CHIMICA GENERALE. Gli elementi, composti chimici, formule. La costante di Avogadro e il concetto di mole. Nucleo, isotopi e radioattività. La teoria atomica: gli spettri atomici, l’atomo di Bohr, gli atomi multielettronici. Il sistema periodico e le proprietà periodiche degli elementi. Concetti fondamentali sul legame chimico: teoria di Lewis e geometria delle molecole mediante il modello VSEPR. Teorie del legame covalente. Legame ionico e metallico. Le forze intermolecolari, gli stati della materia e le loro proprietà principali. Le soluzioni e le loro proprietà: solubilità, tensione di vapore, pressione osmotica. Le reazioni chimiche e l’equazione chimica: bilanciamento di una reazione. I fondamenti della termodinamica chimica: entalpia, entropia ed energia libera. I principi dell’equilibrio chimico; la costante di equilibrio e il suo significato; spostamento dell’equilibrio. Gli equilibri acido-base. Equilibri eterogenei. Elettrochimica: le reazioni redox e gli stati di ossidazione; i potenziali standard e l’equilibrio delle reazioni redox; celle galvaniche ed elettrolitiche La cinetica chimica: velocità e ordine di una reazione; energia di attivazione; meccanismi di reazione; catalisi. STECHIOMETRIA: Il modulo di Esercitazioni di Stechiometria consiste in esercizi numerici di base relativi ad argomenti toccati nel corso teorico. Si tratterà in particolare: il bilanciamento delle reazioni, le soluzioni e le loro proprietà, l'equilibrio chimico in fase gassosa ed in soluzione (acido-base, calcolo del pH, soluzioni tampone, idrolisi, equilibri di precipitazione), elettrochimica. LABORATORIO. Una parte del corso, di tipo teorico (2h), prevede: i) nozioni delle titolazioni acido-base e descrizione delle principali tecniche sperimentali utilizzate in laboratorio. Le attività pratiche di laboratorio (28 h) prevedono esercitazioni individuali comprendenti tecniche di base: pesata, filtrazione, cristallizzazione, preparazioni di soluzioni a titolo noto, sintesi di composti inorganici semplici. Le applicazioni di tali operazioni riguarderanno le seguenti esercitazioni: preparazione di soluzioni a concentrazione stabilita e misura del pH con indicatori. Equilibri di idrolisi. Preparazione di soluzioni tampone. Proprietà anfotere di idrossidi metallici. Studio dei potenziali di riduzione di diversi elementi. Determinazione del grado di purezza di un sale impuro (NaCl). Elettrolisi di una soluzione di KI; elettrolisi dell’acqua. Esperienza di cinetica. Verranno forniti elementi su come stilare efficaci relazioni di laboratorio e su come utilizzare un corretto lessico.

Il modulo di Esercitazioni di Stechiometria si svolge nell’ambito dei corsi di Chimica Generale e Inorganica e consiste pertanto nella risoluzione, anche numerica, di problemi di base relativi ad argomenti trattati nel corso teorico. Il metodo scientifico. Le misure e le unità di misura del SI. Principali unità di misura di interesse in chimica. Fattore di conversione ed esercizi. Incertezza di una misura, media, valore vero. Accuratezza e precisione. Cifre significative. Classificazione dei composti, composti ionici e nomenclatura dei composti ionici. Numero di ossidazione. Composti molecolari, nomenclatura tradizionale, IUPAC e Stock. Classificazione dei principali composti inorganici e nomenclatura. Acidi e basi minerali e loro reazioni di formazione. Principali reazioni di formazione dei sali. Formula minima e formula molecolare. Calcoli percentuali. Bilanciamento di reazioni non redox. Resa di reazione. Introduzione alla metrica della chimica verde e calcoli di economia atomica. Reagente limitante. Classificazione delle reazioni chimiche e previsione dei prodotti di reazione di reazioni semplici. Le leggi dei gasi: Boyle, Charles, Gay-Lussac, Avogadro. Equazione di stato dei gas perfetti. Utilizzo delle relative equazioni in calcoli stechiometrici. Densità dei gas. Miscele di gas: massa molare media e frazione molare. Legge di Dalton e Amagat. Percentuali in peso, in volume, in moli. Il volume molare nei calcoli stechiometrici. Concentrazione delle soluzioni. Percentuale in peso, in peso su volume, in volume. Molarità, molalità. Concetto di equivalente e normalità. Preparazione di soluzioni per pesata e per diluizione. Calcolo della concentrazione di miscele di soluzioni. Proprietà colligative. Innalzamento ebullioscopico e abbassamento crioscopico. Legge di Raoult e sua applicazione a miscele di liquidi e a soluzioni di soluti solidi. Osmosi e calcolo della pressione osmotica di soluzioni diverse a contatto. Equilibrio chimico. Legge di azione di massa e suo significato. Kc e Kp e loro relazione. Quoziente di reazione. Calcolo della K e della composizione all'equilibrio. Confronto di Q e K. Proprietà dell'espressione di K, reazioni inverse, multipli stechiometrici, reazioni a più stadi. Equilibri complessi. Validità delle approssimazioni. Principio di Le Chatelier. Modifica della composizione dell'equilibrio per aggiunta di una specie. Acidi e basi. Autoprotolisi dell'acqua e Kw. Calcolo del pH e del pH di soluzioni di acidi e basi forti. pH di acidi e basi forti molto diluiti. Titolazioni acido forte-base forte e calcoli relativi. Acidi deboli, costante di dissociazione acida e basica. Calcolo del pH e della Ka e Kb. Calcolo del pH di acidi poliprotici, con una o due dissociazioni parziali. pH di miscele di acidi deboli. Grado di dissociazione acida. Idrolisi acida e basica e calcolo del pH. Soluzioni tampone e calcolo del pH. Equazione di Henderson-Hasselbach. Calcolo del pH per aggiunte successive di acido o base. Equilibri eterogenei, prodotto di solubilità e prodotto ionico. Previsione della supersaturazione o insaturazione di soluzioni. Calcolo della solubilità. Solubilità e pH. Effetto dello ione in comune sulla solubilità dei sali. Agenti "sequestranti". Reazioni redox e loro bilanciamento. Bilanciamento in ambiente acido e basico. Reazioni di disproporzione. Celle galvaniche. Relazione tra energia libera e potenziale. Derivazione dell'equazione di Nerst. Potenziali standard di riduzione. Potenziali di elettrodo in condizioni non-standard. Diagramma di cella. Calcolo del potenziale di cella in condizioni non standard. Pile a concentrazione, diagramma e calcolo del potenziale in condizioni di non equilibrio. Condizioni di cessazione del funzionamento della pila.

Gli elementi, composti chimici, formule. La costante di Avogadro e il concetto di mole. Nucleo, isotopi e radioattività. La teoria atomica: gli spettri atomici, l’atomo di Bohr, gli atomi multielettronici. Il sistema periodico e le proprietà periodiche degli elementi. Concetti fondamentali sul legame chimico: teoria di Lewis e geometria delle molecole mediante il modello VSEPR. Teorie del legame covalente. Legame ionico e metallico. Le forze intermolecolari, gli stati della materia e le loro proprietà principali. Le soluzioni e le loro proprietà: solubilità, tensione di vapore, pressione osmotica. Le reazioni chimiche e l’equazione chimica: bilanciamento di una reazione. I fondamenti della termodinamica chimica: entalpia, entropia ed energia libera. I principi dell’equilibrio chimico; la costante di equilibrio e il suo significato; spostamento dell’equilibrio. Gli equilibri acido-base. Equilibri eterogenei. Elettrochimica: le reazioni redox e gli stati di ossidazione; i potenziali standard e l’equilibrio delle reazioni redox; celle galvaniche ed elettrolitiche La cinetica chimica: velocità e ordine di una reazione; energia di attivazione; meccanismi di reazione; catalisi.

