Chimica e tecnologia farmaceutiche

ANTONELLO FILIPPI
CATERINA FRASCHETTI

Obiettivi generali
Il corso ha lo scopo di dotare lo studente di una solida base nei concetti fondamentali della chimica, con particolare riferimento alla chimica degli elementi, che saranno patrimonio culturale del laureato in CTF. In esso vengono trattati gli argomenti indispensabili per una corretta comprensione della materia e delle sue trasformazioni. Su questa base si potranno fondare le competenze che lo studente avrà modo di acquisire negli insegnamenti degli anni successivi. Il corso prevede esercitazioni numeriche che rendono lo studente in grado di affrontare i problemi che incontrerà nei vari ambiti della chimica, fornendo gli strumenti essenziali per la loro analisi.

Obiettivi specifici
1. Conoscenza e capacità di comprensione
Lo studente avrà modo di conoscere strutture e modelli della chimica generale, acquisire padronanza dei concetti alla base delle proprietà e reattività della materia, degli elementi e dei composti chimici e comprendere le problematiche inerenti alla stechiometria. Conosce quindi i principi fondamentali della chimica generale a partire dalla struttura atomica, la tavola periodica e il legame chimico, fino alle reazioni chimiche (aspetti quali e quantitativi) con elementi di cinetica e termodinamica chimica e descrizione degli stati di aggregazione della materia. E’ in grado di descrivere gli equilibri (eterogenei e omogenei) ed i fondamenti dell'elettrochimica. Avrà inoltre acquisito una conoscenza di base delle proprietà degli elementi e dei loro composti.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al completamento del corso lo studente sarà in grado di correlare tra loro i vari argomenti sviluppati nel programma mettendo in relazione le proprietà della materia con le proprietà degli atomi e delle molecole. Avrà inoltre acquisito familiarità con l’applicazione corretta e appropriata di strumenti di calcolo, utilizzando le metodiche disciplinari di indagine, al fine di risolvere quesiti applicativi.

3. Autonomia di giudizio
Lo svolgimento degli esercizi pertinenti gli argomenti trattati nelle lezioni frontali offrirà allo studente la possibilità di mettere alla prova le nozioni acquisite relativamente alle diverse tematiche proposte. Ciò permette di sviluppare la capacità di applicare le nozioni studiate a casi pratici e di valutare criticamente l’esito e il metodo usato nelle procedure adottate.

4. Abilità comunicative
Oltre a fornire le conoscenze di base, il corso vuole fare acquisire allo studente padronanza di linguaggio ed uso appropriato della terminologia chimica e del metodo scientifico, indispensabili per comunicare nel contesto scientifico nazionale e internazionale. A questo scopo si dedica ampio spazio agli interventi e discussioni informali durante le lezioni e alla prova orale di esame.

5. Capacità di apprendimento
Lo stimolo ad utilizzare un corretto formalismo scientifico e di formulare deduzioni logicamente consistenti a partire dai concetti e principi che stanno alla base della scienza chimica costituiscono un solido addestramento verso la crescita culturale nell’autonomia degli studi e delle attività professionali future.

L'obiettivo principale del corso è di:
- fornire principi ed applicazioni della chimica generale ed inorganica, propedeutici a varie discipline e necessari a descrivere e comprendere la struttura e la reattività della materia;
- educare ad un adeguato metodo e linguaggio scientifico;
- trasmettere la capacità di studiare in maniera critica e ragionata.

Lo studente deve possedere le conoscenze di base apprese nel corso di Matematica.
Non sono previste propedeuticità.

