Scienze Chimiche

SIMONE MORPURGO

L'insegnamento di Chimica Inorganica I ha l'obiettivo di fornire conoscenze fondamentali e principi basilari per lo studio delle Scienze Chimiche, evidenziando le correlazioni tra struttura chimica e proprietà delle molecole. L'obiettivo principale del corso è di fornire gli strumenti per comprendere il legame chimico, in particolare il legame chimico covalente, ionico, metallico, di coordinazione e le principali interazioni intermolecolari. Le lezioni frontali si sviluppano a partire dalla struttura dell'atomo, arrivando allo studio della formazione delle molecole consentendo allo studente di acquisire competenze nella comprensione del legame chimico. Un ulteriore obiettivo è fornire una ampia casistica, basata sull’analisi delle proprietà dei principali composti degli elementi dei vari gruppi della tavola periodica, a supporto delle conoscenze del legame chimico sviluppate nella prima parte del corso.
Le conoscenze e competenze acquisite nel presente insegnamento, costituiranno un quadro di riferimento per lo studio successivo, inteso nel suo significato più ampio.
Risultati di apprendimento attesi:
1) Conoscenza e capacità di comprensione
Gi studenti che abbiano superato l’esame saranno in grado di conoscere e comprendere (conoscenze acquisite)
i) la struttura atomica, ed in particolare il significato degli orbitali atomici.
ii) i principali modelli per l'interpretazione del legame chimico covalente, ionico, metallico e di coordinazione.
iii) le interazioni intermolecolari ed i modelli basilari per l'interpretazione dello stato solido;

Tutti gli argomenti inerenti il programma del corso.

Conoscenze matematiche di base (programma della scuola superiore) integrate da elementi di calcolo differenziale (derivate, integrali, equazioni differenziali semplici) di cui viene richiesta una conoscenza perlomeno concettuale. E' consigliabile ma non obbligatorio che lo studente abbia superato l'esame di Chimica Generale ed Inorganica con Laboratorio.

Natura ondulatoria della radiazione elettromagnetica. Le origini della teoria atomica: esperimenti di Faraday, Thomson e Millikan, radiazione del corpo nero e ipotesi quantistca di Planck, effetto fotoelettrico, spettro di emissione dell'atomo di idrogeno, modelli atomici di Thomson e Bohr. Principio di inderterminazione di Eisenberg, ipotesi di De Broglie. Legge di Bragg ed esperimento di Davisson e Germer. Natura ondulatoria dell'elettrone, origine dell'equazione di Schroedinger dipendente ed indipendente dal tempo. Proprietà della funzione d'onda. Soluzione dell'equazione di Schroedinger per alcuni sistemi semplici: elettrone nella scatola mono- e tridimensionale, metodo della separazione delle variabili, quantizzazione dell'energia e normalizzazione della funzione d'onda. L'atomo di idrogeno: impostazione dell'equazione di Schroedinger, separazione del moto del centro di massa da quello dell'elettrone, introduzione del sistema di riferimento in coordinate polari e forma finale dell'operatore Hamiltoniano, separazione delle variabili e delle relative equazioni differenziali. Soluzione dell'equazione in φ, risultato finale delle equazioni in r e ϑ, numeri quantici e reative funzioni d'onda. Forma degli orbitali p e d espressi mediante funzioni reali. Funzioni di distribuzione radiale. Impossibilità della soluzione esatta dell'equazione di Schroedinger per sistemi polielettronici, introduzione ai metodi approssimati, teorema variazionale, metodo delle variazioni lineari. Il legame chimico, legame covalente: ione-molecola H2+ ed introduzione alla teoria dell'orbitale molecolare, molecola di H2 ed introduzione alla teoria del legame di valenza. Orbitali ibridi e loro formulazione; metodo per ricavare le funzioni associate agli orbitali ibridi per le geometrie più comuni (lineare, triangolare, tetraedrica, ottaedrica, bipiramidale triangolare). Applicazione della teoria dell'orbitale molecolare alle principali molecole diatomiche, B2, C2, N2, O2, F2, HF, CO, NO. Applicazione della teoria del legame di valenza e del metodo VSEPR alla trattazione delle molecole più rappresentative degli elementi principali: BF3, B(OH)3, CO2, CH4, C2H4, C2H2, CO32-, NH3, N2O, NO2, NO2-, NO3-, O3, PH3, PCl3, PCl5, PO43-, HPO32-, H2PO2-, SO2, SO3, SF6, SO32-, SO42-, S2O32-, ClO-, ClO2-, ClO3-, ClO4-, IF3, IF5, IF7, XeF4. Principali categorie di solidi. Solidi ionici: modello del legame ionico, energia reticolare, costante di Madelung, ciclo di Born-Haber. Solidi metallici: legame metallico secondo la teoria dell'elettrone libero e secondo la teoria delle bande. Solidi covalenti: isolanti e semiconduttori secondo la teoria delle bande; struttura geometrica ed elettronica del diamante, della grafite e del silicio, semiconduttori III-V, semiconduttori di tipo n e di tipo p, i casi dello stagno e del piombo. Complessi dei metalli di transizione, teorie di Pauling e di Syrkin e Diatkina. Teoria del campo cristallino: presupposti e scissione degli orbitali d nei complessi ottaedrici, tetraedrici e quadrato-planari; configurazioni elettroniche ad alto e basso spin; Energia di stabilizzazione del campo cristallino (CFSE ) stabilità dei complessi e loro proprietà magnetiche. Proprietà periodiche, energia di ionizzazione, affinità elettronica, elettronegatività, raggio atomico. Cenni di sistematica chimica, chimica degli elementi dei gruppi principali.

Uno a scelta tra i due testi seguenti:
1. J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter: Chimica Inorganica, Ed. Piccin
2. G. L. Miessler, D. A. Tarr: Chimica Inorganica, Ed. Piccin.

3. L. Pauling, E.B. Wilson: Introduction to Quantum Mechanics with applications to Chemistry, Ed. McGraw-Hill
Consigliabile la sua consultazione come riferimento per alcuni argomenti di quantomeccanica. Essendo ormai decaduti i diritti d'autore, questo testo è scaricabile liberamente dalla pagina personale del docente nel sito del Dipartimento di Chimica.

4. Per la rappresentazione dei complessi secondo le teorie di Pauling e di Sirkin e Diatkina, si veda il testo seguente, disponibile in biblioteca per la consultazione: Belluco, Cattalini, Croatto, Furlani, Sartori: Chimica Inorganica, pag. 132-145.

5. Una parte consistente del programma è coperta da dispense scritte dal docente e scaricabili liberamente dalla sua pagina personale nel sito E-learning dell’Università di Roma “La Sapienza”.

Non è previsto l'utilizzo di articoli su rivista.

Lezione in aula. Supporto didattico impiegato: lavagna tradizionale. Possono essere organizzate lezioni a distanza in caso di necessità.

La frequenza è consigliata, ma non obbligatoria.

Prova orale in presenza o, in caso di necessità, per via telematica.

Domande più frequenti:
Significato equazione di Schroedinger.
Struttura delle molecole secondo teorie VSEPR e del legame di valenza.
Diagrammi degli orbitali molecolari di alcune molecole diatomiche semplici.
Struttura elettronica del diamante, del silicio e della grafite.
Teoria del campo cristallino.

N.B. gli altri argomenti del programma non sono ovviamente esclusi.