Una parte del corso, di tipo teorico (2h), prevede: i) nozioni delle titolazioni acido-base e descrizione delle principali tecniche sperimentali utilizzate in laboratorio. Le attività pratiche di laboratorio (28 h) prevedono esercitazioni individuali comprendenti tecniche di base: pesata, filtrazione, cristallizzazione, preparazioni di soluzioni a titolo noto, sintesi di composti inorganici semplici. Le applicazioni di tali operazioni riguarderanno le seguenti esercitazioni: preparazione di soluzioni a concentrazione stabilita e misura del pH con indicatori. Equilibri di idrolisi. Preparazione di soluzioni tampone. Proprietà anfotere di idrossidi metallici. Studio dei potenziali di riduzione di diversi elementi. Determinazione del grado di purezza di un sale impuro (NaCl). Elettrolisi di una soluzione di KI; elettrolisi dell’acqua. Esperienza di cinetica. Verranno forniti elementi su come stilare efficaci relazioni di laboratorio e su come utilizzare un corretto lessico.

TEORIA: Applicazione della teoria quanto-meccanica alla descrizione di sistemi multielettronici. Vengono introdotti gli elementi che stanno alla base dei programmi di calcolo della struttura elettronica di sistemi chimici, poi utilizzati nelle esercitazioni al calcolatore. In particolare viene discusso il problema della risoluzione dell'equazione di Schrödinger elettrostatica per atomi multielettronici e molecole nell'approssimazione di Born-Oppenheimer: sono trattate le problematiche relative agli autovalori ed autovettori dell'atomo di elio ottenuti con il metodo variazionale, metodo di Huckel, principio di anti-simmetria e determinanti di Slater per sistemi con più elettroni, approssimazione di Hartree-Fock, metodo LCAO, proprietà spettroscopiche rotazionali, vibrazionali ed elettroniche. Il corso si conclude con esercitazioni all’uso di programmi per la risoluzione dell’equazione di schrodinger per sistemi molecolari di interesse per il laboratorio di chimica fisica. LABORATORIO: Nella parte introduttiva saranno analizzati gli aspetti fondamentali dell'uso delle tecniche spettroscopiche con particolare riferimento agli spettrofotometri dispersivi e a trasformata di Fourier. Successivamente saranno ripresi i fondamenti delle spettroscopie rotazionale e roto-vibrazionale: a) richiamo delle equazioni dei livelli energetici e delle transizioni permesse di un rotatore rigido e di un oscillatore armonico; b) effetti dovuti alla distorsione centrifuga e all’anarmonicità. Infine saranno determinate le costanti rotazionali B, B0 e B1, e i relativi momenti di inerzia e le distanze di legame delle molecole HCl e CO. Nella parte finale dell’esercitazione sarà illustrato come determinare il coefficiente di estinzione molecolare della molecola CO attraverso gli spettri vibrazionali registrati a varie pressioni. Nelle lezioni introduttive sarà descritto il metodo dei minimi quadrati e la determinazione della retta di regressione lineare (calcolo della pendenza, dell’intercetta e del coefficiente di correlazione). Saranno eseguite delle esercitazioni sull’applicazione del metodo attraverso l’uso di un foglio di calcolo excel. Infine sarà illustrato agli studenti come redigere in modo efficace relazioni scientifiche e il quaderno di laboratorio e sarà illustrato come utilizzare il materiale didattico per un ulteriore approfondimento.

Insiemi e logica: concetti di base. Insiemi numerici. Numeri complessi: rappresentazione algebrica e trigonometrica; coniugato e modulo; radici n-esime. Funzioni reali di variabile reale: funzioni elementari; funzioni composte; funzioni invertibili; successioni; limiti e continuità. Calcolo differenziale per funzioni di una variabile: definizione e significato geometrico di derivata; regole di calcolo delle derivate; derivata seconda, concavità e convessità; utilizzo delle derivate per determinare massimi, minimi e flessi; studio del grafico di una funzione. Calcolo integrale: teorema fondamentale del calcolo integrale; integrali indefiniti e definiti. Equazioni differenziali ordinarie: equazioni lineari del primo ordine; equazioni a variabili separabili; equazioni lineari del secondo ordine: equazioni omogenee a coefficienti costanti; equazioni non omogenee. Spazi vettoriali: dimensione, base; matrici ed applicazioni lineari, nucleo, immagine; determinanti; soluzione di sistemi lineari; polinomio caratteristico, autovalori, autovettori, diagonalizzazione di matrici. Funzioni reali di più variabili reali; dominio, limiti e continuità in più variabili; derivate parziali e piano tangente; funzioni differenziabili e alcune proprietà di base; estremi liberi per una funzione differenziabile. Calcolo integrale per funzioni a più variabili: definizione di integrale, calcolo di integrali doppi per mezzo di integrazioni successive su rettangoli e insiemi semplici; cambiamento di variabile negli integrali multipli, applicazioni; integrali curvilinei. Basi di integrazione su superficie. Campi vettoriali: operatori vettoriali, Teoremi di Green, di Gauss e di Stokes. Serie numeriche e serie di potenze.

Insiemi e logica: concetti di base. Insiemi numerici. Numeri complessi: rappresentazione algebrica e trigonometrica; coniugato e modulo; radici n-esime. Funzioni reali di variabile reale: funzioni elementari; funzioni composte; funzioni invertibili; successioni; limiti e continuità. Calcolo differenziale per funzioni di una variabile: definizione e significato geometrico di derivata; regole di calcolo delle derivate; derivata seconda, concavità e convessità; utilizzo delle derivate per determinare massimi, minimi e flessi; studio del grafico di una funzione. Calcolo integrale: teorema fondamentale del calcolo integrale; integrali indefiniti e definiti. Equazioni differenziali ordinarie: equazioni lineari del primo ordine; equazioni a variabili separabili; equazioni lineari del secondo ordine: equazioni omogenee a coefficienti costanti; equazioni non omogenee.

Spazi vettoriali: dimensione, base; matrici ed applicazioni lineari, nucleo, immagine; determinanti; soluzione di sistemi lineari; polinomio caratteristico, autovalori, autovettori, diagonalizzazione di matrici. Funzioni reali di più variabili reali; dominio, limiti e continuità in più variabili; derivate parziali e piano tangente; funzioni differenziabili e alcune proprietà di base; estremi liberi per una funzione differenziabile. Calcolo integrale per funzioni a più variabili: definizione di integrale, calcolo di integrali doppi per mezzo di integrazioni successive su rettangoli e insiemi semplici; cambiamento di variabile negli integrali multipli, applicazioni; integrali curvilinei. Basi di integrazione su superficie. Campi vettoriali: operatori vettoriali, Teoremi di Green, di Gauss e di Stokes. Serie numeriche e serie di potenze.

