L'insegnamento di Chimica Fisica si propone essenzialmente di
portare gli allievi a:
1. collegare le proprieta' delle sostanze con la struttura
elettronica degli elementi costitutivi e con la tipologia dei legami
che li uniscono;
2. comprendere, in base a considerazioni teoriche strettamente
connesse al calcolo ed alla elaborazione dei dati sperimentali, le
ragioni per cui una reazione chimica, in determinate condizioni, si
svolge secondo un determinato schema;
3. prevedere, con sufficiente ragionevolezza lo sviluppo piu'
probabile delle reazioni chimiche;
4. analizzare i processi chimici di equilibrio sulla base di
considerazioni termodinamiche e cinetiche;
5. individuare le interconnessioni con le altre discipline
dell'area chimica.
OBIETTIVI DIDATTICI
Alla fine del corso triennale lo studente deve essere in grado di:
1. utilizzare in chiave esplicativa e previsionale i principali
concetti di termodinamica;
2. calcolare le variazioni di energia, di entalpia e di entropia
alle varie temperature anche per i processi industriali;
3. prevedere le concentrazioni dei componenti di una miscela
gassosa all'equilibrio in determinate condizioni di T e di P;
4. prevedere il comportamento delle specie ioniche sulla base
delle costanti degli equilibri in soluzione;
5. indicare l'ordine di una reazione e saperne calcolare la
costante cinetica;
6. calcolare, sulla base dei dati sperimentali, la velocita' di
una reazione enzimatica;
7. illustrare il meccanismo generale di una catalisi eterogenea;
8. analizzare il comportamento delle soluzioni in relazione alla
teoria di Debye-Huckel;
9. spiegare i fenomeni di trasporto della corrente nelle
soluzioni di elettroliti;
10. spiegare il funzionamento e le applicazioni dei vari tipi di
elettrodi;
11. individuare la correlazione tra struttura molecolare e
proprieta' delle sostanze;
12. mettere in relazione la struttura di un composto e le sue
interazioni con le radiazioni elettromagnetiche;
13. prevedere lo spostamento di un equilibrio di reazione in base
a considerazioni termodinamiche;
14. rapportare il testo di un problema ad una esperienza di
laboratorio e viceversa;
15. saper individuare gli elementi costitutivi del testo di un
problema;
16. progettare l'algoritmo risolutivo di un problema;
17. impostare il calcolo matematico con controllo sotto il
profilo chimico e matematico;
18. redigere il listato per la risoluzione al PC.
CONTENUTI
Classe terza (5 (2) ore)
0. I concetti ed il linguaggio della chimica di base
0.1 Elementi e composti. Misura delle masse atomiche relative e
delle masse molecolari; formula minima e formula molecolare.
0.2 Reazioni chimiche. Leggi di combinazione e bilanciamento delle
reazioni chimiche. Principio di Avogadro e sue conseguenze.
0.3 La valenza come rapporto di combinazione tra elementi.
Nomenclatura chimica. Il concetto di mole.
0.4 I fondamenti della classificazione periodica degli elementi.
1. La struttura dei problemi chimici.
1.1 Tipologie dei problemi chimici. Analisi del testo: dati in
ingresso ed in uscita.
1.2 Suddivisione del problema in sottoproblemi ed individuazione
delle variabili intermedie.
1.3 Criteri di assegnazione di un target per ogni variabile e
richiamo dei concetti funzionali alla soluzione del problema.
1.4 Struttura dell'algoritmo risolutivo e stesura del listato
(serie di istruzioni).
1.5 Schema di calcolo e verifica delle unita' di misura.
1.6 Esecuzione del calcolo; verifica della significativita' e
della congruenza del risultato.
2. Modello quantistico degli atomi e proprieta' periodiche
2.1 Modello elettrostatico elementare dell'atomo: particelle
presenti nel nucleo; strati elettronici; isotopi. Numero atomico,
numero di massa. Spettrometro di massa e massa delle particelle.
Massa relativa.
2.2 Andamento delle energie di prima ionizzazione; quantizzazione
dell'energia degli elettroni negli atomi. Conferma sperimentale della
quantizzazione dell'energia elettronica: carattere quantico
dell'energia radiante, fotoni, spettri a righe.
2.3 Stabilita' e reattivita' degli elementi: concetto di minima
energia; gas nobili e regola dell'ottetto: la periodicita' delle
proprieta'.
3. Molecole, legame chimico e strutture
3.1 Legame chimico come stato di minima energia relativa. La
natura elettrica del legame; distanza di legame ed energia di legame.
Modelli di legame chimico: ionico, covalente, metallico.
Elettronegativita' e polarita' dei legami. Formazione del legame nei
composti di coordinazione. Stabilita' delle molecole; concetti di
risonanza e delocalizzazione degli elettroni.
3.2 Direzionalita' dei legami chimici ed assetto spaziale delle
molecole. Esempi di assetti molecolari lineari, trigonali,
tetraedrici ed ottaedrici.
3.3 I limiti del modello elettrostatico. Principio di
indeterminazione di Heisenberg: certezza e probabilita'. Diffrazione
di onde e particelle: dualismo onda-corpusolo.
3.4 La meccanica ondulatoria: un modello matematico per
rappresentare il moto e l'energia delle particelle.
La funzione C (psi) e il suo quadrato quale fonte di informazione
sulla distribuzione della probabilita' di rinvenire particelle.
Rappresentazione della distribuzione spaziale della carica
elettronica mediante superficie e linee di equiprobabilita'.
3.5 Stabilita' e reattivita' delle molecole: fattori energetici e
cinetici nelle trasformazioni chimiche.
4. Cinetica chimica
4.1 La distribuzione delle velocita' e delle energie molecolari e
relativa rappresentazione grafica.
4.2 Velocita' di reazione.
Fattori che influiscono sulla velocita': natura dei reagenti,
concentrazione, temperatura. Teoria elementare degli urti. Complesso
attivato. Energia di attivazione e temperatura. Meccanismi di
reazione e stadio cineticamente determinante. Catalisi.
Classe quarta (3 (1) ore)
1. Gli stati di aggregazione
1.1 Lo stato gassoso. Curve PV/P. Equazione di stato dei gas.
Equazione di Van der Waals. Teoria cinetica. Principio di
equipartizione. Gradi di liberta'. Interpretazione molecolare della
energia interna per i gas. Grandezze critiche. Liquefazione dei gas.
1.2 Lo stato liquido. Forze intermolecolari e struttura a breve
raggio. Legame a idrogeno. Pressione del vapore saturo. Tensione
superficiale, tensioattivi; capillarita', viscosita'.
1.3 Stato colloidale. Dialisi. Cristalli liquidi.
1.4 Lo stato solido. Cristalli e reticoli cristallini. Sistemi
cristallini. Riflessione, diffrazione, richiami alla rifrazione.
Capacita' termica dei solidi. Lo stato metallico. Cenni alla
struttura dei semiconduttori.
1.5 Le transizioni di stato. Curve di raffreddamento. Concetto di
fase. Diagrammi sperimentali pressione di vapore/temperatura.
1.6 Miscele binarie. Legge di Henry. Legge di Raoult. Diagrammi
temperatura/composizione di miscele binarie. Azeotropi. Eutettici.
Soluzioni ideali e soluzioni reali. Proprieta' colligative. Pressione
osmotica e determinazione della massa molecolare (es.:
macromolecole). Processi di trasporto attraverso le membrane.
2. Termodinamica chimica
2.1 Lavoro PV: trasformazioni reversibili e irreversibili.
Capacita' termica a volume e a pressione costante.
2.2 Temperatura e sua interpretazione molecolare. Temperatura
assoluta. Sistema, ambiente, universo, proprieta' intensive ed
estensive. Esperienza di Joule, lavoro adiabatico ed energia interna.
