Chimica per ingegneria meccanica

La materia e le sue proprietà

Grandezze fisiche intensive ed estensive. Classificazione della materia: atomi, elementi, molecole, composti

Stechiometria e fondamenti della teoria atomica

Le origini della teoria atomica. Dalle leggi fondamentali della chimica all’ipotesi atomica. Masse atomiche relative. La mole e la massa molare. La stechiometria delle formule chimiche. L’equazione chimica bilanciata: relazioni stechiometriche. Il reattivo limitante in una reazione chimica. Calcoli stechiometrici.

Struttura atomica

Costituzione dell’atomo. Interpretazione del modello atomico sulla base della quantizzazione dell’energia: l’atomo di idrogeno ed orbitali atomici. Atomi polielettronici e tavola periodica. Andamenti periodici delle dimensioni degli atomi, dell’energia di ionizzazione, dell’affinità elettronica. Il carattere metallico

Il legame chimico

Legame chimico: energie, distanze ed angoli di legame. Il legame covalente. Legami multipli. Orbitali molecolari. Geometria molecolare. L’elettronegatività. La polarità dei legami. La polarità delle molecole in relazione alla loro struttura. Il legame ionico: il cristallo ionico in relazione alla sua energia reticolare. La polarizzabilità di uno ione. Nomenclatura dei principali composti inorganici

Lo stato gassoso e fasi condensate

Pressione e temperatura dei gas. Legge dei gas ideali. Le miscele gassose. La distribuzione delle velocità molecolari. Le interazioni deboli: tipi di forze intermolecolari e loro relazione con lo stato di aggregazione delle sostanze molecolari. I gas reali: equazione di Van der Waals, il fattore di compressibilità e la temperatura critica. La temperatura critica in relazione ai parametri dell’equazione di stato di Van der Waals. La liquefazione dei gas. Stato liquido. Stato solido: forze di coesione nei solidi; l’energia reticolare dei cristalli. Solidi amorfi. Solidi metallici: il modello a bande.

Equilibri fisici

Le funzioni di stato. Il principio zero ed il primo principio della termodinamica. La funzione di stato Entalpia. Trasformazioni di fase di una sostanza pura: definizione ed energetica. Trasformazioni reversibili ed irreversibili. Le trasformazioni spontanee. Entropia e disordine. Interpretazione molecolare dell’Entropia. L’energia libera e la previsione di una trasformazione spontanea. Le trasformazioni irreversibili ed il raggiungimento della condizione di equilibrio. Gli equilibri fisici: l'equilibrio liquido-vapore. Il diagramma di fase di una sostanza pura. Temperature di fusione ed ebollizione.

Le soluzioni

Le soluzioni. La previsione della formazione della soluzione in relazione con le caratteristiche molecolari dei costituenti e dei parametri energetici. I modi per esprimere la composizione di una soluzione. La solubilità come raggiungimento della condizione di equilibrio. La legge di Raoult. Le proprietà delle soluzioni.

Cinetica chimica

La velocità di reazione: definizione, i parametri che l’influenzano per reazioni omogenee ed eterogenee. Leggi cinetiche. Ordine e molecolarità della reazione. Meccanismi di reazione. La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura: l’energia di attivazione. Cenni sulla catalisi e la combustione.

L’equilibrio chimico

Dalle velocità di reazione all’equazione che regola le condizioni di equilibrio: la legge di azione di massa. Il significato della costante di equilibrio. I parametri che possono influenzare le condizioni di equilibrio. Il raggiungimento dell’equilibrio da una condizione di non-equilibrio. Equilibri omogenei ed eterogenei: l’aspetto limitativo degli equilibri eterogenei.

Il problema degli equilibri in soluzione acquosa

L’equilibrio tra specie presenti in soluzione acquosa in sistemi omogenei ed eterogenei. La dissociazione dell’acqua. pH. Concetto di acido e di base. Forza degli acidi e delle basi. L’idrolisi. La neutralizzazione. Equilibri di solubilità: il prodotto di solubilità; l’effetto dello ione in comune. Il raggiungimento delle condizioni di precipitazione per mescolamento di soluzioni, l’influenza del pH sulla solubilità. L’equilibrio carbonato-bicarbonato.

Reazioni di ossido-riduzione ed elettrochimica

Numero di ossidazione. Reazioni di ossido-riduzione. Il concetto di semireazione. Equilibri elettrochimici: il potenziale di elettrodo, la serie elettrochimica. Le celle galvaniche: reazioni di ossido-riduzione spontanee, la forza elettromotrice di una pila. L’equazione di Nernst. Pile a concentrazione. Cenni sulle pile di interesse pratico.

Applicazioni numeriche

Formule chimiche empiriche e molecolari. Composizione percentuale in peso. Equazione di reazione bilanciata, rapporti stechiometrici, reattivo limitante. Reazioni che coinvolgono sostanze gassose o sostanze in soluzione. Composizione delle soluzioni e condizioni di saturazione. Equilibri in fase gassosa ed in soluzione. Calcolo di pH di soluzioni di elettroliti forti e deboli. La neutralizzazione. Equilibri di solubilità. Determinazione di f.e.m. di celle galvaniche. Leggi di Faraday.