lezione chimica 1 2009 testo

Corso di Chimica – A.A. 2009-2010

E. Angelini – Dip. SMIC – Politecnico di Torino - 1 -

IIIIII FFaaccoollttàà ddii IInnggeeggnneerriiaa –– PPOOLLIITTEECCNNIICCOO ddii TTOORRIINNOO Anno Accademico 2009-2010

CORSO di CHIMICA (06AHM) ITt

EEmmmmaa AAnnggeelliinnii

Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica Politecnico di Torino

e-mail : [email protected]

mailto:[email protected]



Programma del Corso di Chimica

1. Progettare il mondo molecolare Lezione 1 : una introduzione

2. Ingegnerizzare gli elementi: Strutture atomiche e molecolari

Lezione 2: Struttura atomica e Ordine fra gli elementi, Sistema periodico, Modello di Rutherford, Peso atomico, Mole, Isotopi

Lezione3: Struttura atomica: dalle orbite agli orbitali, Effetto fotoelettrico, Quantizzazione dell’energia, Modello di Bohr, Spettri atomici di emissione ed assorbimento, Principio di Indeterminazione, Orbitali, Configurazioni elettroniche

3. Evoluzione delle strutture atomiche e molecolari Lezione 4: Costruire con gli atomi: strutture molecolari, Regola dell’ottetto,Legame ionico,

Legame covalente, Orbitali molecolari, Metodo del legame di valenza, Orbitali ibridi, Legami semplici, doppi, tripli, Composti aromatici, Fullereni, Legame metallico, Attrazioni deboli, Elettronegatività, Struttura e proprietà acqua, Attrazioni intermolecolari ed effetto sulle proprietà dei liquidi

Lezione 5: Stati di aggregazione della materia e passaggi di stato, Stati della materia e proprietà : solidi, liquidi , gas, plasma, leggi dei gas, caratteristiche e proprietà dei liquidi, dei solidi ionici, covalenti e metallici, passaggi di stato, diagrammi di stato, fluidi supercritici

Lezione 6: Vedere gli atomi microscopie , Microscopi ottici, Microscopi elettronici (SEM, TEM), Microscopi ad effetto tunnel, Emissione Raggi X

Lezione7: Solidi cristallini ed amorfi, Difetti, Reticoli Cristallini, Celle elementari, difffrazione di Raggi X, Quasi cristalli, Difetti nei solidi (Vacanze e dislocazioni , soluzioni solide sostituzionali ed interstiziali)

Lezione 8: Leghe, Interazione con l’ambiente; Acciai, ghise, Leghe di rame, Titanio e leghe, Cenni di corrosione (corrosione generalizzata e localizzata (corrosione per vaiolatura o pitting, corrosione interstiziale ed intergranulare, corrosione galvanica, Stress corrosion cracking), Modificazione delle superfici, Strati superficiali,Chimica dei plasmi

4. Relazioni struttura – proprietà

Lezione 9: Materiali Polimerici : Cenni di chimica organica, polimeri termoplastici e termoindurenti; reazioni di polimerizzazione : addizione e condensazione;struttura dei polimeri termoplastici, esempi di polimeri termoplastici; esempi di polimeri termoindurenti; conducibilità elettrica dei polimeri.



Lezione 10 : Sistemi per la generazione di energia Pile, Batterie Innovative, materiali per il fotovoltaico

Lezione 11 :Materiali per l’elettronica, Conduttori, semiconduttori ed isolanti, Materiali

per l’elettronica ( Produzione del silicio per l’industria elettronica; produzione di monocristalli di composti III-V; produzione di microcircuiti; drogaggio del silicio per diffusione ed impiantazione ionica; modificazione delle superfici per deposizione da fase vapore (chemical vapour deposition). superconduttori

Libri di consultazione Ralph H. Petrucci, William S. Harwood, Geoffrey F. Herring - Chimica generale: Principi e moderne applicazioni - traduttore Catalini L. , Paolucci G., Piccin-Nuova Libraria (2004)

Mary Jane Shultz – Chimica generale, Un approccio Applicativo – Zanichelli (2008)

Martin S. Silberberg - Principles of General Chemistry –Mc Graw Hill International Edition (2007)

James F. Shackelford – Introduction to Materials Science for Engineers – Prentice Hall International (1992)


LEZIONE 1

Progettare il mondo molecolare: una introduzione. Benvenuti nel mondo della chimica che, spero di convincervi in questa e nelle successive lezioni, non è solo un mondo di provette e di fumi maleodoranti come vuole l’immaginario collettivo. Negli anni ‘50 Linus Pauling, un celebre chimico americano, che forse qualcuno di voi ha già sentito nominare, disse che la chimica era una scienza giovane, anche se già praticata in qualche forma nell’antica Cina, e aveva ragione perchè a quell’epoca era da pochi decenni stata chiarita la struttura atomica e Mendeleev , padre dalla Tavola Periodica degli elementi, che avrete conosciuto sicuramente in precedenti corsi di studio, aveva appena un’ottantina di anni.