Calore ed equivalenza tra calore e lavoro.
2.3 Primo principio della termodinamica. Funzioni di stato e di
percorso. Generalizzazione della interpretazione molecolare
dell'energia interna (per gas, liquidi e solidi). Concetto di energia
al punto zero ed energia termica. Calcolo di triangolo, "Cv", "Cp".
Entalpia e valori standard. Misure di DH e di "Cp". Legge di Hess.
Calcoli entalpici e diagrammi di entalpia. Applicazioni
termodinamiche.
2.4 Secondo principio della termodinamica nell'enunciato di Kelvin
e in quello di Clausius. Rendimento di una macchina termica: entropia
come funzione di stato e trasformabilita' del calore.
2.5 Processi spontanei in un sistema isolato: entropia, secondo
principio, massimazione dell'entropia. Ordine/disordine. Peso
statistico di una configurazione S=k (Esponenziale) lw Spontaneita' e
probabilita'; preferenza per gli stati a piu' elevato peso
statistico. Esempi: diffusione, evaporazione, mescolamento.
2.6 Diagramma S/T di una macchina ideale. Calcolo della variazione
di entropia per trasformazioni semplici; calcolo della sua variazione
in funzione della temperatura. Identita' dell'entropia statistica e
termodinamica.
2.7. Terzo principio della termodinamica ed entropia "assoluta".
Entropia dei corpi materiali (massa, stato di aggregazione,
composizione ecc.). Calcoli riferiti a semplici trasformazioni.
2.8 Funzione di Gibbs e lavoro utile. La funzione di Gibbs come
indicatore di equilibrio e di spontaneita'. Stati standard. Uso dei
valori tabulati. Incidenza relativa dei fattori entalpico ed
entropico nei sistemi chiusi. Dipendenza di H da T. Spontaneita' e
temperatura.
2.9 Esempi di bilanci energetici: estrazione dei metalli e
diagrammi di Elligham; reazioni accoppiate, idrolisi di ATP e
concetto di efficienza termodinamica.
3. Interazione tra materia ed energia radiante
3.1 Discrepanza tra i valori classici della capacita' termica ed i
valori sperimentali: quantizzazione dell'energia. Confronto tra
intervalli energetici translazionali, rotazionali, vibrazionali,
elettronici ed energia media translazionale. Distribuzione
dell'energia nella traslazione. Distribuzione dell'energia sui
livelli accessibili.
3.2 Stati fondamentali e stati eccitati. Spettroscopia a
microonde, spettroscopia IR, UV e visibile; spettri a bande, spettri
a righe e loro utilita' analitica.
Classe quinta (3 ore)
1. Funzione di Gibbs ed equilibri
1.1 Funzione di Gibbs: dipendenza dalla pressione a temperatura
costante. Deduzione termodinamica della costante di equilibrio. DG
standard. Diagramma di Francis. Isoterma di Van't Hoff. Quoziente di
reazione e costante di equilibrio. Equilibri di dissociazione e di
sintesi in fase gassosa. Deduzione di Kc da Kp. Le costanti di
equilibrio nei sistemi reali: concetti di attivita' e di fugacita'.
Stati standard per liquidi e solidi puri.
1.2 Equazione di Clapeyron, sua deduzione e sue implicazioni.
Regola delle fasi e sua applicazione.
1.3 Dipendenza dalla temperatura di entalpia e capacita' termica.
Funzione di Gibbs e costante di equilibrio.
1.4 Funzione di Gibbs e composizione. Energia libera molare
parziale. Volume molare parziale; cenni alle altre grandezze molari
parziali.
1.5 Equilibri di ripartizione: adsorbimento cromatografico,
estrazione con solventi e ripartizione.
2. Dalla termodinamica alla statistica
2.1 Calcolo della probabilita' matematica (P). Macrostati,
microstati e probabilita' termodinamica (W).
2.2 Equazione di Boltzmann e andamento statistico in funzione
della temperatura.
2.3 Dispersione, probabilita' e stabilita' (orbitali degeneri,
risonanza e delocalizzazione). Equilibrio chimico ed equazione
statistica di Boltzmann.
3. Cinetica chimica
3.1 Equazione cinetica. Ordine; molecolarita'. Costante cinetica.
Energia di attivazione e costante di Boltzmann. Catalisi omogenea ed
eterogenea. Catalisi enzimatica. Equazione di Michaelis-Menten.
Equazione di Linweawer-Burk. Catalisi competitiva. Catalisi
industriale.
4. Elettrochimica
4.1 Conducibilita' elettrolitica. Teoria di Debye-Huckel.
Migrazione indipendente degli ioni. Applicazioni analitiche. Fenomeni
elettrocinetici.
4.2 Meccanismi ossidoriduttivi. Lavoro elettrico e funzione di
Gibbs. Dall'isoterma di Van't Hoff alla legge di Nernst. Celle
elettrochimiche. Forza elettromotrice. Potenziali elettrodici;
potenziali elettrodici standard. Polarizzazione degli elettrodi.
Potere ossidoriduttivo.
4.3 Tipologia degli elettrodi con particolare riferimento a quelli
a membrana. Equilibrio e potenziali di membrana. Elettrodi di
riferimento. Applicazioni analitiche della potenziometria.
4.4 Elettrolisi. Leggi di Faraday. Sovratensione e sue cause.
Applicazioni analitiche e industriali.
4.5 Corrosione, suoi meccanismi. Protezione.
4.6 Principi generali della voltammetria. Polarografia.
Laboratorio
Al terzo e al quarto anno le lezioni devono essere, possibilmente,
connesse all'attivita' di laboratorio.
Tutti i temi proposti si prestano ad attivita' sperimentali, anche
riprendendo ed affinando, soprattutto sul piano quantitativo,
esperienze gia' realizzate nel biennio.
A titolo indicativo si segnalano alcuni esperimenti da realizzare,
fermo restando che per la parte relativa agli equilibri ionici, il
corso di Analisi fornira' opportune occasioni di lavoro:
termodinamica: entalpia di soluzione e di reazione
comportamento dei metalli e dei loro ioni in differenti
condizioni di reazione
misure di conducibilita' di differenti specie (mobilita' ionica)
misure di conducibilita' in funzione della concentrazione e della
temperatura
misure di conducibilita' in ambiente non acquoso
misure di pH per soluzioni a diluizioni successive e curva di
sloope elaborata al P.C.
la cinetica chimica: fattori che influenzano la velocita' di
reazione.
Per quanto concerne il tema "la struttura dei problemi chimici",
il docente proporra' l'argomento ricostruendone in laboratorio il
contesto di definizione. In questo senso si potranno prevedere
esperienze relative a:
solubilita' e gravimetria
pH
volumetria acido-base e/o red-ox.
INDICAZIONI DIDATTICHE
Il programma proposto non va inteso in senso assiomatico: i
possibili percorsi didattici sono molteplici e vanno individuati in
termini di programmazione didattica pluridisciplinare, ferma restando
la necessita' di verificare l'acquisizione dei prerequisiti,
riproposti e/o precisati al paragrafo 0 del programma del terzo anno.
All'inizio del triennio di indirizzo si prospetta infatti per un
verso la necessita' di uniformare la preparazione degli allievi
provenienti dal biennio; d'altro canto si presenta l'esigenza di
svolgere un'azione di rinforzo ed eventualmente anche di
sistematizzazione dei fondamenti della disciplina. E' parso pertanto
opportuno inserire al terzo anno un paragrafo preliminare, denominato
"paragrafo zero", che riguarda contenuti-prerequisiti, che il docente
svolgera' completamente o in parte, in relazione alla situazione di
partenza della classe.
