Scienze Biologiche

MARIA CHIARA DI GREGORIO

Gli studenti dopo aver frequentato il corso saranno in grado di:
A) Conoscenze e capacità di comprensione
Conoscere gli elementi chimici più comuni nelle loro proprietà di comportamento in semplici reazioni, sapendo risolvere esercizi di stechiometria e di equilibri chimici in soluzione;
Conoscere le principali classi di composti (acidi, basi e sali) e il loro comportamento in soluzione attraverso lo studio delle proprietà termodinamiche fondamentali;
Comprendere gli aspetti qualitativi e quantitativi delle trasformazioni chimiche ottenute sia a lezione che nelle esercitazioni numeriche;
Disporre di manuali di riferimento da consultare per l’apprendimento delle materie oggetto dei corsi degli anni successivi.

B) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Disporre delle conoscenze di base per correlare proprietà macroscopiche e struttura elementare della materia a livello degli elementi chimici e di molecole semplici.

C) Autonomia di giudizio
acquisire capacità di giudizio critico, attraverso lo studio in chiave storica del progresso delle conoscenze in chimica;
imparare a porsi domande per l’elaborazione e approfondimento delle conoscenze apprese.

D) Abilità comunicative
Saper trasmettere le conoscenze sia teoriche che sperimentali di base acquisite.

E) Capacità di apprendimento
apprendere la terminologia specifica;
connettere in modo logico le conoscenze acquisite;
identificare i temi più rilevanti delle materie trattate.

Al termine del corso, lo studente avrà acquisito le conoscenze fondamentali della chimica generale e saprà applicarle alla comprensione dei fenomeni chimici rilevanti per lo studio dei sistemi biologici. In particolare, i risultati di apprendimento attesi sono:

Conoscenza e capacità di comprensione
Comprendere la struttura atomica, le proprietà periodiche degli elementi, il legame chimico e le relazioni tra struttura e proprietà della materia. Conoscere i principi della stechiometria, della termodinamica e della cinetica chimica, gli equilibri chimici, gli equilibri acido-base e le reazioni di ossidoriduzione, riconoscendone la rilevanza nei sistemi biologici.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Utilizzare i concetti e le relazioni fondamentali della chimica per risolvere problemi quantitativi relativi a composizione e quantità delle sostanze, reazioni chimiche, concentrazioni delle soluzioni, equilibri e pH. Interpretare il comportamento chimico delle sostanze e gli effetti delle condizioni ambientali sui processi studiati, applicando le conoscenze acquisite a semplici esempi di interesse biologico.

Autonomia di giudizio
Analizzare un problema chimico, individuare le informazioni rilevanti e scegliere il procedimento appropriato per affrontarlo. Valutare la coerenza dei risultati ottenuti, verificando unità di misura, ordini di grandezza e compatibilità con i principi chimici.

Abilità comunicative
Descrivere fenomeni e processi chimici utilizzando un linguaggio scientifico corretto e una simbologia appropriata. Esporre in modo chiaro e logico i ragionamenti adottati nella risoluzione dei problemi e nell’interpretazione dei fenomeni.

Capacità di apprendimento
Consultare e comprendere testi e materiali didattici di chimica generale, consolidando autonomamente le conoscenze acquisite. Utilizzare tali conoscenze come base per lo studio delle discipline successive, in particolare della chimica organica, della biochimica e delle altre materie di ambito biologico.

Conoscenze di base di matematica e fisica: equazioni di primo e secondo grado, calcolo di percentuali, medie aritmetiche e ponderate, notazione scientifica (esponenziale) dei numeri, logaritmi (decimali, naturali), concetto di forza, energia potenziale e cinetica.