Meccanica: Grandezze fisiche, unità di misura, sistema internazionale (SI). Cinematica del punto materiale. Dinamica: sistemi inerziali, I II e III principio della dinamica. Lavoro, energia cinetica, energia potenziale. Leggi di conservazione. Dinamica dei sistemi: centro di massa, I e II equazione cardinale del moto. Teoria dell'urto. Momenti d'inerzia. Dinamica del corpo rigido. Gravitazione: Campo e potenziale gravitazionale. Leggi di Keplero. Termodinamica Sistema termodinamico: descrizione macroscopica e microscopica. Definizione di pressione in un fluido. Principio zero della termodinamica; dilatazione termica e misura della temperatura. Termometri e scale termometriche. Concetto di gas perfetto ed equazione di stato. Concetto di gas ideale e la teoria cinetica dei gas. Gas reali, legge di Van der Waals, diagrammi di stato. Calore, cambiamenti di stato, calore specifico e latente. Trasmissione del calore. Lavoro e trasformazioni termodinamiche. I Principio della Termodinamica e sue applicazioni. I Principio e le trasformazioni di gas perfetti. Macchine termiche e frigorifere; ciclo di Carnot. Rendimento delle macchine termiche. Postulati di Kelvin e Clausius. II Principio della Termodinamica. Trasformazioni reversibili ed irreversibili e principio di Carnot. Concetto di Entropia ed il II Principio della termodinamica. Entropia e probabilità. Onde Proprietà elastiche dei solidi. Propagazione di una perturbazione lungo una sbarra di materiale elastico. Corda vibrante. Equazione di d'Alembert delle onde. Principio di sovrapposizione. Onde trasversali e longitudinali. Onde sonore. Onde armoniche. Onde stazionarie. Velocità di gruppo. Effetto Doppler. Fluidi Definizione di fluido. Fluidi compressibili e incompressibili. Idrostatica. Legge di Pascal: pressa idraulica. Legge di Stevino. Principio di Archimede. Idrodinamica dei fluidi ideali. Teorema di Bernoulli ed applicazioni. La portata di un condotto. Teorema di Torricelli. Elementi di idrodinamica dei fluidi reali. Regime laminare. Viscosità. Legge di Hagen-Poiseuille. Regime turbolento. Perdita di carico in un condotto. Numero di Reynolds. Moto di un corpo in un fluido. Resistenza dei fluidi al moto di corpi immersi. Fenomeni elettrici Carica elettrica. Quantizzazione e conservazione della carica elettrica. Conduttori, isolanti, semiconduttori. Campo elettrico. Legge di Gauss per il campo elettrico e applicazioni. Forza di Coulomb. Potenziale elettrico e applicazioni. Condensatori: capacità di un condensatore, energia elettrostatica di un condensatore. Corrente elettrica. Resistenza e legge di Ohm. Conduttività e resistività elettrica. Energia e potenza elettrica. Circuiti elettrici e leggi di Kirchhoff. Misure di tensioni, correnti e resistenze. Fenomeni magnetici Campo magnetico. Forza magnetica (di Lorentz). Legge di Ampère e applicazioni. Legge di Gauss per il campo magnetico. Moto di una particella carica in un campo magnetico. Forza tra fili percorsi da corrente. Fenomeni elettromagnetici Induzione elettromagnetica: legge di Faraday-Lenz. Autoinduzione e induttanza. Circuiti in corrente alternata. Equazioni di Maxwell. Onde elettromagnetiche e ottica Caratteristiche generali, spettro e intensità di un’onda elettromagnetica. La luce. Propagazione in un mezzo e indice di rifrazione. Ottica geometrica. Dispersione. Interferenza e diffrazione. Fotoni.

Fenomeni elettrici Carica elettrica. Quantizzazione e conservazione della carica elettrica. Conduttori, isolanti, semiconduttori. Campo elettrico. Legge di Gauss per il campo elettrico e applicazioni. Forza di Coulomb. Potenziale elettrico e applicazioni. Condensatori: capacità di un condensatore, energia elettrostatica di un condensatore. Corrente elettrica. Resistenza e legge di Ohm. Conduttività e resistività elettrica. Energia e potenza elettrica. Circuiti elettrici e leggi di Kirchhoff. Misure di tensioni, correnti e resistenze. Fenomeni magnetici Campo magnetico. Forza magnetica (di Lorentz). Legge di Ampère e applicazioni. Legge di Gauss per il campo magnetico. Moto di una particella carica in un campo magnetico. Forza tra fili percorsi da corrente. Fenomeni elettromagnetici Induzione elettromagnetica: legge di Faraday-Lenz. Autoinduzione e induttanza. Circuiti in corrente alternata. Equazioni di Maxwell. Onde elettromagnetiche e ottica Caratteristiche generali, spettro e intensità di un’onda elettromagnetica. La luce. Propagazione in un mezzo e indice di rifrazione. Ottica geometrica. Dispersione. Interferenza e diffrazione. Fotoni.

Meccanica: Grandezze fisiche, unità di misura, sistema internazionale (SI). Cinematica del punto materiale. Dinamica: sistemi inerziali, I II e III principio della dinamica. Lavoro, energia cinetica, energia potenziale. Leggi di conservazione. Dinamica dei sistemi: centro di massa, I e II equazione cardinale del moto. Teoria dell'urto. Momenti d'inerzia. Dinamica del corpo rigido. Gravitazione: Campo e potenziale gravitazionale. Leggi di Keplero. Termodinamica Sistema termodinamico: descrizione macroscopica e microscopica. Definizione di pressione in un fluido. Principio zero della termodinamica; dilatazione termica e misura della temperatura. Termometri e scale termometriche. Concetto di gas perfetto ed equazione di stato. Concetto di gas ideale e la teoria cinetica dei gas. Gas reali, legge di Van der Waals, diagrammi di stato. Calore, cambiamenti di stato, calore specifico e latente. Trasmissione del calore. Lavoro e trasformazioni termodinamiche. I Principio della Termodinamica e sue applicazioni. I Principio e le trasformazioni di gas perfetti. Macchine termiche e frigorifere; ciclo di Carnot. Rendimento delle macchine termiche. Postulati di Kelvin e Clausius. II Principio della Termodinamica. Trasformazioni reversibili ed irreversibili e principio di Carnot. Concetto di Entropia ed il II Principio della termodinamica. Entropia e probabilità. Onde Proprietà elastiche dei solidi. Propagazione di una perturbazione lungo una sbarra di materiale elastico. Corda vibrante. Equazione di d'Alembert delle onde. Principio di sovrapposizione. Onde trasversali e longitudinali. Onde sonore. Onde armoniche. Onde stazionarie. Velocità di gruppo. Effetto Doppler. Fluidi Definizione di fluido. Fluidi compressibili e incompressibili. Idrostatica. Legge di Pascal: pressa idraulica. Legge di Stevino. Principio di Archimede. Idrodinamica dei fluidi ideali. Teorema di Bernoulli ed applicazioni. La portata di un condotto. Teorema di Torricelli. Elementi di idrodinamica dei fluidi reali. Regime laminare. Viscosità. Legge di Hagen-Poiseuille. Regime turbolento. Perdita di carico in un condotto. Numero di Reynolds. Moto di un corpo in un fluido. Resistenza dei fluidi al moto di corpi immersi.