Il ricorso ai modelli, proposti per l'atomo al paragrafo 2 e per
le molecole al paragrafo 3, costituisce un salto di qualita' il cui
spessore va calibrato con il contesto reale del quale il modello
stesso finisce per fornire una immagine sintetica; questo e' tanto
piu' vero per i modelli di struttura atomica e molecolare.
In particolare, per quanto concerne la strutturistica si
suggerisce di adottare inizialmente il modello VSEPR, riservando alla
trattazione qualitativa del modello orbitalico, effettuata in un
secondo momento, la funzione di teoria che razionalizza i fatti
osservati ed accresca le possibilita' previsionali soprattutto in
materia di spettri molecolari.
Il programma deve fornire le basi e i fondamenti della disciplina
e quindi, fin dall'inizio prevede un primo approccio all'interazione
materia-energia radiante; anche la parte di cinetica costituisce un
primo approccio al problema che sara' rivisitato poi al quinto anno
in termini microscopici piu' approfonditi.
E' utile sottolineare la novita' costituita dallo studio della
struttura dei problemi chimici che viene inserita fin dall'inizio nel
programma del terzo anno, ma che deve pervadere tutto il corso con
uno sviluppo progressivo che il docente dovra' commisurare alle
abilita' degli allievi. Questo costituisce non solo il recupero di
un'area formativa in passato appannaggio di SISTEMI, ma sottolinea
ancora di piu' il ruolo di "asse culturale" attribuito alla Chimica
Fisica nell'ambito del progetto Deuterio.
Si prevede che anche una parte delle ore di laboratorio possa
essere utilmente impiegata per questo scopo soprattutto quando si
tratti di produrre dei listati allo scopo di passare dalla struttura
dei problemi chimici all'algoritmo finalizzato all'uso del PC.
Naturalmente questa parte dovra' portare l'allievo a riconoscere
l'architettura comune propria dei problemi chimici che vanno dalla
stechiometria, alla Chimica Fisica, alla sintesi organica
(retrosintesi) e che consente di riconoscere un comune approccio
metodologico (impostazione) e un comune assetto risolutivo (calcolo,
criteri di controllo). Ancora una volta la programmazione
pluridisciplinare dovra' contribuire a trovare i giusti momenti di
raccordo con gli insegnamenti affini.
Il programma del quarto anno prevede in particolare di affrontare
la termodinamica chimica, gli stati di aggregazione e l'interazione
radiazione-materia da un punto di vista chimico-fisico.
Per la parte relativa ai gas si puo' osservare che i problemi
relativi si inseriscono nell'asse del problem-solving gia' trattato
al terzo anno.
Non sono da sottovalutare le difficolta' che gli allievi
incontrano nello studio della Termodinamica quando si usi il
linguaggio formale della matematica: la posticipazione della parte
termodinamica rispetto a quella relativa agli stati di aggregazione,
propedeutica al corso di Tecnologie Chimiche Industriali, Automazione
ed Organizzazione Industriale, favorisce un raccordo piu' stretto con
quest'ultima disciplina. E' utile riproporre i punti 1.5 e 1.6 alla
fine della trattazione della Termodinamica, quando possono essere
letti ed interpretati sotto questo profilo. Il tema "Interazione tra
materia ed energia radiante" puo' essere affrontato anche in
connessione con "Generalizzazione della interpretazione molecolare
dell'energia interna" (cfr. punto 2.3). Cosi' facendo il tema
verrebbe proposto in parallelo allo sviluppo del programma "Analisi
chimica generale ed elaborazione dati" che si occupa della
Spettrofotometria.
Il "principio zero" e la scala di temperature assolute, collegati
alle tematiche dei gas ideali, affrontate anche da un punto di vista
intuitivo (lettura ed interpretazione di grafici) possono portare ad
introdurre precocemente la relazione del rendimento, al fine di
proporre la scala delle temperatura Kelvin.
Subito dopo ci si potrebbe dedicare alla Teoria Cinetica dei gas,
sviluppandone la dimensione formale e concettuale, quest'ultima
legata alla equazione statistica di Boltzmann.
Le fasi dedicate allo studio delle trasformazioni, attraverso la
valutazione dei triangolo U e triangolo H, i concetti di capacita'
termica e di calore specifico, costituiscono un salto di qualita' sul
piano del linguaggio matematico che consente la distinzione formale,
oltre che concettuale, tra le trasformazioni reali e quelle ideali.
Con le premesse della teoria cinetica e della termodinamica,
diventa piu' semplice passare allo studio dei moti molecolari e dei
gradi di liberta' per illustrare l'interpretazione chimico-fisica
degli spettri. E' importante sottolineare il legame tra la capacita'
termica dei liquidi e dei solidi e la spettroscopia (legame tra Cv
dei solidi ed energia vibrazionale).
Resta aperta la possibilita' di introdurre il secondo principio e
l'entropia per via classica o statistica.
Al quinto anno le linee programmatiche proposte spaziano su un
ampio ventaglio di argomenti. Sara' cura del docente, in relazione
alla programmazione, decidere il peso e l'ampiezza delle diverse
parti. Tale decisione potra' riguardare in particolare i due
paragrafi dedicati alla termodinamica statistica e alla
elettrochimica: il primo ha lo scopo di conferire un utile apporto
culturale, tipico della chimica-fisica, ma apre anche prospettive su
altre discipline chimiche (si pensi ai concetti di risonanza e stato
di transizione che riguardano la chimica organica) e consente un
passaggio senza soluzione di continuita' alla cinetica; il secondo,
riguardante l'elettrochimica, dovrebbe essere orientato soprattutto
allo studio teorico dei sistemi elettrochimici in connessione con le
basi termodinamiche della legge di Nernst e con la teoria degli
equilibri.
Non si esclude una soluzione che ribalti questa logica riducendo
il paragrafo della statistica a vantaggio di quello della
elettrochimica.
Il contenuto specifico offerto dal capitolo dedicato alla
termodinamica statistica non e' tanto quello di riprendere gli
argomenti legati al secondo principio della termodinamica, gia'
affrontato al quarto anno, quanto piuttosto di sviluppare
ulteriormente il punto di transizione tra gli aspetti termodinamici e
cinetici, rappresentato dall'equazione di Boltzmann. Quest'ultima va
qui ripresa all'interno del proprio specifico contesto di definizione
statistica. Inoltre, poiche' e' gia' stata definita la relazione tra
la funzione di Gibbs e l'equilibrio chimico (isoterma di Van't Hoff),
e' chiaro che e' gia' stata presa in esame la dipendenza della
funzione G dalla composizione del sistema; il punto 1.4 serve dunque
per ribadire questa dipendenza, quale premessa per i paragrafi
seguenti.
Sono comunque fondamentali e meritevoli di trattazione
approfondita i paragrafi relativi agli equilibri e alla cinetica: il
primo collega teoria e calcolo in relazione ai processi industriali,
mentre il secondo correla la cinetica chimica ed enzimatica, con
importanti processi industriali classici e biotecnologici.
A conclusione del corso e' utile riprendere in sintesi quegli
aspetti della disciplina che costituiscono fondamento per "analisi
chimica strumentale e tecnica" (interazione radiazione-materia), ma
anche per "chimica industriale" (termodinamica applicata ai
processi), oltre agli agganci con "chimica organica" e con
"biochimica" gia' indicati.
L'uso di schemi a blocchi e di diagrammi di flusso che scandiscano
l'itinerario didattico potrebbe favorire un efficace lavoro di
insegnamento/apprendimento.