Introduzione al corso Cenni storici. Metodo scientifico, proprietà della materia, misura ed unità di misura, cifre significative. Principi fondamentali della chimica Elementi, composti e miscele, stati di aggregazione della materia, legge di Lavoisier, legge di Proust, teoria atomica di Dalton. Atomi, molecole. La struttura essenziale dell’atomo: numero atomico, numero di massa, isotopi, massa atomica. I composti: massa molecolare, il concetto di mole, costante di Avogadro. Rapporti molari e ponderali. Composizione percentuale in peso, formula minima e formula molecolare. Reazioni chimiche semplici e loro bilanciamento, reagente limitante, resa teorica e percentuale. Nomenclatura tradizionale e IUPAC dei principali composti inorganici. Struttura atomica Struttura atomica, modello di Thomson, onde e spettro elettromagnetico, equazione di Planck, effetto fotoelettrico, atomo di Bohr e quantizzazione dell’energia. Principio di indeterminazione, dualismo onda-particella, cenni di meccanica ondulatoria, equazione di Schrodinger. Numeri quantici, funzioni d’onda e orbitali atomici. Costruzione (Aufbau) della struttura elettronica degli atomi, principio di esclusione di Pauli e regola di Hund. Proprietà periodiche Tavola periodica, proprietà periodiche degli elementi (raggio atomico, raggio ionico, energia di ionizzazione, affinità elettronica, proprietà metalliche e proprietà magnetiche. Teoria del legame chimico Formule di Lewis, regola dell’ottetto ed eccezioni, carica formale e stato di ossidazione, lunghezza, energia ed ordine di legame. Legame polare ed elettronegatività, legame covalente e ionico. Risonanza. Teoria del legame di valenza (VB), orbitali ibridi e forma delle molecole, teoria VSEPR. Legami covalenti sigma (σ) e pi greco (π). Teoria degli orbitali molecolari (MO). Termodinamica Calore e lavoro. Energia interna e primo principio della termodinamica. Entalpia di reazione e di formazione. Legge di Hess e sue applicazioni. Processi reversibili e irreversibili. Trasformazioni spontanee, entropia, secondo e terzo principio della termodinamica. Energia libera di Gibbs. Stato gassoso Pressione, leggi dei gas ideali ed equazione di stato dei gas ideali, miscele gassose, legge di Dalton, equazione di van der Waals per i gas reali. Solidi e liquidi Le forze intermolecolari e il legame a idrogeno. Proprietà chimico-fisiche dei liquidi (temperatura di ebollizione, entalpia di evaporazione, tensione di vapore e sua dipendenza dalla temperatura: equazione di Clausius-Clapeyron). Il calore specifico. Calore e passaggi di stato; diagramma di riscaldamento di una specie pura a pressione costante; diagramma di stato di specie chimiche pure (H2O); struttura e proprietà dell’acqua. I diversi tipi di solidi e le loro caratteristiche. Ciclo di Born-Haber. Equilibri chimici in fase gassosa Quoziente di reazione e costante di equilibrio, principio di Le Chatelier; diversi tipi di costante di equilibrio. Energia libera di Gibbs e costante di equilibrio, effetto della variazione di P, V, n e T (equazione di van't Hoff). Equilibri eterogenei. Soluzioni Unità di misura della concentrazione, conversione fra le diverse unità di misura della concentrazione, solubilità. Legge di Henry, termodinamica delle soluzione, proprietà colligative (innalzamento ebullioscopico, abbassamento crioscopico, abbassamento della tensione di vapore, pressione osmotica). Soluzioni di elettroliti forti e deboli, coefficiente di van’t Hoff. Equilibri in soluzione acquosa Equilibri acido-base (definizioni di Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis). Scala del pH delle soluzioni acquose, acidi e basi forti, correlazioni tra struttura e comportamento chimico, acidi poliprotici. Acidi e basi deboli, costanti di acidità, idrolisi salina, tamponi, titolazioni.
Solubilità dei sali. Prodotti di solubilità. Effetto delle ione a comune, effetto del pH, effetto della complessazione. Precipitazione frazionata. Elettrochimica 
Stati di ossidazione; bilanciamento delle reazioni redox con il metodo ionico elettronico. Conversione di energia chimica in energia elettrica. Potenziali standard di riduzione e loro uso. Equazione di Nernst e spontaneità di una reazione redox. Pile chimiche e a concentrazione. Esempi di fenomeni biologici con implicazioni elettrochimiche. La misura potenziometrica del pH. Cenni di cinetica chimica 
Velocità di reazione, ordine di reazione, teoria delle collisioni, legge di Arrhenius; energia di attivazione; meccanismo di reazione; catalisi; catalisi enzimatica. Cenni di chimica inorganica sistematica 
Preparazione e comportamento chimico degli elementi dei gruppi principali.

1) Chimica, VII edizione (EdiSES); Kotz, Treichel, Townsend, Treichel.
2) Chimica, X edizione (Piccin); Whitten, Davis, Peck, Stanley
3) Chimica Generale, XII edizione (Piccin) Petrucci , Herring, Madura, Bissonnette
1) Manuale di Stechiometria (Piccin); Monti, Stefanelli, Viola.