Modulo chimica organica Struttura elettronica dell’atomo di carbonio, ibridazione sp3, sp2, sp. Alcani: struttura tridimensionale, molecole lineari e ramificate, l’isomeria posizionale, le proprietà fondamentali. Cicloalcani, struttura e proprietà, la tensione anulare. Rappresentazione bidimensionale delle molecole (uso di cunei e tratteggi). Struttura elettronica dell’azoto e dell’ossigeno; i gruppi funzionali contenenti N ed O aventi solo legami singoli: alcoli, eteri, ammine. Cenni sui composti solforati e sugli alogenuri alchilici. Rotazione intorno a legami singoli: il concetto di conformazione molecolare, proiezioni di Newman, grafici energetici, analisi conformazionale di cicli saturi (cicloesano). Il carbonio ibridato sp2: alcheni, dieni, dieni coniugati. Stereoisomeria E, Z. Il benzene ed il concetto di aromaticità: regola di Hückel. Proprietà degli idrocarburi aromatici. Gli eterociclici aromatici, soprattutto quelli azotati: struttura ed importanza biologica. Altri gruppi funzionali con legami multipli: i composti carbonilici, rassegna dei vari tipi e proprietà fondamentali. Cenni su immine ed altri derivati azotati e solforati (acidi solfonici). Carbonio ibridato sp: gli alchini, i nitrili. Il concetto di chiralità: molecole chirali ed achirali, simmetria molecolare planare, il concetto di stereocentro, gli enantiomeri. Serie stereochimica R ed S, le regole di Cahn, Ingold e Prelog per l’assegnazione della configurazione assoluta. I diastereoisomeri, definizione, esempi. Molecole con più di uno stereocentro, configurazioni relative ed assolute, proprietà chimico-fisiche degli enantiomeri e dei diastereoisomeri. Polarità dei legami e delle molecole, solubilità. Possibilità di formare legami idrogeno, proticità. Il concetto di acido e base in chimica organica, sia secondo Brønsted che secondo Lewis. Il concetto di elettrofilo e di nucleofilo; cenni di termodinamica e cinetica. Le sostituzioni nucleofile alifatiche, generalità, i meccanismi SN1 ed SN2: requisiti del substrato e del nucleofilo, l’importanza del solvente. Gruppi uscenti nelle SN alifatiche. Le reazioni di eliminazione: meccanismi E1 ed E2. Addizioni di elettrofili agli alcheni, meccanismi delle addizioni di HX e X2. Regola di Markovnikov, stabilità dei carbocationi. Altre reazioni delle olefine: ossidazioni ad alcoli, riduzioni. Le reazioni dei composti carbonilici, differenza tra le reazioni di addizione e quelle di sostituzione. Esempi di addizione di nucleofili ad aldeidi e chetoni, uso e proprietà dei reagenti carbanionici. La tautomeria cheto-enolica, stabilità relativa delle specie. Gli ioni enolato, generazione, proprietà ed uso nella sintesi organica. La condensazione aldolica (generalizzata). Le SNAc, meccanismo ed esempi di alcune reazioni importanti in chimica bio-organica. Fondamenti essenziali della chimica dei lipidi, peptidi, zuccheri ed acidi nucleici. Modulo laboratorio In una prima parte del corso si analizzeranno le più comuni tecniche di separazione e purificazione di composti organici (filtrazione, estrazione liquido-liquido, cristallizzazione, distillazione semplice, distillazione frazionata, cromatografia su colonna e su strato sottile, gas cromatografia e cromatografia liquida ad alta pressione). In una seconda parte si analizzeranno le tecniche di spettrometria di massa e le spettroscopie IR, UV, NMR, con brevi cenni alle loro basi teoriche e applicazione all’analisi dei principali gruppi funzionali supportata da un adeguato numero di esercitazioni sull’interpretazione di spettri di massa, IR, UV e NMR di composti organici.Si condurranno quindi esperienze specifiche di laboratorio atte ad addestrare lo studente con le tecniche esposte nelle lezioni teoriche. Verranno eseguite un’esperienza di separazione e isolamento di composti organici; esperienze di semplici reazioni come la riduzione della benzaldeide, l’ossidazione del benzil alcol, l’esterificazione dell’acido benzoico e dell’acido acetilsalicilico per la sintesi dell'aspirina e la reazione di condensazione di Claisen nella sintesi del dibenzalacetone. Tutte le reazioni saranno seguite utilizzando la tecnica di cromatografia su strato sottile.

Accenni di termodinamica e cinetica delle reazioni chimiche. Introduzione alla catalisi. Principi della chimica industriale. Proprietà di gas e liquidi. Bilanci di materia ed energia. Problematiche dell’energia e della sostenibilità. Concetto di green chemistry. Efficiency, atom economy e E -factor con esempi. Risorse rinnovabili. Risorse non rinnovabili. Materie prime. Petrolio. Gas naturale. Carbone. Biomasse lignocellulosiche. Esempi di processi chimici tradizionali nella sintesi di prodotti chimici di base e alternative green. Chimica delle formulazioni: introduzione, utilizzo di tensioattivi, dispersioni, emulsioni e stabilità dei sistemi dispersi. Esempi applicativi nell'industria dei detergenti, cosmesi e cementi.

Per il chimico del XXI secolo lo strumento informatico è diventato un complemento fondamentale del lavoro in laboratorio. Nel corso vengono descritti i software e i database di più comune utilizzo nel campo della chimica. In primo luogo si descrive l’uso delle risorse bibliografiche elettroniche e dei database con esempi pratici relativi ai dati di natura spettroscopica e strutturale. In seguito, per sottolineare il carattere tridimensionale delle molecole viene approfondito il tema della grafica molecolare e della modellazione in silico dei sistemi chimici. Infine vengono utilizzati i software di calcolo quantomeccanico per predire e interpretare proprietà di natura chimica quali distanze ed energie di legame, energie di reazione e di combustione e calcolare spettri vibrazionali molecolari, Le variabili aleatorie e gli indicatori statistici. Dipendenza ed indipendenza statistica e relative implicazioni. Le distribuzioni di probabilità (normale, t di Student, F di Fisher, Chi quadrato, Poisson, binomiale, uniforme) ed il loro utilizzo. Il test statistico (struttura, finalità, errori alfa e beta). Test parametrici e non parametrici (introduzione ai vari test ed esempi relativi al loro uso). Correlazione tra variabili e autocorrelazione. ANOVA. Applicazione dei test a situazioni reali per prendere decisioni in laboratorio basate sulla significatività statistica. Approcci sperimentali per valutare la significatività di effetti. Esercitazioni con e senza calcolatore.

Le variabili aleatorie e gli indicatori statistici. Dipendenza ed indipendenza statistica e relative implicazioni. Le distribuzioni di probabilità (normale, t di Student, F di Fisher, Chi quadrato, Poisson, binomiale) ed il loro utilizzo. Il test statistico (struttura, finalità, errori alfa e beta). Test parametrici e non parametrici (introduzione ai vari test ed esempi relativi al loro uso). Correlazione tra variabili e autocorrelazione. ANOVA. Applicazione dei test a situazioni reali per prendere decisioni in laboratorio basate sulla significatività statistica e per la validazione di metodi analitici. Approcci sperimentali per valutare la significatività di effetti. Introduzione alla pianificazione sperimentale, analisi del problema, piani fattoriali completi a due livelli. Esercitazioni con e senza calcolatore.

Per il chimico del XXI secolo lo strumento informatico è diventato un complemento fondamentale del lavoro in laboratorio. Nel corso vengono descritti i software e i database di più comune utilizzo nel campo della chimica. In primo luogo si descrive l’uso delle risorse bibliografiche elettroniche e dei database con esempi pratici relativi ai dati di natura spettroscopica e strutturale. In seguito, per sottolineare il carattere tridimensionale delle molecole viene approfondito il tema della grafica molecolare e della modellazione in silico dei sistemi chimici. Infine vengono utilizzati i software di calcolo quantomeccanico per predire e interpretare proprietà di natura chimica quali distanze ed energie di legame, energie di reazione e di combustione e calcolare spettri vibrazionali molecolari

Equilibri in soluzione (acido-base, complessazione, precipitazione, redox); il coefficiente di attività; le determinazioni volumetriche (calcolo della curva di titolazione, sistemi indicatore, le titolazioni più importanti). Metodi quantitativi: validazione del metodo, cenni sui parametri da valutare per la validazione dei metodi, rappresentazione dei risultati (media, scarto tipo, intervallo di confidenza e test statistici), limite critico, LOD, LOQ, metodo della retta di taratura, metodo dello standard interno, metodo delle aggiunte multiple, metodo dell'aggiunta singola. Laboratorio Lezioni in aula: breve introduzione alle esperienze di laboratorio. Esercitazioni in laboratorio individuali e/o di gruppo, comprendono: • titolazione del rame per via complessometrica • determinazione del rame e zinco in una delle sue leghe più comuni: confronto dei risultati ottenuti per determinazione in spettrofotometrica UV-Vis e titolazione.

Sviluppo delle quattro competenze linguistiche e delle conoscenze linguistiche previste dal Quadro Comune di Riferimento Europeo per il livello B2.