CHIMICA ORGANICA, BIO-ORGANICA, DELLE FERMENTAZIONI E LABORATORIO
FINALITA'
Il corso e' finalizzato:
1. all'acquisizione di una conoscenza razionale dei principi sui
quali si basa la chimica dei derivati del carbonio e della loro
reattivita' attraverso l'esame dei meccanismi di reazione
fondamentali;
2. all'apprendimento dei metodi di sintesi, separazione,
purificazione ed identificazione delle sostanze organiche;
3. alla comprensione del ruolo della chimica organica nei processi
biologici.
4. Per la parte relativa alla classe quinta il corso mira ad
assicurare la corretta comprensione dei fenomeni microbiologici e
fermentativi anche sotto l'aspetto del bilancio energetico, oltre che
della conduzione e controllo della produzione di materiali utili.
OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO
Il corso mira a fornire una mentalita' critica e scientifica, un
uso razionale delle capacita' mnemoniche favorendo l'abilita' di
applicare le conoscenze teoriche alla risoluzione dei problemi.
Cio' significa superare il limite della sola "esecuzione manuale"
di operazioni che, cosi' facendo, sarebbero finalizzate al semplice
addestramento. Mentalita' critica e scientifica ad un tempo
costituiscono un obiettivo di alto livello; esso necessita di una
sintesi tra operativita' mentale e manuale: la prima si esplica nella
progettazione di un esperimento, nel controllo razionale-intuitivo
delle fasi di esecuzione e calcolo e nella fase di valutazione dei
risultati; la seconda si esplica nella vera e propria esecuzione
dell'esperimento (montaggio corretto dell'apparecchiatura e
manualita' specifica nella varie fasi di lavoro).
In tutti i casi le esercitazioni pratiche dovranno essere eseguite
nel pieno rispetto delle norme di sicurezza e di tutela
dell'ambiente. A questo proposito, per motivare e migliorare le
qualita' operative degli allievi, si consigliano esercitazioni
individuali in scala ridotta o in microscala.
La trattazione del chimismo di classi specifiche di composti di
importanza industriale e di grande interesse biologico e'
propedeutica ai corsi di chimica delle fermentazioni e di tecnologie.
Pertanto, al termine del curricolo delle classi terza e quarta,
l'allievo dovra' essere in grado di:
1. riconoscere che il grandissimo numero di sostanze organiche e'
determinato dalla capacita' di concatenarsi degli atomi di carbonio;
2. collegare il fenomeno dell'isomeria di struttura alle
proprieta' fisiche e chimiche dei composti isomeri;
3. correlare la struttura funzionale e spaziale delle molecole
con le proprieta' fisiche e chimiche;
4. prevedere il comportamento delle sostanze organiche e
bio-organiche in determinate condizioni di reazione, utilizzando
modelli generali di reattivita' (meccanismi di reazione);
5. correlare la struttura delle molecole organiche con le
funzioni biologiche, con particolare riferimento all'azione
catalitica degli enzimi e alla cinetica enzimatica;
6. realizzare sintesi di semplici composti;
7. effettuare separazioni, purificazioni e caratterizzazione dei
composti organici e bioorganici piu' comuni;
8. calcolare il bilancio energetico di un ciclo biologico
assegnato.
Al termine della classe quinta, l'allievo dovra' essere in grado
di:
9. definire le principali caratteristiche funzionali dei
microorganismi impiegati nei processi fermentativi industriali;
10. preparare, nei casi di piu' generale applicazione, il terreno
colturale adatto alla crescita di microorganismi;
11. descrivere i processi di fermentazione evidenziando i
passaggi cruciali e pianificando i controlli dei principali
parametri;
12. eseguire un ciclo fermentativo assegnato.
CONTENUTI
Classe terza (5 (3) ore)
1. Il carbonio e i suoi composti. Analisi elementare dei composti
organici. Legami semplici e multipli e modelli interpretativi.
Struttura del metano e di molecole analoghe (ammoniaca e acqua).
Struttura di molecole con doppi e tripli legami.
2. Alcani e cicloalcani: omologia, isomeria (di posizione,
conformazionale, configurazionale), regole generali e nomenclatura
IUPAC, proprieta' fisiche, alogenazione radicalica degli alcani e
relativo meccanismo di reazione. Combustione: aspetto
ossido-riduttivo. Il petrolio quale fonte industriale di idrocarburi.
3. Reattivita' e meccanismi di reazione: acidi e basi di Bronsted
e di Lewis; reagenti nucleofili ed elettrofili. Scissione eterolitica
ed omolitica dei legami: carbocationi, carbanioni e radicali liberi.
Fattori che influenzano la reattivita' delle molecole organiche:
effetti elettronici e sterici.
4. Alcheni, alchini e polieni: isomeria cis-trans (E,Z) e regole
di priorita'; nomenclatura e proprieta' fisiche. Reazioni di
addizione al doppio e al triplo legame: meccanismi di addizione
elettrofila e radicalica. Dieni e reazione di Diels-Alder. I modelli
interpretativi della delocalizzazione elettronica nei dieni coniugati
e nei polieni.
5. Idrocarburi aromatici: struttura del benzene e modelli
interpretativi dell'aromaticita'; alchilbenzeni e areni policiclici.
Sostituzioni elettrofile aromatiche (meccanismo), sostituenti
attivanti e disattivanti e orientazione nelle sostituzioni
aromatiche.
6. Alogenuri e reattivi di Grignard: proprieta' fisiche e
nomenclatura; reazioni di sostituzione nucleofila SnfB0121 ed Sn1
reazioni di eliminazione E1 ed E2. Reattivi di Grignard e loro uso
nella sintesi organica.
7. Alcoli, fenoli ed eteri: nomenclatura, metodi di preparazione e
proprieta' fisiche. Chimismo del gruppo OH. Tioli, solfuri,
eterociclici ossigenati e solforati (cenni).
8. Ammine ed eterocicli azotati: nomenclatura, preparazione,
proprieta' fisiche e chimiche. Sali di diazonio e azocomposti.
Eterociclici azotati (cenni).
9. Aldeidi e chetoni: nomenclatura, metodi di preparazione e
proprieta' fisiche. Reazioni di addizione nucleofila e relativo
meccanismo. Tautomeria. Condensazione aldolica, reazione di
Cannizzaro, reazione di Wittig e trasposizione di Beckmann.
Laboratorio
Norme di sicurezza - Principali saggi fisici di caratterizzazione
dei composti organici (punto di fusione, punto di ebollizione,
solubilita', indice di rifrazione ecc.).
Analisi elementare qualitativa: ricerca di carbonio, azoto, zolfo,
fosforo, alogeni.
Riconoscimento dei principali gruppi funzionali anche con metodi
spettrofotometrici (teoria ed applicazioni dell'IR). Separazione di
miscele (con solventi, per distillazione, cristallizzazione,
cromatografia, ecc.).
Classe quarta (6 (3) ore)
1. Acidi carbossilici e derivati: nomenclatura, metodi di
preparazione e proprieta' fisiche. Sostituzione nucleofila acilica:
reazione di esterificazione, reazione di saponificazione,
condensazione di Claisen. Composti polifunzionali di interesse
biochimico.
2. Chiralita' ed attivita' ottica: enantiomeri, diastereoisomeri,
racemi e mesoforme. Configurazione assoluta (R,S). Separazione
chimica e biochimica degli antipodi ottici.
3. Macromolecole e reazioni di polimerizzazione: poliaddizione
radicalica, cationica, anionica e di coordinazione;
policondensazione; copolimerizzazione e reticolazione. Principali
monomeri e polimeri.
4. Lipidi: origine e composizione; gliceridi e fosfogliceridi,
lipidi strutturali delle membrane cellulari. Saponi, tensioattivi
sintetici: struttura ed attivita'.