Linus Pauling (1901-1994)

Mendeleev (1834-1907)



Sono ancora valide queste osservazioni mezzo secolo dopo? La chimica si è modificata e a mio avviso non ha più senso dividerla nelle tre branche tradizionali, chimica analitica, chimica teorica, chimica inorganica e chimica organica, emergono infatti nuovi concetti e nuove classificazioni che tratteremo nelle lezioni successive.

Life Science

Chimica

Ecologia

Beni culturali

Energia

Scienza dei materiali

Produzioni industriali

Vediamo intanto di fissare alcuni concetti .

Materiali: molti l’avrete sentito dire lamentano l’avvento dell’era delle materie plastiche, è indubbio tuttavia che ci sono dei vantaggi nel poter progettare dei materiali con opportune caratteristiche anzichè aver solo a disposizione i materiali naturali da processare. I materiali plastici ad esempio sembrano avere un apparentemente illimitato numero di proprietà, dalla resistenza alla trazione paragonabile a quella dell’acciaio, alla solubilità in acqua, alla possibilità di essere attaccati dai microorganismi, alla possibilità di condurre elettricità, alla possibilità di cambiare di colore, etc.. I materiali plastici sono essenzialmente costituiti da catene di atomi di carbonio, come vedremo meglio in seguito, possiamo osservare che catene di atomi di silicio e ossigeno possono invece servire come precursori per nuovi tipi di materiali ceramici, una sorta di pietre artificiali, con promettenti caratteristiche di durezza e resistenza alla trazione. In sostanza questa esplosione di interesse per i materiali è da attribuirsi al fatto che si è compreso che: la conoscenza della struttura dei materiali a livello molecolare consente di progettare materiali con proprietà utili a livello ingegneristico. Si può controllare la crescita dei materiali atomo per atomo, aprendo nuove possibilità alla microelettronica, oppure produrre materiali simili a sostanze naturali quali l’osso. E come aumenta la capacità di controllare la natura microscopica dei materiali, la chimica occasionalmente produce materiali con proprietà inaspettate, come i fullereni o i quasi cristalli. Elettronica: Abbiamo detto materiali plastici che conducono elettricità, molti materiali di questo tipo sono utilizzati nei componenti elettronici. Molti materiali di sintesi hanno conducibilità, elettrica simile ai metalli e alcuni di questi sono superconduttori, presentano conducibilità senza resistenza. Si possono preparare sostanze magnetiche senza metallo basate su molecole E. Angelini – Dip. SMIC – Politecnico di Torino - 5 -


contenenti carbonio e azoto come le molecole organiche. Si può quindi pensare ad un’industria elettronica come a un qualcosa che non abbia più bisogno di metalli e semiconduttori convenzionali come il silicio. Il futuro può essere quello di arrivare a costruire circuiti da molecole singole, usando fili molecolari per legare componenti in scala atomica, ottenendo dei componenti molecolari.

Wafer di silicio Auto-assemblaggio: come detto in precedenza, se vogliamo costruire qualcosa molecola per molecola abbiamo bisogno di una molta più precisione e velocità di manipolazione di quanta non ne abbiano a disposizione gli attuali ingegneri del micromondo. E allora? C’è la possibilità di superare questo ostacolo? Si perchè le molecole si possono autoassemblare. Questo potrebbe essere un fatto inaspettato come vedere una casa costruirsi da una pila di mattoni, ma le molecole sono piu’ versatili dei mattoni. Ad esempio le molecole di sapone si possono aggregare spontaneamente in strutture complesse.



Alcune molecole organiche come i cristalli liquidi si orientano in domini cristallini.



Ragion per cui più comprendiamo la maniera nella quale le molecole interagiscono, più abili saremo nel progettarle in modo che si assemblino in strutture complesse. C’è molto da imparare dalla natura che abbonda di molecole che possono riconoscersi ed assemblarsi in modi molto specifici. Sia in natura che in laboratorio il riconoscimento e l’auto-assemblaggio possono portare alla possibilità che molecole mettano assieme delle copie delle loro parti ed in sostanza che si replichino. Replica: uno dei più importanti attributi di un organismo vivente è la capacità di replicarsi, questa abilità non richiede una particolare forma di intelligenza e si eè visto che la chimica può svolgere da sola questa funzione. La scoperta del DNA nel 1953 ha indicato la strada per la replicazione chimica. La molecola da replicare agisce come un template sul quale si assembla una copia e questo processo di assemblaggio richiede la complementarietà cosicchè la molecola procura o scaffolding per la costruzione della sua replica. Si possono replicare molecole meno complesse del DNA.