PROGRAMMA
Nozioni introduttive. Oggetto della ricerca chimica. Fenomeni chimici. Leggi fondamentali della chimica. Simboli e notazione chimica. La mole. Teoria atomica. Atomi e loro proprietà. Massa e peso atomico. Numero di Avogadro. Struttura atomica. Spettri atomici. Modello di Bohr. Natura corpuscolare ed ondulatoria dell’elettrone. Numeri quantici. Orbitali atomici. Configurazione elettronica. Legame chimico: concetto di valenza. I diversi tipi di legame e loro proprietà: ordine, energia, distanza di legame, momento dipolare. Teoria del legame di valenza e degli orbitali molecolari. Orbitali ibridi, risonanza. Struttura di alcune molecole tipiche. Legami intermolecolari. Stati di aggregazione e cambiamenti di stato. Stato aeriforme, liquido e solido. Diagrammi di stato. Legge di Clausius-Clapeyron. Sistemi a due componenti. Le soluzioni e le loro proprietà colligative. Principio di Le Chatelier. Cenni di termodinamica. Principi della termodinamica. Alcune funzioni termodinamiche. Termochimica. Reazioni ed equilibri chimici. Criteri termodinamici per la spontaneità e l’equilibrio nelle trasformazioni chimiche. Legge di azione massa. Fattori che influenzano la posizione dell’equilibrio. Dissociazione elettrolitica. Elettroliti e loro proprietà in soluzione. Acidi e basi. Definizione e teorie sugli equilibri acido-base. Relazioni tra struttura molecolare e proprietà acido-base. Equilibri acido-base nelle soluzioni acquose. Titolazioni. Indicatori. Solubilità. Equilibri di solubilità e fattori che li influenzano. Reazioni elettrochimiche. Reazioni di ossidoriduzione. Potenziali, potenziali normali, forza elettromotrice, semielementi, pile, equazione di Nernst. Vari tipi di elettrolisi. Elementi di cinetica. Velocità, ordine, molecolarità di una reazione, costante cinetica e sua dipendenza dalla temperatura. Equazione di Arrhenius, energia di attivazione. Cenni sulla teoria delle collisioni. Catalisi. Cenni di Chimica inorganica. Nomenclatura sistematica. Elementi e loro composti principali.

ESERCITAZIONI DI STECHIOMETRIA COLLEGATE CON IL CORSO DI CHIMICA GENERALE ED INORGANICA
Unità di misura. Rapporti ponderali nelle combinazioni chimiche. Peso atomico, abbondanza isotopica, peso molecolare, peso formale. Concetto di mole. Formule chimiche. Equazioni chimiche e loro significato quantitativo. Bilanciamento delle equazioni chimiche. Numero di ossidazione. Reazioni di ossido-riduzione e loro bilanciamento. Rapporti quantitativi fra sostanze che partecipano ad una reazione. Le soluzioni. Concentrazione e sue unità: molarità, molalità, frazione molare, percento in peso, percento in volume. Diluizione e mescolamento di soluzioni. Densità. Lo stato gassoso: unità relative a volume, pressione e temperatura. Le leggi dei gas ideali. Principio di Avogadro. Equazione di stato dei gas ideali. Densità. Miscele di gas. Pressioni parziali. Legge di Dalton. Proprietà colligative. Proprietà colligative delle soluzioni di non elettroliti: tensione di vapore, legge di Raoult, innalzamento ebullioscopio ed abbassamento crioscopico, pressione osmotica. Dissociazione elettrolitica. Elettroliti deboli e forti. Grado di dissociazione. Effetto della dissociazione elettrolitica sulle proprietà colligative. Binomio di van’t Hoff. Dissociazione termica. Grado di dissociazione. Legge di azione di massa. Diverse forme della costante di equilibrio e loro relazioni. Equilibri in fase omogenea ed eterogenea. Applicazione del principio di Le Chatelier. Legge di azione di massa relativa agli elettroliti. Legge di Ostwald. Equilibri acido-base. Prodotto ionico dell’acqua. pH. Soluzioni di acidi e basi forti e di acidi e basi monoprotici deboli. Dissociazione di acidi poliprotici. Soluzioni tampone. Equilibri acido-base nelle soluzioni saline: sali di acidi poliprotici e anfoliti. Equilibri di solubilità. Solubilità. Prodotto di solubilità. Effetto dello ione comune. Condizione di formazione dei precipitati. Pile. Semielementi e loro rappresentazione. Potenziale normale. Equazione di Nernst. Vari tipi di elettrodi e loro applicazioni.

Le basi della Chimica (incluso risorse online)
S. Borocci, M. Cruciarelli, M. L. Di Vona, C. Fraschetti, S. Lamponi, G. Leone, A. Magnani, D. Monti, L: Rossi
a cura di: M. Speranza e A. Filippi
Edizioni A.L.E.

Stechiometria “Chimica generale attraverso gli esercizi” (incluso risorse online)
Massimiliano Aschi, Maria Luisa Di Vona, Antonello Filippi, Caterina Fraschetti, Felice Grandinetti, Gemma Leone, Nico Sanna, Pietro Tagliatesta
a cura di Antonello Filippi
Edizioni A.L.E.

L’esame di chimica generale
Maurizio Speranza, Antonello Filippi, Marcello Crucianelli
Edizioni A.L.E.