5. Glicidi: aldosi e chetosi, proprieta' chimiche e fisiche.
Stereochimica degli zuccheri: formule di Fischer, formule di Haworth
e conformazioni a sedia, le prove di Fischer sulla struttura del
glucosio. Principali biosi e poliosi di interesse biochimico e
industriale.
6. Amminoacidi (proprieta' chimiche e fisiche). Proteine:
classificazione e attivita' biologica. Struttura primaria,
secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine. Punto
isoelettrico ed elettroforesi. Sintesi in fase solida di polipeptidi
e proteine. Alcune proteine di maggior interesse biologico.
7. Enzimi: classificazione, cinetica enzimatica, inibizione,
enzimi regolati e regolatori.
8. Acidi nucleici. Elementi di sintesi proteica.
9. Metabolismo dei glicidi e dei lipidi: i grandi cicli
metabolici. Cenni sul metabolismo delle proteine.
Laboratorio
Sintesi: progettazione di sintesi organiche riferite alle reazioni
studiate (per esempio, reazioni di riduzione, di ossidazione, di
nitrazione, di condensazione, di esterificazione, ecc.).
Polarimetria, rifrattometria e spettrofotometria IR. Sintesi di
polimeri. Dosaggio di lipidi, glucidi e protidi. Determinazione
dell'attivita' enzimatica (aspetti cinetici). Separazione, dosaggio e
identificazione di proteine per elettroforesi.
Classe quinta (3 (2) ore)
1. Il regno dei protisti e la struttura dei microorganismi:
cellula eucariotica, cellula procariotica. Struttura e composizione
chimica della parete cellulare dei microorganismi procarioti.
2. Moltiplicazione dei microorganismi e fattori che influenzano lo
sviluppo microbico: temperatura, pH, pressione osmotica,
concentrazione salina, viscosita' e sensibilita' alla turbolenza.
Terreni e sostanze nutritive che influenzano la crescita dei
microorganismi.
3. Respirazione e fermentazione dei microbi: respirazione aerobica
e anaerobica, fermentazione, OfB0122 disciolto e COfB0122 disciolta e
loro influenza sul metabolismo.
Cenni di ingegneria genetica: il codice genetico e le mutazioni
microbiche, agenti mutageni e mutazioni indotte.
4. Processi microbici di interesse industriale ed alimentare:
lieviti e fattori che ne influenzano lo sviluppo, chimismo della
fermentazione alcolica e metanica; esempi di produzione chimica
industriale scelti tra quelli ottenibili tramite batteri lattici omo
ed etero fermentanti, batteri sporigeni, enterobacteriaceae,
pseudomonadaceae, batteri propionici e corinebatteri.
5. Attinomiceti. Funghi: ciclo riproduttivo dei funghi e
classificazione, condizioni per la crescita miceliare, processo di
produzione di antibiotici, produzione della penicillina.
6. Bioconversioni. Enzimi e cellule immobilizzati: applicazioni
industriali.
Laboratorio
Allestimento e sterilizzazione dei materiali. Uso del microscopio.
Tecniche di colorazione: preparazione dei vetrini e colorazione di
Gram.
Terreni di coltura e semina.
Tecniche di isolamento ed identificazione delle colture pure.
Determinazione della carica batterica.
Processo di produzione di un antibiotico o di altro prodotto
terapeutico: montaggio del fermentatore, preparazione e
sterilizzazione del terreno, preparazione dell'inoculo, controllo dei
parametri della fermentazione.
INDICAZIONI DIDATTICHE
L'insegnamento di Chimica Organica, Bio-organica, delle
Fermentazioni e laboratorio non puo' prescindere da un approccio
sistematico che prevede una panoramica significativa delle principali
classi di composti organici.
Allo scopo di non ridurre i contenuti ad un esame monotono della
complessa casistica preparativa delle sostanze organiche, e'
necessario che venga posta enfasi sugli aspetti reattivi, esaminando
nell'ambito della trattazione dei gruppi funzionali, le grandi
categorie delle reazioni organiche: addizione, sostituzione, ecc.
In questa ottica e per facilitare l'apprendimento, si consiglia di
far ricorso a dimostrazioni in classe (per esempio, presentando i
piu' semplici saggi di riconoscimento dei gruppi funzionali) e
all'uso dei modelli molecolari.
L'esame di specifici meccanismi dovra' essere limitato a
situazioni di particolare rilevanza didattica e/o a processi di
sintesi che si ritengano fondamentali; in tutti i casi esso deve
riferirsi a casi sperimentalmente provati.
La presentazione della struttura dei composti organici, fatta
ricorrendo al modello VSEPR o a quello orbitalico, in stretto
collegamento con Chimica Fisica, sara' finalizzato allo studio delle
diverse isomerie (di catena, conformazionale, geometrica, ottica,
ecc.).
Lo studio sistematico della struttura e della reattivita' dei
composti organici deve costituire premessa essenziale per la
biochimica, per la quale, nella seconda frazione del quarto anno e
nell'ultimo anno di corso, l'insegnante avra' cura di mettere in
risalto gli aspetti cinetici delle reazioni che, assieme a quelli
termodinamici, costituiscono il fondamento dei processi biochimici e
fermentativi.
Ci sono almeno due ragioni che giocano in favore del laboratorio
di Chimica Organica, Bioorganica e delle Fermentazioni: innanzitutto,
per rendere consapevoli gli studenti del fatto che le reazioni e i
processi fermentativi, descritti in classe, possono essere realizzati
in laboratorio, in secondo luogo per l'addestramento all'uso delle
tecniche di isolamento, di analisi e di sintesi, tipiche di questo
laboratorio.
"Pensa prima di agire" e' la regola d'oro per chi si accinge a
compiere un'attivita' pratica.
Insegnare agli allievi a pensare, mentre manipolano qualcosa e'
come estrarre le regolarita' dai fatti sperimentati; e' un compito
difficile, ma di grande valenza educativa.
L'esecuzione di una metodica non puo' rappresentare lo scopo
principale delle esperienze di laboratorio. Il docente deve tendere
ad abituare gli allievi a dotarsi di metodi adatti per ricercare e
trovare la risposta probabile e corretta ad una serie di questioni
piu' o meno complesse. Troppo sovente, il laboratorio mostra quello
che i chimici organici fanno con le proprie mani, ma non quello che
fanno col proprio cervello. Infine, e' necessario sviluppare negli
allievi la capacita' di descrivere per iscritto, di raccontare, di
fare, di ricordare.
In linea con quanto detto, il laboratorio tendera' ad un approccio
tipo problem solving che, nella classe terza deve condurre l'allievo,
attraverso tecniche analitiche spettrofotometriche (IR),
determinazioni di costanti fisiche (punto di fusione, punto di
ebollizione, indice di rifrazione) e saggi di reattivita' dei gruppi
funzionali, alla identificazione di sostanze incognite, graduando
opportunamente la complessita' dell'indagine.
E' importante che gli allievi si misurino con il problema della
separazione dei componenti di una miscela (per esempio, acido
benzoico, paratoluidina, diclorobenzene) eseguita, eventualmente, in
scala ridotta.
Le tecniche in scala ridotta o in microscala sono da consigliare
per motivi di sicurezza, per la velocita' di esecuzione (si riescono
a fare piu' esercitazioni in un turno di laboratorio) e per
l'economia di gestione.
Per la quarta classe le preparazioni dei composti organici devono
porre allo studente il problema di decidere fra le diverse vie
sintetiche, graduandone la complessita' dai livelli piu' bassi ai
livelli piu' alti e privilegiando quei processi di sintesi che meglio
mettono in luce la logica propria della chimica organica.