Lezioni frontali ed esercitazioni numeriche in classe, anche con l'ausilio di tutor

Lezioni frontali.
La frequenza alle lezioni e alle esercitazioni è fortemente consigliata per favorire la comprensione dei concetti teorici e lo sviluppo delle capacità di risoluzione dei problemi. È incoraggiata la partecipazione attiva, attraverso domande, discussioni e lo svolgimento degli esercizi proposti.

L'esame si compone di una prova scritta ed una prova orale separate che devono essere sostenute nello stessa sessione. 
La prova scritta, volta a valutare il grado di apprendimento e comprensione nell'applicazione di modelli e metodi chimici in esercizi teorici e di stechiometria.
 La prova orale è volta a valutare il grado di memorizzazione dei contenuti e le capacità logiche acquisite dallo studente nonché la sua abilità nell’esporre e spiegare i concetti in modo autonomo.
 È ammesso a sostenere la prova orale chi supera la prova scritta con un voto di almeno 18/30. 

Gli studenti frequentanti e iscritti all'A.A. corrente possono accedere volontariamente al percorso di esonero (2 prove intermedie nell'arco del semestre) in sostituzione della prova scritta finale; date orientative: inizio dicembre (I esonero), metà gennaio (II esonero).
 Per il superamento delle prove di esonero è necessario conseguire una votazione media ponderata di almeno 18/30. In caso di prova scritta superata tramite gli esoneri, la sua validità è estesa a tutta la sessione invernale. 
Gli studenti con DSA certificato hanno diritto ad una riduzione del 30% della prova scritta, quantitativa ma non qualitativa, e anche in questi casi l’esercizio obbligatorio, riguardante nomenclatura e formule di struttura, rimane tale. Durante l'esame non sono ammessi appunti o libri di testo

Le domande e gli esercizi riguardano i principali argomenti del corso e richiedono sia la comprensione dei concetti teorici sia la loro applicazione a problemi quantitativi. Esempi rappresentativi sono:

Descrivere la struttura dell’atomo e scrivere la configurazione elettronica di un elemento, collegandola alla sua posizione nella tavola periodica.

Spiegare l’andamento delle principali proprietà periodiche e confrontare il comportamento di elementi diversi.

Rappresentare la struttura di Lewis di una molecola o di uno ione e prevederne la geometria e la polarità.

Calcolare la composizione percentuale di un composto e determinarne la formula minima e molecolare.

Bilanciare una reazione chimica e calcolare le quantità di reagenti e prodotti, individuando il reagente limitante e la resa.

Calcolare la concentrazione di una soluzione e risolvere problemi di preparazione e diluizione.

Applicare le leggi dei gas per determinare pressione, volume, temperatura o quantità di sostanza.

Calcolare la variazione di entalpia di una reazione e discutere i fattori che ne determinano la spontaneità.

Calcolare la composizione di un sistema all’equilibrio e prevedere gli effetti di variazioni di concentrazione, pressione e temperatura.

Calcolare il pH di soluzioni di acidi e basi, forti e deboli, e di soluzioni tampone; interpretare una titolazione acido-base.

Risolvere problemi relativi alla solubilità e alla precipitazione di sali.

Bilanciare reazioni di ossidoriduzione e calcolare la forza elettromotrice di una pila.

• Il corso si sviluppa attraverso un percorso progressivo che introduce i principi fondamentali della chimica generale e ne evidenzia la rilevanza per lo studio dei sistemi biologici. La prima parte è dedicata alla composizione della materia, alla struttura atomica e alla classificazione periodica degli elementi, ponendo le basi per comprendere il legame chimico, la geometria molecolare e le relazioni tra struttura e proprietà delle sostanze. Vengono quindi introdotti il concetto di mole e i principi della stechiometria, applicati alla descrizione quantitativa delle reazioni chimiche.Il percorso prosegue con lo studio degli stati di aggregazione, delle interazioni intermolecolari e delle soluzioni, con particolare attenzione ai modi di esprimere la concentrazione e alle proprietà delle soluzioni di interesse biologico. La trattazione della termodinamica consente di comprendere gli scambi energetici dei processi chimici. La parte successiva affronta l’equilibrio chimico e i fattori che lo influenzano, approfondendo gli equilibri acido-base, il calcolo del pH, le soluzioni tampone e gli equilibri di solubilità. Il corso si completa con lo studio delle reazioni di ossidoriduzione e dei fondamenti dell’elettrochimica. La presentazione dei concetti teorici è accompagnata da esercitazioni numeriche, per consolidare la comprensione degli argomenti e sviluppare la capacità di applicare le conoscenze acquisite alla risoluzione di problemi.