Organizzazione delle attività didattiche
L'insegnamento si articola in 8 CFU, suddivisi in lezioni teoriche ed esercitazioni numeriche strettamente integrate tra loro.
Modalità di erogazione: Didattica in presenza
Metodologie didattiche adottate:
L'insegnamento adotta una combinazione di diverse metodologie didattiche volte a favorire il raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi:
1. Lezioni frontali
Le lezioni frontali sono dedicate alla presentazione sistematica dei contenuti teorici del corso. Durante le lezioni vengono:
• Illustrati i principi fondamentali della chimica generale e inorganica
• Presentati modelli e teorie con supporto di materiale multimediale (presentazioni, animazioni, video)
• Discussi esempi applicativi per collegare teoria e pratica
• Proposti spunti di riflessione critica sui fenomeni chimici
• Favoriti momenti di interazione con gli studenti attraverso domande e discussioni guidate
2. Esercitazioni numeriche di stechiometria
Le esercitazioni sono strettamente integrate con le lezioni teoriche e mirano a sviluppare le capacità di applicazione delle conoscenze attraverso la risoluzione guidata di problemi quantitativi. Durante le esercitazioni:
• Vengono illustrati metodi sistematici di risoluzione dei problemi
• Si svolgono esercizi di difficoltà crescente con spiegazione dettagliata del procedimento
• Gli studenti sono stimolati a partecipare attivamente proponendo strategie risolutive
• Vengono fornite indicazioni su errori comuni e strategie per evitarli
• Si dedicano momenti specifici al chiarimento di dubbi e difficoltà
3. Apprendimento attivo
Durante le lezioni vengono integrate tecniche di apprendimento attivo quali:
• Problem-based learning: presentazione di problemi chimici reali da risolvere applicando i concetti studiati
• Peer instruction: momenti di discussione tra pari su quesiti proposti dal docente
• Just-in-time teaching: utilizzo di brevi test o domande preliminari per identificare le difficoltà degli studenti e adattare di conseguenza la lezione
4. Utilizzo di supporti telematici
Il corso si avvale della piattaforma Moodle per:
• Condividere materiale didattico (slide delle lezioni, esercizi svolti, materiale integrativo)
• Fornire esercizi di autovalutazione con feedback automatico
• Comunicare con gli studenti (avvisi, variazioni di orario, materiali aggiuntivi)
• Favorire l'interazione attraverso il ricevimento studenti per domande e chiarimenti
5. Materiale di supporto
Agli studenti vengono forniti:
• Slide delle lezioni in formato PDF
• Raccolta di esercizi svolti e commentati
• Esercizi proposti con soluzioni per l'autovalutazione
• Link a risorse online (simulazioni, video didattici, applet interattive)
Coerenza tra metodologie didattiche e risultati di apprendimento attesi:
Le metodologie didattiche adottate sono progettate per favorire il raggiungimento dei risultati di apprendimento attraverso:
• Le lezioni frontali sviluppano la conoscenza e comprensione (DD1) fornendo una presentazione sistematica e approfondita dei contenuti teorici
• Le esercitazioni numeriche sviluppano la capacità di applicare conoscenze (DD2) attraverso la pratica sistematica della risoluzione di problemi quantitativi
• Le tecniche di apprendimento attivo favoriscono l'autonomia di giudizio (DD3) stimolando il pensiero critico e l'analisi dei problemi
• La discussione in aula e l'uso di domande guidate sviluppano le abilità comunicative (DD4) incoraggiando gli studenti a esprimere concetti scientifici con linguaggio appropriato
• L'utilizzo della piattaforma Moodle e dei materiali per l'autovalutazione supportano la capacità di apprendimento autonomo (DD5) fornendo strumenti per lo studio individuale e la verifica dei progressi
Organizzazione temporale:
Le lezioni si svolgono secondo il calendario accademico del Corso di Studio. La distribuzione degli argomenti nell'arco del semestre è organizzata in modo da garantire:
• Una progressione logica e graduale dei contenuti
• L'alternanza tra argomenti teorici ed esercitazioni pratiche
• Momenti di riepilogo e consolidamento prima delle verifiche intermedie
• Tempo adeguato per l'assimilazione dei concetti più complessi
Il programma dettagliato con gli argomenti e i riferimenti ai testi è disponibile nel Campo 9 - Programmazione.
Attività per studenti non frequentanti:
Gli studenti non frequentanti hanno accesso a tutto il materiale didattico attraverso la piattaforma Moodle e possono contattare il docente via email per chiarimenti. Il programma d'esame e le modalità di valutazione sono identici per studenti frequentanti e non frequentanti.
È comunque consigliata la frequenza alle lezioni, in particolare alle esercitazioni numeriche, per acquisire una migliore padronanza delle tecniche di risoluzione dei problemi.
Ricevimento studenti:
Il docente riceve gli studenti su appuntamento (da concordare via email).