Per ridurre il carico di lavoro in laboratorio, A.H. Johnstone
suggerisce di far organizzare in anticipo agli studenti lo schema
della prova. Invece di fornire la metodica dettagliata di una
sintesi, il docente potrebbe chiedere all'allievo di progettarne le
fasi secondo la logica retroattiva (retrosintesi), gia' affrontata in
Chimica-Fisica e di calcolare, a casa, le quantita' dei reagenti,
quando si desideri ottenere un dato quantitativo di prodotto con una
certa resa percentuale. Gli studenti, dopo aver individuato
l'itinerario della sintesi ed i meccanismi di reazione e dopo aver
effettuato i relativi calcoli, potrebbero discuterli con il docente
prima di iniziare l'esperimento. Tale strategia didattica
consentirebbe di comprendere a fondo l'esperimento e di organizzare
al meglio il lavoro in laboratorio.
Per la classe quinta le esercitazioni di laboratorio devono
portare lo studente alla graduale comprensione e pratica attuazione
di un processo fermentativo completo: per esempio la preparazione di
un antibiotico con il controllo dei principali parametri che la
fermentazione prevede.
ANALISI CHIMICA, ELABORAZIONE DATI E LABORATORIO
FINALITA'
Questa disciplina, che si articola su un intero ciclo triennale,
presenta nella sua prima fase tutte le caratteristiche di base
culturale, ad alto valore formativo, per evolversi poi gradualmente
nel corso del triennio, verso contenuti sempre piu' applicativi e
professionalizzanti.
Le finalita' del corso interessano pertanto sia l'ambito
scientifico generale sia gli aspetti piu' strettamente legati
all'inserimento nel mondo del lavoro, dando uno specifico contributo
alla costruzione della figura professionale del perito chimico.
In particolare si ritiene essenziale:
1. fornire le basi teoriche fondamentali in ordine al
comportamento degli ioni in soluzione, con particolare riferimento
agli equilibri chimici, esaminati anche sotto il profilo
stechiometrico;
2. trattare le principali tecniche di analisi quali-quantitativa,
strumentali e non, sotto i diversi aspetti applicativi ed anche
economici e legislativi;
3. far acquisire le necessarie abilita' operative;
4. proporre un approccio sequenziale alla strumentazione,
evidenziando l'importanza del suo uso corretto e consapevole
(controlli, manutenzione, valutazione delle prestazioni);
5. far costante riferimento alla necessita' di valutare ed
elaborare i dati raccolti, facendo adeguato uso di software
applicativi;
6. insegnare una corretta metodologia per la stesura di una
relazione scientifica;
7. prendere in esame le diverse fasi del processo analitico
evidenziandone, attraverso un approccio sistemico, tutti gli aspetti
decisionali e le interconnessioni con altre discipline;
8. fornire, in ultima analisi, un metodo di lavoro e la capacita'
di assumere decisioni autonome.
OBIETTIVI
Obiettivo generale del corso sara' la comprensione, da parte
dell'allievo, dell'intero processo analitico come progressiva
sequenza decisionale.
In questa prospettiva l'allievo dovra' essere in grado di:
1. prelevare campioni secondo le opportune metodiche;
2. scegliere la tecnica analitica in funzione dei risultati
richiesti, in termini di precisione, accuratezza ed economicita';
3. scegliere il metodo di misura tenendo conto del numero delle
analisi, delle interferenze, ecc.;
4. trattare il campione con gli opportuni reagenti e
apparecchiature;
5. eseguire l'analisi nell'ambito delle norme di sicurezza e di
rispetto dell'ambiente, nonche' sulla base delle necessarie
operazioni di controllo sugli strumenti utilizzati;
6. elaborare e presentare i dati analitici.
7. conoscere la strategia essenziale per la messa a punto di un
metodo di analisi.
CONTENUTI
Classe terza (8 (6) ore)
1. Introduzione alla chimica delle soluzioni
1.1 Concetto di mole.
1.2 Composizione percentuale e formula minima.
1.3 Reazioni chimiche: bilanciamento e rapporti ponderali.
1.4 Soluzioni: concentrazione e sue espressioni.
1.5 Concetto di reazione chimica e calcoli stechiometrici relativi
a reazioni complete.
1.6 Titolazioni e concetto di punto di equivalenza.
2. Equilibrio chimico
2.1 Costante di equilibrio: Kc.
2.2 Principio dell'equilibrio mobile. Fattori che influenzano
l'equilibrio in soluzione.
2.3 Previsioni qualitative sul decorso delle reazioni.
3. Equilibri eterogenei
3.1 Solubilita' e prodotto di solubilita'.
3.2 La precipitazione.
3.3 Effetto dello ione a comune.
3.4 Interazione tra ioni. Cenni sulla teoria Debye-Huckel.
Attivita'. Effetto sale.
3.5 Analisi volumetrica per precipitazione, tenendo anche presenti
i sistemi colloidali.
4. Equilibri acido-base
4.1 Acidi e basi (Arrenhius e Bronsted).
4.2 Equilibrio di ionizzazione dell'acqua (autoprotolisi).
Definizione e scala di pH.
4.3 Elettroliti forti e deboli. Calcolo delle concentrazioni di
HfB0123 0fB012;.
4.4 Reazioni tra acidi e basi forti. Reazioni con acidi o basi
deboli.
4.5 Titolazioni e calcolo del pH al punto di equivalenza.
Indicatori di pH.
4.6 Soluzioni tampone.
4.7 Curve di titolazione e loro calcolo teorico per punti.
4.8 pH e solubilita'.
5. Equilibri redox;
5.1 Reazioni redox di interesse analitico (uso qualitativo della
serie elettrochimica) e utilizzazione dell'equazione di Nernst.
5.2 Titolazioni di ossidoriduzione.
6. Complessometria. Composti di coordinazione e loro impiego
nell'analisi.
7. Acquametria, finalizzata al concetto di "residuo secco".
8. Analisi qualitativa.
8.1 Solubilizzazione delle sostanze.
8.2 Condizioni generali di precipitazione e di ridissoluzione.
8.3 Analisi del residuo insolubile.
8.4 Fondamenti di analisi sistematica e reazioni analitiche degli
ioni.
Laboratorio
Introduzione al laboratorio (norme generali di sicurezza,
organizzazione topografica, strumentazione di base, vetreria,
reagenti e relativa etichettatura).
Tecnica della pesata e concetto di misura.
Taratura della vetreria (per pesata).
Schema generale di stesura delle relazioni (modello tipo "flow
chart").
Preparazione di soluzioni titolate.
Analisi quantitative ponderali.
Analisi quantitative volumetriche: acidimetria, ossidimetria,
precipitazione, complessometria, con eventuale registrazione delle
curve potenziometriche, senza particolari approfondimenti
strumentali.
Analisi qualitative, superando in certa misura la sistematica
tradizionale e facendo ricorso per quanto possibile ad agenti
precipitanti non tossici, quali idrossidi, cloruri e solfati.
Classe quarta (6 (4) ore)
1. Metodi elettrochimici
Elementi di potenziometria, analisi elettrolitica, voltammetria e
conduttimetria, con particolare attenzione agli aspetti applicativi
piuttosto che agli aspetti teorici.
2. Metodi ottici di emissione
Emissione di energia raggiante. Spettri di emissione. Lunghezza
d'onda, intensita' e ampiezza delle righe spettrali. Spettrografia.
Fotometria di fiamma. Spettrofotometria di emissione a plasma.
3. Metodi ottici di assorbimento
Natura della radiazione e sua interazione con la materia.
Livelli energetici. Transizioni elettroniche e vibrorotazionali.
Bande di assorbimento dei cromofori. Effetto dei sostituenti e del
solvente. Legge di Beer e i suoi scostamenti. Analisi qualitativa e
quantitativa. Colorimetria.