Modulo di Fondamenti di Microbiologia: - Struttura e funzioni della cellula batterica - La locomozione microbica -Le strutture di superficie e le inclusioni cellulari - La struttura del DNA e la sua replicazione - Principi di biologia molecolare dei microrganismi - Genetica dei microrganismi - La nutrizione microbica - Effetti ambientali sulla crescita microbica - La coltura di microrganismi in laboratorio - La crescita microbica - Il metabolismo microbico - Esempi di prodotti e processi microbici a basso impatto ambientale - Substrati rinnovabili per la crescita dei microrganismi e la produzione di metaboliti di interesse industriale. Modulo di Fondamenti di Biochimica - Proteine: gli aminoacidi: caratteristiche chimiche e struttura. Livelli di organizzazione delle proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria e strutture sopramolecolari. I fattori che determinano la struttura secondaria e terziaria delle proteine. Il processo di folding. Il sistema GroEL:GroES. Esempi di relazione struttura-funzione in proteine: la mioglobina e l'emoglobina e il trasporto di ossigeno. Teoria della co-operatività. - Lipidi: classificazione, struttura e proprietà. - Carboidrati: classificazione; struttura e funzione; glicoproteine. - Enzimi: struttura e classificazione degli enzimi. Coenzimi e cofattori. Teoria della catalisi. Cinetica enzimatica. Inibizione enzimatica. Regolazione dell'attività enzimatica. Esempi di proteine catalitiche. -Aspetti termodinamici del metabolismo: i fosfo-composti ad alto contenuto energetico. L'ATP e le razioni di trasferimento di gruppi fosfato. Le reazioni di ossido riduzione nei sistemi biologici: il NAD(P) e il FAD. - Metabolismo dei carboidrati: Glicolisi. Fermentazione alcolica e omolattica. Regolazione della glicolisi. Degradazione del glicogeno. Gluconeogenesi. Processi ossidativi: ossidazione del piruvato, ciclo dell'acido citrico. Regolazione del ciclo dell’acido citrico. Meccanismo catalitico nella piruvato deidrogenasi. - Ossidazioni biologiche: Catena respiratoria: trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa. FoF1 ATP sintasi: struttura e meccanismo catalitico. - Metabolismo dei lipidi: trasporto e attivazione. Il processo della beta-ossidazione. Corpi chetonici. Biosintesi di acidi grassi: acido grasso sintasi. Sintesi di colesterolo - Metabolismo degli aminoacidi. Ossidazione degli amminoacidi e ciclo dell’urea. - Metabolismo dei nucleotidi. Sintesi delle basi puriniche. Sintesi delle basi pirimidiniche. Formazione dei deossiribonucleotidi. Degradazione dei nucleotidi. -Fotosintesi Modulo di Chimica e Biotecnologie Applicate Green Food Processing: concetti, strategie e strumenti; Sottoprodotti industria alimentare; Trattamento ad alta pressione; Omogeneizzazione ad alta pressione; Tecnologia a microonde; Tecnologia ad ultrasuoni per la lavorazione, la conservazione e l'estrazione; Campo elettrico pulsato (PEF); Trattamento con fluidi in condizioni supercritiche (CO2); Tecnologia dell’ozono; Radiazioni ionizzanti; Plasma freddo; Applicazioni industriali con enzimi e bioreattori.

Green Food Processing: concetti, strategie e strumenti Sottoprodotti industria alimentare Trattamento ad alta pressione Omogeneizzazione ad alta pressione Tecnologia a microonde Tecnologia ad ultrasuoni per la lavorazione, la conservazione e l'estrazione Campo elettrico pulsato (PEF) Trattamento con fluidi in condizioni supercritiche (CO2) Tecnologia dell’ozono Radiazioni ionizzanti Plasma freddo Applicazioni industriali con enzimi e bioreattori

- Proteine: gli aminoacidi: caratteristiche chimiche e struttura. Livelli di organizzazione delle proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria e strutture sopramolecolari. I fattori che determinano la struttura secondaria e terziaria delle proteine. Il processo di folding. Il sistema GroEL:GroES. Esempi di relazione struttura-funzione in proteine: la mioglobina e l'emoglobina e il trasporto di ossigeno. Teoria della co-operatività. - Lipidi: classificazione, struttura e proprietà. - Carboidrati: classificazione; struttura e funzione; glicoproteine. - Enzimi: struttura e classificazione degli enzimi. Coenzimi e cofattori. Teoria della catalisi. Cinetica enzimatica. Inibizione enzimatica. Regolazione dell'attività enzimatica. Esempi di proteine catalitiche. -Aspetti termodinamici del metabolismo: i fosfo-composti ad alto contenuto energetico. L'ATP e le razioni di trasferimento di gruppi fosfato. Le reazioni di ossido riduzione nei sistemi biologici: il NAD(P) e il FAD. - Metabolismo dei carboidrati: Glicolisi. Fermentazione alcolica e omolattica. Regolazione della glicolisi. Degradazione del glicogeno. Gluconeogenesi. Processi ossidativi: ossidazione del piruvato, ciclo dell'acido citrico. Regolazione del ciclo dell’acido cictrico. Meccanismo catalitico nella piruvato deidrogenasi. - Ossidazioni biologiche: Catena respiratoria: trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa. FoF1 ATP sintasi: struttura e meccanismo catalitico. - Metabolismo dei lipidi: trasporto e attivazione. Il processo della beta-ossidazione. Corpi chetonici. Biosintesi di acidi grassi: acido grasso sintasi. Sintesi di colesterolo - Metabolismo degli aminoacidi. Ossidazione degli amminoacidi e ciclo dell’urea. - Metabolismo dei nucleotidi. Sintesi delle basi puriniche. Sintesi delle basi pirimidiniche. Formazione dei deossiribonucleotidi. Degradazione dei nucleotidi. -Fotosintesi

- Struttura e funzioni della cellula batterica Morfologia strutturale e dimensioni della cellula batterica La membrana cellulare: struttura, funzione, Sistemi di trasporto Struttura della parete cellulare dei batteri Gram-positivi e Gram-negativi La colorazione di Gram - La locomozione microbica Flagelli, Motilità per scivolamento, Chemiotassi, fototassi e altre tassie -Le strutture di superficie e le inclusioni cellulari Fimbrie, pili, capsule, materiali di riserva, inclusioni citoplasmatiche, vescicole gassose, le endospore - La struttura del DNA e la sua replicazione - Principi di biologia molecolare dei microrganismi La sintesi e il processamento dell’RNA, la sintesi delle proteine - Genetica dei microrganismi La trasformazione La trasduzione generalizzata e specializzata I plasmidi La coniugazione I ceppi Hfr e la mobilitazione del cromosoma - La nutrizione microbica: tipi di nutrizione tra i batteri - Effetti ambientali sulla crescita microbica Temperatura, pH, ossigeno - La coltura di microrganismi in laboratorio I terreni di coltura complessi, selettivi e/o differenziali e sterilizzazione in autoclave La tecnica asettica (isolamento in coltura pura). Identificazione di un ceppo batterico tramite metodi biochimici. - La crescita microbica La scissione binaria. Il ciclo di crescita di una popolazione batterica (la curva di crescita) Le colture in continuo: il chemostato La misurazione diretta della crescita microbica e i metodi indiretti. - Il metabolismo microbico: La glicolisi, la respirazione e la catena di trasporto degli elettroni, la forza proton-motrice, la respirazione aerobia e anaerobia, le fermentazioni, il ciclo dell’acido citrico. L’anabolismo: biosintesi dei monomeri chiave. Biosintesi del peptidoglicano. - Esempi di prodotti e processi microbici a basso impatto ambientale (biotensioattivi e altri metaboliti secondari, enzimi degradativi). - substrati rinnovabili per la crescita dei microrganismi e la produzione di metaboliti di interesse industriale.