Modalità di frequenza
La frequenza alle lezioni e alle esercitazioni dell'insegnamento di Chimica Generale e Inorganica non è obbligatoria.
Tuttavia, la frequenza è fortemente consigliata in quanto:
• Favorisce una migliore comprensione degli argomenti attraverso la spiegazione diretta del docente e l'interazione in aula
• Permette di partecipare alle esercitazioni numeriche guidate, fondamentali per acquisire le competenze necessarie alla risoluzione dei problemi stechiometrici
• Consente di beneficiare delle attività di apprendimento attivo e delle discussioni con i compagni
• Facilita il confronto diretto con il docente per chiarimenti immediati su dubbi e difficoltà
• Aiuta a mantenere un ritmo costante nello studio e nell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento
L'esame finale è volto ad accertare il raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi, verificando l'acquisizione delle conoscenze teoriche fondamentali della chimica generale e inorganica e la capacità di applicarle nella risoluzione di problemi quantitativi.
Tipologia di prova: La verifica dell'apprendimento prevede un esame scritto seguito da un colloquio orale.
1. Prova scritta (obbligatoria)
Obiettivo: Verificare la capacità dello studente di applicare le conoscenze acquisite nella risoluzione di problemi quantitativi di stechiometria e di rispondere a quesiti teorici.
Composizione della prova:
• Esercizi numerici di stechiometria (3 esercizi): calcoli stechiometrici, bilanciamento di reazioni, calcoli su soluzioni, gas ideali, equilibri chimici, pH, elettrochimica, proprietà colligative
Modalità di somministrazione: Prova scritta in presenza
Durata: 1.5 ore
Valutazione: La prova scritta è valutata in trentesimi. Il superamento della prova scritta è condizione necessaria per accedere alla prova orale.

Criteri di valutazione della prova scritta:
• Correttezza del procedimento risolutivo e del risultato numerico (esercizi)
• Corretta applicazione delle formule e delle unità di misura
• Utilizzo appropriato delle cifre significative
• Chiarezza espositiva e organizzazione logica della risposta (quesiti teorici)
• Correttezza e completezza dei contenuti teorici
• Utilizzo appropriato del linguaggio scientifico e della simbologia chimica
2. Prova orale (obbligatoria)
Obiettivo: Approfondire e integrare la verifica delle conoscenze teoriche, valutare la capacità di ragionamento critico, la proprietà di linguaggio scientifico e la capacità di collegare argomenti diversi del programma.
Modalità di somministrazione: Colloquio orale in presenza
Durata: 40-60 minuti circa
Contenuto: Il colloquio orale verte su tutti gli argomenti del programma. Allo studente vengono poste domande volte a verificare:
• La comprensione approfondita dei principi teorici della chimica generale
• La capacità di descrivere e spiegare fenomeni chimici
• La capacità di correlare struttura molecolare e proprietà chimico-fisiche
• La capacità di applicare i principi termodinamici e cinetici
• La conoscenza della nomenclatura chimica
• La capacità di collegare argomenti diversi in modo critico e ragionato
Criteri di valutazione della prova orale:
• Conoscenza approfondita e comprensione degli argomenti
• Capacità di collegamento tra diversi argomenti del programma
• Proprietà di linguaggio e utilizzo corretto della terminologia scientifica
• Capacità di ragionamento critico e di analisi
• Chiarezza espositiva
Valutazione finale
Il voto finale (espresso in trentesimi) tiene conto di entrambe le prove e viene determinato considerando:
• Il risultato della prova scritta (peso: 40%)
• Il risultato della prova orale (peso: 60%)
La votazione finale può variare rispetto al voto dello scritto in base alla qualità della prestazione orale. Il voto finale viene comunicato al termine della prova orale.
La lode viene attribuita agli studenti che abbiano dimostrato:
• Eccellente padronanza di tutti gli argomenti del programma
• Capacità di collegamento critico e autonomo tra diversi concetti
• Particolare chiarezza espositiva e rigore nell'uso del linguaggio scientifico
• Eccellenza sia nella prova scritta che nella prova orale

