compounds, chemical reactions and weight ratios. The second ongoing test concerns on the study of homogeneous and heterogeneous equilibria in the gas phase, equilibria in solution, electrochemistry. A score out of thirty is assigned to each test. The written test is passed if the average of the two tests is equal to, or greater than, 15/30. More details on the exams and past papers can be found on the Moodle page of the course.

Programma del Corso

-INTRODUZIONE: Stati di aggregazione della materia. Sistemi omogenei ed eterogenei. Sostanze ed elementi chimici. -STRUTTURA DELL'ATOMO: Struttura e modelli atomici. Configurazione elettronica degli elementi. Il sistema periodico degli elementi. Proprietà periodiche. -IL LEGAME CHIMICO: Legame ionico e covalente. Strutture di Lewis. Modello VSEPR e geometria molecolare. Ibridizzazione. Forze intermolecolari. Legame idrogeno. -LO STATO GASSOSO: Equazione di stato dei gas ideali. Gas reali, equazione di Van der Waals. Temperatura di Boyle. -LO STATO SOLIDO: Reticoli cristalline e celle elementari. Solidi molecolari, ionici, covalenti e metallici. -LO STATO LIQUIDO: Tensione superficiale di un liquido. Viscosità e tensione di vapore. -TERMODINAMICA: Funzioni di stato. Trasformazioni reversibili ed irreversibili Calore, lavoro ed energia interna. Primo principio della termodinamica. Entalpia e legge di Hess. Entropia. Secondo principio della termodinamica. Processi spontanei. Energia libera. Terzo principio della termodinamica. -EQUILIBRI FISICI: Passaggi di stato, equazioni di Clapeyron e Claussius-Clapeyron. Diagrammi di stato ad un componente: acqua e anidride carbonica. -SOLUZIONI: Concentrazione e sue unità. Solubilità e processi di dissoluzione. Soluzioni di gas nei liquidi. Entalpia di dissoluzione ed effetto della temperatura sui processi di solubilizzazione. Soluzioni ideali e soluzioni reali. Legge di Raoult. Proprietà colligative delle soluzioni. -EQUILIBRIO CHIMICO: Processi spontanei ed equilibrio termodinamico nelle reazioni chimiche. Legge di azione di massa. Isoterma ed isocora di van't Hoff. Equilibri omogenei. Principio di Le Chatelier. Effetto della variazione di concentrazione di un reagente o un prodotto sull’equilibrio. Effetto della variazione di volume, pressione e temperatura sugli equilibri omogenei. Equilibri eterogenei. -SOLUZIONI ELETTROLITICHE: Teoria di Arrhenius della dissociazione elettrolitica. Elettroliti forti e deboli. Fattore di van't Hoff e proprietà colligative di soluzioni di elettroliti. -EQUILIBRI IN SOLUZIONE: Equilibri acido-base: Definizioni generali (Arrhenius, Broensted-Lowry, Lewis). Forza degli acidi e delle basi e costanti di equilibrio. Struttura molecolare e proprietà di acido-base. Autoionizzazione dell'acqua. Il pH. Calcolo del pH di soluzioni acide, basiche, e saline. Soluzioni tampone. Solubilità e prodotto di solubilità di sali. -CINETICA CHIMICA:Velocità di reazione. Leggi cinetiche e leggi cinetiche integrate. Ordine e molecolarità di una reazione. Equazione di Arrhenius. Energia di attivazione. Meccanismo cinetico delle reazioni. Teoria delle collisioni e teoria del complesso attivato. Catalisi. -ELETTROCHIMICA: Potenziale di un semielemento ed equazione di Nernst. Potenziali standard di riduzione. Pile chimiche e pile a concentrazione. Elettrolisi e leggi di Faraday. Applicazioni: accumulatori e corrosione. -STECHIOMETRIA: Mole. Formule minime e molecolari. Nomenclatura dei principali composti inorganici. Equazioni chimiche, reazioni chimiche e rapporti ponderali. Reattivo limitante. Legge dei gas e specie gassose nelle reazioni chimiche. Analisi indiretta. Soluzioni e analisi volumetrica. Equilibri chimici gassosi, omogenei ed eterogenei. Termochimica e termodinamica delle reazioni. Proprietà colligative delle soluzioni di non elettroliti e di elettroliti. Calcolo del pH di soluzioni di acidi, basi e sali. Soluzioni tampone. Elettrochimica: Pile e forza elettromotrice di una pila.

Course Syllabus

-ATOMIC STRUCTURE AND PERIODIC SYSTEM: Evolution of the atomic theory. The electronic structure of atoms and the periodic classification of the elements. Periodic properties of the elements: atomic radius, ionization energy, electronic affinity, metallic properties, non-metallic and semi-metallic elements. -THE CHEMICAL BOND: Octet rule. Covalent bond. Electronegativity. Lewis structures. Exceptions to the octet rule. Hybridization. Notes on molecular orbital theory. Resonance. Ionic bond. Metallic bond. Intra- and intermolecular interactions. Hydrogen bond. -OXIDATION NUMBER, COMPOUNDS CLASSIFICATION: Oxidation number. Typology and nomenclature of chemical compounds. Empirical formula, molecular formula, structural formula. -CHEMICAL REACTIONS: Mass conservation law. Mole and atomic weight. Acid-base reactions. Oxidizing and reducing agents. Redox reactions. Equivalent weight and equivalents number. -THE STATE OF MATTER: The ideal gas. Boyle's law. Charles’s law. Gay Lussac’s law. The ideal gas equation. Gas mixtures: partial pressures. Dalton's Law. Grahams law. Real gases. The van der Waals equation. Liquid: Physical properties. Vapour pressure. Critical temperature and Andrews diagram. Liquid solutions. Solubility. Concentration of solutions. Definition of electrolyte and non-electrolyte. Ideal solutions. Rault’s law for ideal and real solutions. Colligative properties. Ionic solids. Covalent solids. Molecular solids. -THERMOCHEMISTRY: Heats of reaction. Heats of formation. Hess's Law. Entropy. Statistical and molecular interpretation of entropy. Free energy and spontaneity of chemical reactions. -CHEMICAL EQUILIBRIUM: Equilibrium in gaseous systems. Influence of concentration, pressure and temperature on the equilibrium. Degree of dissociation. Equilibrium in heterogeneous systems. -EQUILIBRIA IN SOLUTION: Acid-base equilibria. pH: definition. pH calculation for :strong acid or strong base, weak acid or weak base, poly-protic acids. Hydrolysis equilibria. Hydrolysis pH calculation. Buffer solutions. Solubility product. - ELECTROCHEMISTRY. Galvanic cells or batteries. Electrodes, use of standard potentials. Electromotive force. Nernst equation. Concentration cells. Notes on electrolysis. Faraday's law.