Definizione generale di Green Chemistry. Descrizione dei principali indicatori (green metrics: atom economy, e-factor, mass index, reaction mass efficiency, stoichiometric factor, mass recovery parameter) di efficacia e prestazioni ambientali di una sintesi organica. Ruolo della catalisi. Catalisi acida e basica: argille acide, zeoliti, gruppi SO3H supportati su solidi, eteropoliacidi; reazioni di sostituzione elettrofila aromatica, addizione ed eliminazione, riarrangiamenti, Ciclizzazioni. Argille e zeoliti basiche, basi organiche supportate su silice. Catalisi delle reazioni di riduzione: catalisi eterogenea e omogenea, catalisi per trasferimento di idrogeno, catalizzatori chirali eterogenei e omogenei e loro applicazioni. Riduzioni biocatalitiche: enzimi e cellule intere. Ossidazioni catalitiche: ossidazioni metallo-catalizzate, ossidazioni enzimatiche e biocatalitiche. Progettazione dei catalizzatori; diidrossilazione, epossidazione, ossidazione e scissione ossidativa di alcheni, ossidazione allilica, ossidazione di alcani, alcoli, fenoli eteri, ammine e solfuri. Scissione ossidativa di dioli. Ossidazione di Baeyer-Villiger. Ossidazioni asimmetriche: epossidazione, diidrossilazione, Baeyer-Villiger, ossidazione asimmetrica di solfuri. Formazione di legami carbonio-carbonio: uso degli enzimi, ossinitrilasi, cianidrine, aldolasi; carbonilazione e idroformilazione. Reazioni di cross coupling: Suzuki, Sonogashira, Heck. Reazioni di metatesi. Organocatalisi. Reazioni di idrolisi: idrolasi e loro proprietà, risoluzioni enzimatiche, applicazione a esteri, ammidi e nitrili. Processi di carbossialchilazione ed alchilazione a ridotto impatto ambientale. Fosgene e reagenti green come sostituti: dimetil carbonato. Uso del dimetilcarbonato in reazioni di alchilazione e di esterificazione. Policarbonati. Mezzi di reazione alternativi e sistemi bifasici. Scelta dei solventi, mezzi di reazione non convenzionali, sistemi di reazione bifasici, sistemi bifasici fluorosi, reazioni di ossidazione, riduzione, carbonilazione in mezzi non convenzionali. Prodotti da fonti naturali rinnovabili. Bioeconomia circolare. Carboidrati e loro prodotti di fermentazione, acido lattico, indaco, riboflavina, trasformazioni chimiche e chemoenzimatiche di carboidrati in prodotti di chimica fine e building-blocks, oli e grassi, biodiesel, polimeri biodegradabili da fonti naturali. Integrazione di processo e reazioni catalizzate a cascata. Risoluzione cinetica dinamica enzimatica accoppiata a catalisi di metalli, idrogenazione asimmetrica accoppiata a idrolisi enzimatica, immobilizzazione di enzimi. Cenni all'utilizzo della spettroscopia NMR per la determinazione della struttura di composti organici. Laboratorio: introduzione sulla sicurezza, indicatori di efficacia e prestazioni ambientali. Introduzione alle esperienze di laboratorio. 1. Reazione tipo Grignard in acqua 2. Sintesi del biodiesel 3. Condensazione aldolica senza solvente 4. Sintesi del glicerolo carbonato 5. Reazione di Friedel-Crafts con grafite 6. Epossidazione con dimetildiossirano preparato in situ Le reazioni saranno analizzate con i parametri introdotti nelle lezioni teoriche.

Fondamenti di Termodinamica Classica. Premesse ai principi della Termodinamica: dalle proprietà microscopiche dei sistemi chimici alle proprietà macroscopiche, sistema e ambiente, processi reversibili e irreversibili, stato di equilibrio termodinamico, equazioni di stato e funzioni di stato. Zeresimo principio: equilibrio termico. Teoria cinetica dei gas, equazione di stato dei gas perfetti ed equazioni che descrivono il comportamento dei gas reali. Le costanti critiche. Il primo principio: lavoro, calore, energia interna ed entalpia. Calori specifici e capacità termiche. Il primo principio in azione: la termochimica. Il secondo principio: entropia ed energia libera di Gibbs. Condizioni di spontaneità di una reazione chimica. Le equazioni fondamentali per un sistema chiuso. Il terzo principio: entropie ed energie libere standard. Il potenziale chimico. Il passaggio da sistema chiuso a sistema aperto. Le sostanze pure: potenziale chimico e condizioni di equilibrio di fase, il concetto di varianza, i diagrammi di fase. Il punto critico. I miscugli omogenei: grandezze di mescolamento, grandezze molari parziali e potenziali chimici. I miscugli eterogenei: condizioni di equilibrio di fase e regola della fasi. Le reazioni chimiche: le grandezze standard di reazione e le costanti di equilibrio. L’influenza delle variabili fisiche sullo spostamento dell’equilibrio. Proprietà dei miscugli ideali e non: attività e coefficienti di attività. Proprietà colligative. Cinetica Chimica Relazione tra cinetica e termodinamica. Definizione di velocità ed ordine di reazione. Leggi cinetiche e integrazione. Determinazione dell’ordine di reazione e della costante cinetica. Stadio determinante la velocità di reazione e approssimazione dello stato stazionario. Velocità di reazione e temperatura: legge di Arrhenius. Relazione tra costante di equilibrio e costante cinetica. Meccanismi delle reazioni chimiche. Cinetica enzimatica.

Introduzione alle tecniche cromatografiche: teoria dei piatti teorici, teoria delle velocità, equazione di Van Deemter, parametri per la valutazione della bontà della separazione cromatografica: efficienza, risoluzione, scodatura, larghezza e asimmetria dei picchi. Meccanismi di separazione cromatografica: adsorbimento, ripartizione, scambio ionico, esclusione dimensionale. Cromatografia liquida e gascromatografia. Strumentazione HPLC: pompe, sistemi di introduzione del campione, colonne, rivelatori. Strumentazione GC: sistemi di introduzione del campione, colonne, rivelatori. Introduzione alle tecniche spettroscopiche di assorbimento ed emissione atomica. Assorbimento atomico a fiamma, fornetto di grafite, plasma accoppiato induttivamente. Strumentazione utilizzata: lampada a catodo cavo e a scarica senza elettrodi, sistema di atomizzazione, introduzione del campione, monocromatori, rivelatori. Interferenze spettrali, chimiche, effetto della matrice. Spettroscopia UV-vis: legge di Lambert-Beer e sue deviazioni, componenti strumentali

Il programma esteso di ciascun modulo è dettagliato nel rispettivo syllabus.

Principi generali e aspetti strumentali di base della spettrometria di massa. Tecniche di ionizzazione Spettrometri di massa a bassa e alta risoluzione Regole di base per l’interpretazione degli spettri Esercitazione di acquisizione e interpretazione di spettri ESI-Ion Trap (IT)

Le spettroscopie ottiche verranno affrontate da un punto di vista teorico con accenni ad applicazioni. Verranno approfondite le spettroscopie vibrazionali (IR e Raman), con particolare riferimento all’origine delle frequenze di gruppo, dei sovratoni, delle bande di combinazione e dei fenomeni di risonanza di Fermi. Verranno fornite le basi per la comprensione degli spettri vibrazionali di molecole poliatomiche.Verrà trattato l’adsorbimento di molecole sonda di diversa natura per lo studio spettroscopico di siti di superficie e la caratterizzazione delle proprietà acide, basiche o redox. Nell ambito del corso verranno inoltre illustrati i principi delle tecniche spettroscopiche elettroniche di assorbimento (UV-Vis NIR) e emissione (fluorescenza e fosforescenza). Particolare attenzione verrà data alle tecniche in riflettanza diffusa.

Verranno studiati i metodi spettroscopici basati sulla Risonanza Magnetica per lo studio della struttura molecolare e dei processi dinamici. Principi base della tecnica; nuclei in un campo magnetico; risonanza; popolazione dei livelli di spin nucleare; esperimento ad onda continua. Metodo NMR ad impulsi: generalità, angolo di impulso, sistema di coordinate rotanti, equazioni di Bloch, rilassamento, trasformata di Fourier. Parametri NMR: chemical shift (contributi diamagnetico, paramagnetico e locale) e costanti di accoppiamento (geminali, vicinali, long-range, omo- ed eteronucleari). Equivalenza chimica e magnetica di nuclei. Ordine di uno spettro NMR. Cenni sui sistemi di spin di ordine superiore. Esempi di spettri NMR di composti inorganici multinucleari. Breve accenno ai principi base della magnetometria e della magnetochimica e sua applicazione nella caratterizzazione di composti paramagnetici di coordinazione.