Spettrofotometria di assorbimento atomico.
Spettrofotometria ultravioletta. Spettrofotometria infrarossa.
4. Metodi cromatografici
Principi teorici generali. Meccanismi di separazione:
adsorbimento, ripartizione, esclusione, scambio ionico, affinita' -
Prestazioni di un sistema cromatografico: selettivita', efficienza,
risoluzione, capacita', riproducibilita', tempi di lavoro.
Cromatografia in fase liquida.
Cromatografia in fase gassosa.
Laboratorio
Puntualizzazioni sui concetti fondamentali della teoria della
misura (valore vero, valore medio, errore assoluto e relativo) e dei
parametri di valutazione delle analisi (accuratezza, precisione,
sensibilita', limite di rivelabilita', linearita', rapporto
segnale/disturbo).
Approccio di base al "sistema" strumento, con specifiche
esercitazioni riguardo a:
a) attivazione e funzionamento;
b) riconoscimento delle caratteristiche e delle prestazioni;
c) ottimizzazione dei parametri strumentali;
d) registrazione ed interpretazione di diagrammi strumentali
(cromatogrammi, spettri, ecc.);
e) controllo degli strumenti attraverso operazioni di taratura e
di misura;
f) riconoscimento, ad un primo livello elementare, della
problematica delle interferenze.
Costruzioni di curve di taratura su carta millimetrata e, solo in
un secondo tempo, ottimizzate al calcolatore previa introduzione del
concetto di regressione;
Ampliamento e codificazione dei concetti generali, in ordine alla
stesura di una relazione scientifica.
Le esercitazioni pratiche sulla strumentazione, associate alle
principali tecniche di analisi trattate in sede teorica, avranno come
oggetto situazioni che non presentino particolari problemi di
interferenze ne' di attacco o trattamento troppo elaborato del
campione.
Classe quinta (8 (8) ore)
Parte generale
1. Il processo analitico come sequenza decisionale inserita in un
approccio sistemico
1.1 Inquadramento del problema dal punto di vista non solo
strettamente chimico (componenti maggioritari e minoritari del
campione, distinguendo fra analita e matrice), ma anche merceologico,
legislativo, ambientale, ecc.
1.2 Scelta della tecnica analitica ritenuta piu' adatta, in base a
criteri di precisione, tempo, economicita', ecc.
1.3 Scelta del metodo di misura (curva di titolazione semplice o
in derivata, curva di taratura, aggiunte, standard interno o esterno,
ecc.).
1.4 Campionamento, trattamento ed eventuale attacco del campione.
1.5 Esecuzione dell'analisi.
1.6 Interpretazione ed elaborazione dei dati analitici, al fine di
esprimere una valutazione sul campione in esame, anche in relazione,
per quanto possibile, agli aspetti giuridici e normativi.
1.7 Presentazione dei risultati
2. Teoria della misura ed elaborazione dati
2.1 Richiami sulla teoria della misura
Errore assoluto e relativo; sistematico e casuale. Propagazione
dell'errore.
2.2 Statistica applicata all'elaborazione dati.
Distribuzioni di frequenza e probabilita'. Le misure come
variabili casuali. Espressione dei risultati e limiti di fiducia.
Scarto dei risultati anomali. Confronto di medie e varianze.
Interpretazione statistica dei parametri di valutazione delle misure:
sensibilita', specificita', accuratezza, precisione ecc.
2.3 Analisi statistica bivariata. Correlazione. Regressione
lineare e non lineare. Interpolazione. Metodo dei minimi quadrati.
Applicazione alle curve di risposta strumentali.
Cenni di analisi statistica multivariata.
2.4 Trattamento automatico dei dati.
Il computer e il laboratorio chimico. Interfacciamento alla
strumentazione analitica. Software generale e speciale. Sistemi
dedicati e a gestione totale.
Esempi di programmazione per l'analisi chimica.
3. Problematica generale dell'analisi
3.1 Esame comparativo delle diverse tecniche (strumentali e non) a
disposizione per l'analisi e criteri di scelta.
3.2 Confronto fra i possibili metodi di misura e criteri di
scelta.
3.3 Campionamento: criteri principali.
3.4 Trattamento e/o attacco del campione: metodi principali
3.5 Correlazione fra diversi parametri analitici in vista della
presentazione dei dati e dell'eventuale giudizio sul campione.
3.6 Problematiche delle analisi "on line" nei cicli produttivi e/o
durante trattamenti tecnologici.
3.7 Approccio alle problematiche riguardanti la messa a punto di
un metodo di analisi in funzione delle esigenze di una determinata
applicazione analitica (validazione del metodo): valutazione delle
caratteristiche principali in termini di parametri analitici quali
accuratezza, limite di rivelabilita', sensibilita', riproducibilita',
ecc.
3.8 Criteri di "qualita'" nelle analisi e introduzione al concetto
di "certificazione".
Parte speciale
Si suggerisce la trattazione di alcuni fra i seguenti temi:
1. analisi delle acque potabili e industriali
2. analisi dei metalli e delle leghe
3. analisi dei combustibili e dei lubrificanti
4. analisi bromatologiche (bevande alcoliche, zuccheri, oli e
grassi, ecc.)
5. analisi collegate agli inquinamenti ambientali e alle
problematiche dei rifiuti.
Altri argomenti potranno essere scelti in funzione delle esigenze
locali.
Laboratorio
Le esercitazioni relative alla parte introduttiva generale hanno
come substrato la conoscenza della analisi classica e strumentale
gia' acquisita negli anni precedenti e si propongono come obiettivo
principale l'applicazione dei metodi statistici all'elaborazione dei
dati analitici. I numerosi dati disponibili vengono utilizzati per il
calcolo di medie, varianze, limiti fiduciali; si costruiranno
istogrammi e curve di distribuzione; si studiera' la correlazione dei
dati; si tracceranno rette di regressione e interpolanti; si fara'
uso dei test statistici per lo scarto di valori anomali e per il
confronto fra procedure analitiche e/o strumenti.
Il software necessario, disponibile sul mercato, in qualche
semplicissimo caso puo' essere integrato con altro redatto con la
partecipazione degli studenti.
Le esercitazioni relative alla parte speciale si possono
distinguere nei seguenti tipi:
1) esecuzione di analisi su campioni certificati, eventualmente
anche a livello individuale. Queste esercitazioni consentono, tra
l'altro, di valutare meglio di altre i risultati ottenuti dagli
allievi;
2) esecuzione di analisi su campioni naturali e industriali, che
presentino particolare interesse dal punto di vista analitico,
merceologico ecc.;
3) studio statistico delle interferenze da elementi estranei e
dell'influenza di determinati parametri strumentali nella
determinazione di sostanze in matrici piu' o meno complesse;
4) studio comparativo di metodiche e relativa elaborazione
statistica dei risultati, allo scopo di quantificare i parametri che
ne determinano l'affidabilita'.
INDICAZIONI DIDATTICHE
1. Criteri generali
L'insegnamento dell'analisi chimica richiede una attenta
integrazione fra teoria e pratica. Dovra' quindi essere impostato in
modo da non appesantire eccessivamente l'aspetto teorico, collegando
gli elementi essenziali della chimica delle soluzioni ai principi
generali dei metodi di analisi, che dovranno essere privilegiati
rispetto alla ripetitiva descrizione di analisi diverse ma
riconducibili allo stesso principio. Questo, nell'intento di mettere
l'allievo in condizione di affrontare problemi che solo in apparenza
sono diversi da quelli gia' incontrati.
