Obiettivi formativi

Obiettivo generale del corso di Chimica sarà fornire allo studente elementi conoscitivi essenziali alla comprensione delle moderne teorie sulla costituzione atomica e molecolare della materia.
Lo studente dovrà saper interpretare alcuni fenomeni macroscopici su scala molecolare e soffermarsi sulle variazioni energetiche ad essi connesse.
Una particolare attenzione sarà rivolta alla chimica del carbonio, finalizzata all’acquisizione di solide basi teoriche per la successiva comprensione, in chiave molecolare, di processi biochimici complessi.

Programma

Struttura dell'atomo, massa e carica delle particelle subatomiche, significato del numero atomico e del numero di massa, mole, numero di Avogadro. Radiazione elettromagnetica, quanti e fotoni. Spettri ottici. Modello atomico di Bohr. Moto dell'elettrone: orbitali atomici, livelli energetici definiti da numeri quantici, forme degli orbitali più semplici (s, p), principio di esclusione del Pauli. Struttura elettronica degli elementi: riempimento progressivo degli orbitali, regola di Hund. Formule elettroniche dei primi 18 elementi in forma neutra e in forma ionica. Lettura e comprensione della tavola periodica degli elementi. Proprietà periodiche: carica nucleare efficace, energia di ionizzazione, affinità elettronica, formazione di ioni positivi o negativi; dimensioni degli atomi neutri e rispettivi ioni, carattere metallico.
Forze attrattive e repulsive tra atomi nella formazione di legami chimici, energia di legame, regola dell'ottetto. Legame ionico, struttura a reticolo di sali cristallini, energia reticolare, densità di carica dello ione, proprietà dei composti ionici; legame covalente puro, sovrapposizione degli orbitali atomici, legame covalente dativo. Lunghezza dei legami. Polarità del legame covalente, momento dipolare, elettronegatività degli elementi, concetto di valenza. Teoria degli orbitali molecolari, regione legante ed antilegante, energia degli orbitali molecolari. Orbitali ibridi: ibridazione sp, sp2, sp3 e relativa geometria spaziale delle molecole. Lunghezza ed energia di legami multipli. Orbitali di legame: orbitali molecolari di tipo σ, e di tipo П. Delocalizzazione degli elettroni del legame П, risonanza. Composti di coordinazione, legami nei metalli.
Legami ponte a idrogeno, forza del legame idrogeno confrontata con quella del corrispondente legame covalente. Struttura dell'acqua nello stato solido, liquido, gassoso. Forze di attrazione tra molecole: dipoli permanenti e dipoli istantanei.
Differenze di energia tra reagenti e prodotti: componenti dell'energia interna, calore-lavoro, calore di reazione, differenze di entalpia, reazioni esotermiche e endotermiche, ∆H come sommatoria delle energie dei legami scissi e dei legami formati, calore di soluzione, legge di Hess. Criteri di spontaneità di una reazione: reazioni favorite e non, entropia e 2° principio della termodinamica; variazione di entropia dell'ambiente, differenza di energia libera, e reazioni esoergoniche ed endoergoniche. Entalpia, entropia ed energia livera standard. Relazione matematica tra le differenze di entalpia, entropia ed energia libera; importanza della temperatura nel determinare la spontaneità di una reazione. Reazioni reversibili, equilibrio chimico e costante di equilibrio. Perturbazioni dell'equilibrio, principio di Le Chathelier; Relazione tra costante di equilibrio ed energia libera. Accoppiamento di reazioni esoergoniche (es: idrolisi di ATP) con reazioni endoergoniche. Cenni di cinetica chimica: teoria del complesso attivato, catalizzatori, stadio lento di reazione, ordini di reazione.
Costante dielettrica dell'acqua; solvatazione dei sali in soluzione acquosa; elettroliti ionici, non ionici e non elettroliti: definizione di acido e base; auto-ionizzazione dell'acqua: prodotto ionico dell'acqua. Acidi e basi forti, acidi e loro basi coniugate, acidi deboli, forza dell'acido e della base coniugata, costante di dissociazione acida (Ka) e basica (Kb). Acidi poliprotici. Scala del pH. Cenni sulle titolazioni acido-base. Equivalenti e normalità. Soluzioni tampone. Equazione di Henderson-Hasselbalch. Capacità tamponante, tampone bicarbonato-acido carbonico.
Abbassamento della tensione di vapore. Pressione osmotica, legge di Wan't Hoff, pressione osmotica ed elettroliti, osmolarità. Tono di una soluzione.
Numero di ossidazione, regole per il calcolo del numero di ossidazione. Ossidazione e riduzione come reazioni accoppiate; concetto di elemento ossidato e ridotto, riducente ed ossidante. Celle galvaniche (pila Zn-Cu), potenziali di cella, potenziali standard e costante di equilibrio, potenziali ed energia libera: equazione di Nernst. Potenziali di riduzione standard E°' di alcune semireazioni importanti in biochimica.
Legami tra atomi di carbonio, formule di struttura, isomeri. Idrocarburi: struttura tridimensionale ed orbitali ibridi e reattività chimica in alcani, alcheni, alchini. Cenni sulle principali regole IUPAC di nomenclatura. Grado di insaturazione. Effetto di iperconiugazione. Reagenti elettrofili e nucleofili. Reazione di addizione negli alcheni, addizione elettrofila, regioselettività, ordine di stabilità dei carbocationi, addizione nucleofila a composti carbonilici alfa-beta insaturi, dieni coniugati e isolati. Idrocarburi aromatici, strutture ed energia di risonanza, regola di Huckel, aromaricità, sostituzione elettrofila aromatica. Composti eterociclici aromatici: solubilità, caratteristiche acido-basiche. Gruppi funzionale contenenti eteroatomi: ammine (primarie, secondarie e terziarie), struttura, solubilità e reattività, immine. Alcoli: caratteristiche chimiche e fisiche, alcoli primari, secondari e terziari, eteri. Rottura omolitica ed eterolitica di legami, stabilizzazione di radicali, coniugazione di radicali, carbocationi e carbanioni. Composti carbonilici: aldeidi e chetoni, strutture di risonanza, reattività del gruppo funzionale carbonilico, attacco nucleofilo al carbonio carbonilico, attacco elettrofilo all'ossigeno, formazione di emiacetali. Acidi carbossilici, solubilita', reattivita' del gruppo carbossilico. Derivati degli acidi carbossilici: formazione di esteri, ammidi, immidi, anidridi, risonanza e reattività relativa dei derivati degli acidi carbossilici. Tioli, gruppo funzionale, solubilità rispetto agli alcoli, reazioni di ossidazione. Composti ad alta e bassa energia: tioesteri ed esteri, confronto tra le energie libere di idrolisi; anidridi miste, anidridi fosforiche, ∆G di idrolisi del legame fosfoanidridico nell'ATP. Tautomeria cheto¬enolica, fosfoenolpiruvato. Fattori che influenzano l'acidità dei composti organici: elettronegatività, energia del legame, effetti sterici, effetti induttivi, effetti di ibridazione, effetti di risonanza, aromaticità. Acidità del carbonio in alfa ad un gruppo carbonilico. Stati di ossidazione del carbonio e dell'azoto nei composti organici, reazioni di ossido-riduzione organica. Chiralità, enantiomeri, diastereoisomeri. Carboidrati: monosaccaridi, aldosi e chetosi, proiezioni di Fisher, serie D, struttura ciclica, proprietà fisiche e reattività, legame glicosidico, disaccaridi, polisaccaridi. Generalità sugli acidi grassi.

Modalità d'esame