Definizioni e nomenclatura dei materiali polimerici, polimeri lineari, ramificati e reticolati. Struttura chimica, morfologia e stereochimica nei materiali polimerici. Pesi molecolari e distribuzione dei pesi molecolari: definizioni e metodi di determinazione (analisi dei gruppi terminali, osmometria a membrana, gel permeation chromatography). Policondensazioni e polimerizzazioni a stadi. Meccanismo del processo di polimerizzazione per policondensazione, cinetica e distribuzione dei pesi molecolari. Metodi di conduzione delle reazioni di policondensazione. Principali polimeri per policondensazione: nylon, PET, polimeri aramidici, siliconi, poliammidi, policarbonati, resine epossidiche, bakeliti, resine alchiliche, resine rinforzate in fibra di vetro. Poliaddizioni e polimerizzazioni a catena. Meccanismo del processo di polimerizzazione per poliaddizione radicalica. Cinetica e distribuzione dei pesi molecolari. Polimerizzazioni controllate: anionica, cationica e radicalica controllata. Principali polimeri perpoliaddizione: polistirene, polietilene, polipropilene, PVC, poliacrilati e copolimeri acrilici, polimetilmetacrilato, polivinilpirrolidone. Copolimeri. Copolimeri statistici e a blocchi, equazione di copolimerizzazione, preparazione e proprietà dei copolimeri ABS, SBR, SBS. Proprietà dei materiali polimerici: stato cristallino, stato vetroso ed elasticità delle gomme. Utilizzo del materiale fornito per un ulteriore approfondimento volto all’impostare strategie sintetiche di polimeri. Esperienze di laboratorio.

Introduzione alla catalisi. Definizione di catalizzatore e di reazione catalizzata. Tipi di catalisi: omogenea, eterogenea ed enzimatica. 1) Catalisi omogenea a base di complessi metallici. Introduzione: concetti di chimica di coordinazione. Meccanismi base della catalisi omogenea mediata da complessi metallici. Catalisi omogenea mediata da complessi metallici applicata ai processi industriali. Stereoselettività nelle reazioni catalizzate da complessi metallici 2) Organocatalisi: Acidi di Brønsted, di Lewis. Catalizzatori basici/nucleofili. Enammine/imminio. Phase Transfer Catalysis. Stereoselettività delle reazioni organocatalizzate. Biocatalisi. 3) Catalisi eterogenea: i catalizzatori, solidi cristallini e solidi amorfi. Natura e reattività della superficie di un catalizzatore eterogeneo: siti cataliticamente attivi, loro dispersione e accessibilità. Classificazioni di catalizzatori eterogenei: metalli supportati, materiali porosi e ibridi organico-inorganici. Aspetti fondamentali dell’adsorbimento chimico e fisico all’interfaccia: modello di Langmuir-Hinselwood e di Eley-Redeal. Concetti di attività, selettività, resa, economia atomica, E-factor, turnover number (TON) e turnover frequency (TOF) di un processo catalitico. 4) Metodi di sintesi e tecniche di caratterizzazione dei catalizzatori eterogenei. Esempi e casi studio di processi catalizzati da acidi, da basi, da metalli e da complessi organometallici eterogenizzati. Accenni alla trasformazione catalitica di biomasse per la produzione di molecole piattaforma e combustibili verdi.

Introduzione alla catalisi. Definizione di catalizzatore e di reazione catalizzata. Tipi di catalisi: omogenea, eterogenea ed enzimatica. Passato, presente e futuro della catalisi eterogenea. La catalisi eterogenea all’interno della Chimica Verde. I materiali per la catalisi eterogenea: solidi cristallini e solidi amorfi. Natura e reattività della superficie di un catalizzatore eterogeneo: siti cataliticamente attivi, loro dispersione e accessibilità. Tipologia dei siti cataliticamente attivi: acidi, basici, redox e chirali. Classificazioni di catalizzatori eterogenei: metalli supportati, materiali porosi e ibridi organico-inorganici Cinetica delle reazioni di superficie e fasi elementari all’interfaccia catalizzatore/reagenti: diffusione, adsorbimento, reazione chimica e desorbimento. Aspetti fondamentali dell’adsorbimento chimico e fisico all’interfaccia: modello di Langmuir-Hinselwood e di Eley-Redeal. Concetti di attività, selettività, resa, economia atomica, E-factor, turnover number (TON) e turnover frequency (TOF) di un processo catalitico. Metodi di sintesi e tecniche di caratterizzazione dei catalizzatori eterogenei: diffrazione di raggi X, spettroscopie ottiche e magnetiche, microscopie elettroniche. Meccanismi di avvelenamento e rigenerazione di un catalizzatore eterogeneo. Esempi e casi studio di processi catalizzati da acidi, da basi, da metalli e da complessi organometallici eterogenizzati. Accenni alla trasformazione catalitica di biomasse per la produzione di molecole piattaforma e combustibili verdi.

Catalisi omogenea a base di complessi metallici Introduzione: concetti di chimica di coordinazione (leganti, chelanti, NC, conteggio elettroni, geometria, stereochimica) Meccanismi base della catalisi omogenea mediata da complessi metallici: addizione ossidativa, eliminazione riduttiva, inserzioni, migrazioni, scambio di legante. Catalisi omogenea mediata da complessi metallici applicata ai processi industriali: idrogenazioni, carbonilazioni e processi derivati, reazioni di coupling C-C e polimerizzazioni, metatesi, C-H activation, ossidazione/riduzione. Stereoselettività nelle reazioni catalizzate da complessi metallici 2) Organocatalisi Acidi di Brønsted, di Lewis. Catalizzatori basici/nucleofili. Enammine/imminio Phase Transfer Catalysis Stereoselettività delle reazioni organocatalizzate Biocatalisi Reazioni biocatalizzate Applicazioni industriali della biocatalisi

CHIMICA INORGANICA: Il corso tratta i seguenti argomenti fondamentali. Distribuzione degli elementi inorganici in natura, materie prime e risorse globali. Cenni di geologia e mineralogia delle risorse inorganiche. Proprietà, chimica e composti di: Li, Na, Ca, Al, C, Si, P, S. I metalli di transizione: proprietà, stati di ossidazione, diagrammi di Latimer, Frost e Pourbaix.Teorie del legame di coordinazione: simmetria, teoria dei gruppi, orbitali molecolari. Composti di coordinazione: reazioni acido-base secondo Lewis; principio HSAB di Pearson, complessi acquosi. Costanti di formazione. Effetto chelante e complessi interni. Stechiometria e geometria dei complessi. Teoria CF e teoria LF: complessi a geometria ottaedrica, tetraedrica e planare quadrata; complessi ad alto e basso spin; proprietà magnetiche. Effetto Jahn-Teller; spettri elettronici e serie spettrochimica. Leganti -donatori, leganti -donatori e -accettori. Regola EAN. Reattività dei complessi: effetto della complessazione sui potenziali redox dei cationi metallici. Meccanismi elementari di sostituzione nei complessi. Composti organometallici: composti metallo-carbonilici binari, leganti organici più comuni, metalloceni. Radiochimica: stabilità nucleare, emissioni nucleari, decadimento, bilanciamento delle reazioni nucleari, principali famiglie di radioisotopi naturali, rilevatori di particelle, applicazioni pacifiche della fissione nucleare, arricchimento in 235-U, scorie radioattive. LABORATORIO: il corso si propone di fornire gli elementi indispensabili per completare le conoscenze di chimica inorganica già illustrate nel corso teorico (crystal field theory vs orbitali molecolari, costanti di formazione, effetto chelante, tecniche di caratterizzazione applicate a complessi) integrandole a livello di spiegazione e di utilizzo con metodiche tipiche della green chemistry (metodi idro e solvotermali, meccanochimica, tecniche ad ultrasuoni e microonde). Esso si articolerà in una parte di descrizione delle esperienze di laboratorio (con la spiegazione dei passaggi chiave delle reazioni da eseguire e l’illustrazione di alcune tecniche che verranno impiegate) ed una parte più propriamente sperimentale. In quest’ultima verrà eseguita una serie di esperienze da tutti gli studenti a rotazione e divisi in piccoli gruppi di due o tre persone. In particolare, verranno sintetizzati alcuni materiali e composti di coordinazione sia per via tradizionale che mediante metodi alternativi (meccanochimica, microonde, light assisted). Per alcuni di essi verrà effettuata la caratterizzazione mediante tecniche quali UV-visibile, IR/Raman, NMR e XRD valutando costanti di formazione e stechiometria. Verranno presentate modalità efficaci per redigere il quaderno di laboratorio e una relazione scientifica e come utilizzare il materiale didattico per un futuro approfondimento.