Esempi di esercizi numerici (prova scritta):
1. Stechiometria delle reazioni: Calcolare la massa di prodotto ottenibile dalla reazione di quantità note di reagenti; determinare il reagente limitante e la resa percentuale di una reazione.
2. Calcoli sulle soluzioni: Preparare una soluzione a concentrazione nota per diluizione o mescolamento; calcolare molarità, molalità, normalità, frazione molare e percentuali; convertire tra diverse unità di concentrazione.
3. Gas ideali: Calcolare volume, pressione, temperatura o numero di moli di un gas ideale applicando l'equazione di stato; determinare pressioni parziali in miscele gassose; risolvere problemi con reazioni in fase gassosa.
4. Proprietà colligative: Calcolare innalzamento ebullioscopico, abbassamento crioscopico, pressione osmotica o variazione della tensione di vapore di soluzioni; determinare masse molecolari da dati sperimentali di proprietà colligative.
5. Equilibri chimici: Calcolare la costante di equilibrio da concentrazioni note; determinare le concentrazioni all'equilibrio a partire da condizioni iniziali; applicare il principio di Le Chatelier per prevedere gli effetti di perturbazioni sull'equilibrio.
6. Equilibri acido-base: Calcolare il pH di soluzioni di acidi forti, basi forti, acidi deboli, basi deboli, sali; calcolare il pH di soluzioni tampone; risolvere problemi di titolazione acido-base.
7. Equilibri di solubilità: Calcolare il prodotto di solubilità da dati di solubilità; prevedere la formazione di precipitati; calcolare la solubilità in presenza di ione comune o a diversi valori di pH.
8. Elettrochimica: Bilanciare reazioni di ossidoriduzione con il metodo del numero di ossidazione o delle semireazioni; calcolare la forza elettromotrice di pile utilizzando i potenziali standard e l'equazione di Nernst; risolvere problemi di elettrolisi applicando le leggi di Faraday.
Esempi di quesiti teorici (prova scritta e orale):
1. Struttura atomica: Descrivere il modello atomico di Bohr e le sue limitazioni; spiegare il significato dei numeri quantici e la loro relazione con la forma e l'energia degli orbitali atomici; discutere il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund.
2. Tavola periodica: Descrivere le tendenze periodiche delle proprietà atomiche (raggio atomico, energia di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività); spiegare le ragioni delle variazioni periodiche in termini di struttura elettronica.
3. Legame chimico: Confrontare legame ionico, covalente e metallico evidenziando differenze in termini di natura, proprietà e esempi; spiegare la teoria del legame di valenza e la teoria degli orbitali molecolari; descrivere il concetto di ibridazione e applicarlo a molecole semplici.
4. Geometria molecolare: Applicare la teoria VSEPR per prevedere la geometria di molecole semplici; correlare geometria molecolare e polarità; spiegare il concetto di risonanza con esempi.
5. Forze intermolecolari: Descrivere e confrontare i diversi tipi di interazioni intermolecolari (forze di van der Waals, legame a idrogeno); spiegare come le forze intermolecolari influenzano le proprietà fisiche delle sostanze (punti di ebollizione, solubilità).
6. Stati di aggregazione: Descrivere le caratteristiche dello stato gassoso, liquido e solido a livello molecolare; spiegare i diagrammi di fase e la regola delle fasi di Gibbs; discutere i cambiamenti di stato in termini termodinamici.
7. Termodinamica: Enunciare i principi della termodinamica e discuterne le implicazioni per i processi chimici; spiegare il significato di entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs; illustrare i criteri termodinamici per la spontaneità delle reazioni.
8. Equilibrio chimico: Spiegare il concetto di equilibrio dinamico; derivare l'espressione della costante di equilibrio dalla legge di azione di massa; discutere il principio di Le Chatelier con esempi concreti.
9. Teorie acido-base: Confrontare le definizioni di acido e base secondo Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis; spiegare il concetto di forza degli acidi e delle basi; discutere la relazione tra struttura molecolare e proprietà acido-base.
10. Soluzioni tampone: Spiegare il meccanismo d'azione delle soluzioni tampone; derivare l'equazione di Henderson-Hasselbalch; descrivere le applicazioni delle soluzioni tampone in ambito chimico e biologico.
11. Elettrochimica: Descrivere la struttura e il funzionamento di pile e celle elettrolitiche; spiegare la serie elettrochimica e il suo utilizzo per prevedere la spontaneità delle reazioni redox; derivare l'equazione di Nernst e discuterne le applicazioni.
12. Cinetica chimica: Spiegare i fattori che influenzano la velocità di reazione; distinguere tra ordine di reazione e molecolarità; descrivere la teoria delle collisioni e la teoria del complesso attivato; spiegare il ruolo della catalisi.
13. Nomenclatura: Applicare le regole di nomenclatura IUPAC sistematica a composti inorganici di diversa natura (ossidi, idrossidi, acidi, sali).
14. Proprietà periodiche: Discutere le proprietà chimiche degli elementi rappresentativi in relazione alla loro posizione nella tavola periodica; descrivere i composti principali di alcuni elementi rappresentativi.