Specificità: E’ noto, per lo meno ai chimici, che le reazioni chimiche sono complicate e uno dei problemi, che nessun chimico vorrebbe avere è quello di estrarre da un ammasso di prodotti ottenuti da reazioni collaterali quello che interessa . Questo non accade invece nelle reazioni biochimiche che hanno luogo nel corpo umano dove ogni reazione da’ in genere un prodotto solo quello desiderato. Questo significa che nelle sintesi chimiche non dobbiamo rassegnarci a questo stato di cosa ma dobbiamo rendere la chimica più specifica. Sono gli enzimi le classi di materiali che sono responsabili della elevata specificità dei processi biochimici e lungi dall’aver compreso completamente il funzionamento degli enzimi sono state realizzate molecole che ne simulano abbastanza bene il comportamento. L’industria chimica sta utilizzando enzimi in bioreattori ad esempio per la produzione di farmaci complessi. L’industria petrolchimica utilizza le zeoliti, che sono minerali, quali rudimentali enzimi allo stato solido per ottenere composti chimici dal petrolio. Chimica in scala micro e nano: Noi siamo in grado di capire i processi chimici che avvengono in scala macroscopica ed in scala microscopica o molecolare. Ma in scala mesoscopica, da dimensioni di migliaia di molecole a quelle delle cellule viventi, è un territorio incerto. La materia cioè si comporta come molecola singola o come materiale massivo? Interessanti nuove proprietà possono essere osservate. Ad esempio cluster di atomi di carbonio, che hanno la possibilità di riarrangiarsi in contenitori vuoti di dimensione specifica consentono di aprire nuovi orizzonti nella ricerca in chimica, elettronica e scienza dei materiali, fullereni, nanotubi di carbonio.

Nanotubi di carbonio Conversione dell’energia: molte reazioni chimiche producono energia, in genere sotto forma di calore, e l’uomo l’ha utilizzato questa proprietà sin da quando ha scoperto il fuoco di tempo ne è passato e fa riflettere comunque che tuttora si utilizzi come principale sistema per generare energia un processo chimico così poco efficiente come una reazione di combustione. La forma più diretta di conversione tra energia chimica ed energia elettrica sono le batterie, ma non sono abbastanza a buon prezzo o abbastanza potenti per soddisfare la gran parte della domanda di



energia. Si stanno sviluppando continuamente nuovi tipi di batterie piccole, compatte e leggere dove non sono in gioco quantità notevoli di energia. Noi riceviamo ogni giorno milioni di megawatt dal sole ma abbiamo pochi mezzi efficienti per catturare e convertire energia. Le celle solari sono la risposta chimica al problema: l’impiego di materiale che assorbe luce e la immagazzina in forma di energia chimica o la trasforma direttamente in elettricità. Sensori: La possibilità di identificare in modo rapido ed efficiente la presenza o l’assenza di specifici composti chimici può essere questione di vita o di morte, vedi la presenza di gas tossici, contaminanti dei cibi, richiedono la presenza di sensori affidabili ed a sensibilità elevatissima. Molti sensori chimici si basano su principi elettrochimici, in quanto la specie chimica da rilevare induce un cambiamento nella corrente o nel voltaggio all’elettrodo. La scienza dei polimeri è in grado di produrre membrane con selettività elevatissima verso alcune specie che lasciano passare mentre risultano assolutamente impenetrabili ad altre. In alcune situazioni estremamente specifiche si arriva al riconoscimento della molecola, superando le capacità del nostro sensore chimico primario che è il naso. Se invece andiamo a vedere qual e’ l’interazione delle molecole con la luce, quindi per via spettroscopica abbiamo il vantaggio di poter monitorare una sostanza senza che debba incontrarsi fisicamente con il sensore, e quindi possiamo avere informazioni sulla costituzione dell’atmosfera, dell’atmosfera degli altri corpi celesti, etc.. Il naso è più sensibile degli strumenti analitici all’odore di tappo dato dal tricloro anisolo, ne identifica qualche ppt (0,000000001 g/l).

Il naso invece non è sensibile all’ossido di carbonio, estremamente tossico che si origina per la combustione di idrocarburi in carenza di ossigeno. CH4 + 2O2 CO2 + 2H2 O CH4 + 3/2O2 CO + 2H2 O

Sono stati sviluppati sensori che segnalano la presenza di CO.


lezione chimica 1 2009 testo

Documents