Storia, origini e impieghi della LCA. Life cycle thinking e Life cycle management (LCM). La normativa ISO serie 14040 e le linee guida ILCD della Commissione Europea. Struttura di un’analisi LCA. Fase 1: “Definizione degli obiettivi e del campo di applicazione”. Fase 2: “Analisi di Inventario (LCI)”. Elementi di analisi energetica. I sistemi di trasporto nell’analisi LCA. Gestione del fine vita dei prodotti e smaltimento dei rifiuti. Gli strumenti informatici e le banche dati a supporto della LCA. Fase 3: “Analisi degli Impatti (LCIA)”. Dall’impatto all’effetto ambientale. Classificazione, caratterizzazione, normalizzazione e pesatura. Fase 4: “Interpretazione dei risultati di uno studio LCA e fase di miglioramento”. Guida operativa alla realizzazione di un modello LCA: Caratteristiche e utilizzo dei software applicativi di supporto all’analisi LCA; Realizzazione di un modello LCA; Applicazione guidata ad un caso studio. Presentazione di casi studio specifici della chimica e dell’ingegneria ambientale e industriale.

Modulo 1: Chimica dell'atmosfera. Composizione chimica e struttura dei quattro strati dell'atmosfera, reazioni chimiche e fotochimiche nell'atmosfera, la stratosfera e lo strato di ozono, fonti e reazioni di inquinanti inorganici e organici nell'atmosfera. Modulo 2: Effetto serra, riscaldamento globale, cambiamenti climatici e accelerazione dell'estinzione delle specie. Modulo 3: Consumo di risorse energetiche rinnovabili e non rinnovabili e produzione di inquinamento, biomassa, economia dell'idrogeno. Modulo 4: Chimica dell'idrosfera. Fondamenti, equilibri acido-base e sistema carbonato, equilibri di solubilità, colloidi, materia organica disciolta, ossigeno disciolto, reazioni redox, diagrammi pE-pH a due variabili. Modulo 5: Inquinanti organici e inorganici nell'acqua e nel suolo, generazione di rifiuti, trattamento dei rifiuti, inquinanti emergenti. Modulo 6: Capacità del pianeta di trasformare i rifiuti in risorse e biomassa. Sviluppo sostenibile e le tre aree intersecanti della sostenibilità (società, economia e ambiente). Economia atomica ed economia circolare.

Meccanismi di diffusione, trasformazione, degradazione e accumulo. Inquinanti a lunga persistenza nell’ambiente. Identificazione e determinazione di inquinanti in acque. Il depuratore, il sistema di disinfezione per le acque potabili, requisiti di legge. Metodi chimici di bonifica delle acque. Scelta della tecnica strumentale per il monitoraggio delle bonifiche e della depurazione.

- Legislazione ambientale: D.Lgs. 152/06 parte IV: Norme in materia di gestione dei rifiuti; - Principi gestionali ed operativi degli impianti di trattamento e recupero rifiuti; - Procedure di verifica e controllo di processo negli impianti di trattamento e recupero rifiuti; - Pianificazione di sistemi di raccolta differenziata di rifiuti urbani; - Visita operativa a impianto di trattamento e recupero del legno; - Visita operativa a impianto di trattamento meccanico biologico.

Introduzione, materiali strutturali e materiali funzionali. Materie prime, aspetti generali dei minerali di uso industriale e loro impiego. Esempi. Processi di produzione e di lavorazione, le proprietà e le applicazioni di materiali metallici quali ferro, rame, bronzi e ottoni, alluminio, magnesio, titanio. Vetri. Materiali ceramici tradizionali e avanzati. Refrattari. Materiali funzionali (superconduttori, materiali magnetici, dielettrici, piezoelettrici, piroelettrici etc.)

Modulo 1 Produzione del cemento e nuove tendenze Sessione 1.1 Produzione del cemento Sessione 1.2 Tipi del cemento e applicazioni Sessione 1.3 Fabbisogni energetici e di materie prime del cemento e impatto ambientale Sessione 1.4 Strategie per ridurre l'impatto ambientale della produzione del cemento Modulo 2 Miglioramento della sostenibilità basato su processi per la produzione del cemento Sessione 2.1 Sostituzione calorica (combustibili da rifiuti e scarti, oxyfuel, idrogeno, flash calcination) Sessione 2.2 Carbon Capture and Storage/Carbon Capture and Utilisation Modulo 3 Miglioramento della sostenibilità basato sui materiali Sessione 3.1 Clinker a basso fabbisogno energetico – CSA Sessione 3.2 Clinker a basso fabbisogno energetico – Cementi belitici Modulo 4 Materiali cementizi supplementari (SCM) in formulazioni di cementi compositi Sessione 4.1 Cemento a base di calcare Sessione 4.2 Cemento a base di loppa Sessione 4.3 Cemento a base pozzolana Sessione 4.4 Cemento a base di argilla calcinata Sessione 4.5 Cementi compositi Sessione 4.6 Applicazioni Modulo 5 Durabilità Sessione 5. 1 Attacco dei cloruri Sessione 5. 2 Attacco dei solfati Sessione 5. 3 Carbonatazione Sessione 5. 4 Resistenza ai cicli di gelo/disgelo Modulo 6 Nuovi metodi di produzione di materiali cementizi Sessione 6.1 Geopolimerizzazione Sessione 6.2 Polimerizzazione attivata da CO2 Sessione 6.3 Celitement Sessione 6.4 Solidia Sessione 6.5 Recupero di scarti di demolizione

Introduzione sulle nanotecnologie e nanomateriali e loro relazione con l’ambiente: storia, definizioni e applicazioni. Sistemi fisici eterogenei e sistemi dispersi. Classificazione dei nanomateriali in base alle dimensioni. Tensione superficiale e tensione interfacciale. Metodi di sintesi di nanomateriali: bottom-up and top-down. Proprietà chimico-fisiche di nanoparticelle disperse: proprietà ottiche, cinetiche ed elettriche. Fenomeni ottici: riflessione, rifrazione, diffrazione. Diffusione e sedimentazione. Potenziale zeta e cariche elettriche superficiali. Il rapporto superficie/volume. Tecniche per la determinazione delle dimensioni di nanomateriali: microscopie ottiche ed elettroniche e dynamic light scattering (DLS). Microscopia elettronica a scansione (SEM) e in trasmissione (TEM). Esempi di nanomateriali del passato, del presente e del futuro in diversi campi di applicazioni dalla nanomedicina alla catalisi. L’interfaccia e la tipologia di interazione tra nanomateriali e mondo biologico.

Storia e scopi delle biotecnologie vegetali. Coltura in vitro di cellule e tessuti. Micropropagazione e mantenimento di linee cellulari. Embriogenesi somatica e organogenesi. Le cellule vegetali come biofabbriche di prodotti chimici e farmaceutici. Biofertilizzanti. Bioproduzioni e biomasse. Dalla scala di laboratorio alla scala industriale: bioreattori. Fitorisanamento di suoli ed acque contaminati. Ingegneria genetica nelle piante. Piante transgeniche: resistenza/tolleranza a stress biotici e abiotici; miglioramento dei tratti qualitativi di piante di interesse economico; piante transgeniche come bioreattori per la produzione di proteine eterologhe, piante transgeniche per la produzione di biocombustibili. Piante transgeniche ed impatto sulla salute umana. Cenni sulla legislazione ed etica.