Analogamente, per le analisi applicate non si potra' ne' si dovra'
addivenire ad una trattazione teorica e pratica di tutti i vari
prodotti merceologici industriali, naturali, ecc.; si dara' tuttavia
un quadro generale, il piu' possibile esauriente, relativo ad alcuni
settori tra i piu' significativi, anche in relazione ad esigenze
locali.
Inoltre, le esercitazioni di laboratorio dovranno essere
selezionate e organizzate in modo da costituire una valida e mutua
integrazione con la parte teorica, non limitandosi a considerarle
come momento di verifica sperimentale di quanto appreso in teoria, ma
anche, ove possibile, come strumento base per ricavare leggi,
principi teorici e modelli a partire dall'esperienza.
Si ritiene importante che l'introduzione al laboratorio avvenga
sulla base di opportune prove preliminari sottese alla verifica del
possesso dei prerequisiti essenziali, anche sotto il profilo della
sicurezza personale e ambientale.
L'adozione di opportuni "test d'ingresso" viene considerata
comunque ampiamente auspicabile anche in sede teorica.
Il problema delle verifica delle conoscenze e delle abilita'
acquisite presenta, relativamente al corso di analisi, una
particolare specificita', in quanto richiede di stabilire nel
contempo:
il livello delle conoscenze teoriche acquisite e la capacita' di
argomentare adeguatamente i temi proposti;
la capacita' di stendere relazioni di lavoro ben strutturate e
documentate, partendo dall'approccio al problema, per finire con la
elaborazione dei dati raccolti e la loro presentazione, facendo
ricorso ad utili schemi a blocchi riferiti al processo analitico nel
suo complesso o anche a parti di esso;
l'acquisizione delle abilita' essenziali relative al laboratorio,
inteso non solo come una semplice sequenza di operazioni
sostanzialmente manuali, ma soprattutto come attuazione pratica di
capacita' progettuali assistite da un'adeguata autonomia di
elaborazione.
2. Indicazioni specifiche per la classe terza
Il programma e' da intendersi propedeutico rispetto a quelli degli
anni seguenti, in particolare a quello del quinto anno, destinato ad
introdurre l'allievo nel vivo della pratica professionale.
E' essenziale percio' che, durante il terzo anno, i concetti che
sono alla base della comprensione teorica dello svolgimento delle
reazioni e le tecniche fondamentali di base siano compiutamente
acquisiti. A questo proposito, e' fondamentale il fatto che
l'insegnamento si avvalga del corso parallelo di chimica-fisica, al
quale compete maggiormente la trattazione teorica approfondita di
alcuni argomenti fondamentali mentre il corso di Analisi ha il
compito di evidenziarne gli aspetti di immediato interesse
applicativo.
Obiettivo primario del terzo anno sara' dunque l'acquisizione dei
principi e delle abilita' operative fondamentali riguardanti i metodi
di analisi quantitativa: acidimetria, ossidimetria, complessometria,
argentometria, gravimetria e acquametria con accenni, se possibile,
alle titolazioni in ambiente non acquoso.
Per l'analisi qualitativa il punto di riferimento dovra' essere lo
studio del comportamento dei principali ioni in soluzione,
presupposto della loro separazione e del relativo riconoscimento.
Sul piano strettamente didattico, d'altra parte, sono ben note le
difficolta' insite nell'insegnamento della chimica qualitativa e
quantitativa, tanto piu' accentuate quanto piu' limitato e' il tempo
disponibile. Pertanto, ferma restando la prospettiva di una sempre
migliore compenetrazione fra i due aspetti dell'analisi, si ritiene
di particolare importanza un corretto approccio al laboratorio e
quindi l'acquisizione precoce delle abilita' necessarie.
Per questi motivi e' preferibile che l'aspetto quantitativo della
reazione chimica e il possesso della tecnica d'uso di strumenti
fondamentali (bilancia, burette, ecc.) vengano acquisiti
precocemente. Il fatto che gli allievi, intorno alla meta' dell'anno
scolastico, sappiano usare gli strumenti di cui sopra con buona
valutazione degli aspetti quantitativi delle reazioni ed abbiano una
tecnica di lavoro precisa, permette di affrontare piu' speditamente
il problema di una corretta esecuzione di manipolazione e reazioni
chimiche. Cio' consente, nel corso delle successive lezioni dedicate
all'analisi qualitativa, di dedicare maggiore spazio ai problemi
teorici di interpretazione poiche' quelli tecnici dovrebbero essere
ormai in buona parte superati.
3. Indicazioni specifiche per la classe quarta
Questo corso e' destinato all'acquisizione di tutti i principali
metodi fisici dell'analisi chimica quantitativa e qualitativa.
Poiche' tali metodi si basano su proprieta' fisiche della materia,
il corso in oggetto presuppone una buona conoscenza della chimica
generale, della fisica e della chimica-fisica.
Dato che obiettivo fondamentale di questo insegnamento e' quello
di condurre l'allievo ad una buona conoscenza generale del principio
di funzionamento e dell'impiego dello strumento analitico, valutando
appieno gli aspetti relativi al problema delle misure per ogni metodo
di analisi trattato si prendera' in considerazione:
a) il principio fisico teorico su cui si fonda il metodo stesso;
b) lo schema di principio dello strumento ed il suo
funzionamento;
c) i fondamenti e la esecuzione dell'analisi quantitativa e
qualitativa;
d) l'influenza dei vari parametri chimico-fisici (es.: solvente,
pH, viscosita', ecc.) sulla misura strumentale.
Le esercitazioni pratiche dovranno essere organizzate in modo che
lo studente:
a) riconosca le caratteristiche, le prestazioni, i comandi ed il
funzionamento dello strumento in genere;
b) sia in condizione di eseguire correttamente le operazioni di
taratura e di misura;
c) sappia opportunamente intervenire sui parametri strumentali
disponibili al fine di ottimizzare le misure;
d) sia in grado di identificare e valutare, ad un primo livello,
i problemi generali connessi con le interferenze (l'argomento sara'
approfondito nella classe quinta);
e) sappia controllare l'efficienza dello strumento e valutarne i
limiti.
In genere, per non distogliere l'attenzione del discente
dall'obiettivo didattico primario, le esercitazioni saranno eseguite,
almeno in una prima fase, mediante campionamenti effettuati su
prodotti chimici puri o su miscele standard, in modo da escludere
tutte le problematiche relative al pretrattamento del campione e alle
interferenze, tipiche dei prodotti tecnici o dei campioni reali, di
competenza del corso successivo.
Si ritiene inoltre fondamentale che fin dall'inizio del corso gli
allievi comprendano la necessita' di registrare i processi operativi
ed i conseguenti risultati, ai fini della stesura della relazione sul
lavoro svolto in laboratorio, adottando una Agenda di Laboratorio.
Infine va segnalata, sul piano del sempre auspicabile
coordinamento con gli altri insegnamenti, la possibilita' di attuare
un interessante sincronismo con il corso di Chimica Fisica, in
funzione della trattazione del concetto di energia interna.
Quest'ultimo infatti e' da un lato strettamente correlato al 1
principio della termodinamica e dall'altro rappresenta un'importante
base teorica per tutte le tecniche spettrofotometriche.
4. Indicazioni specifiche per la classe quinta
Questo corso rappresenta la naturale conclusione dei corsi
precedenti, destinati all'acquisizione dei fondamenti dei metodi di
analisi. Tali metodi vengono qui ripresi e sviluppati nei loro
aspetti applicativi di base, in modo da conferire a questo
insegnamento la fisionomia di disciplina non specialistica, ma
comunque certo professionalizzante. Particolare attenzione verra'
rivolta al campionamento, al trattamento del campione, alle
interferenze ed in genere a tutte le problematiche tipiche
dell'analisi di prodotti "reali", tecnici e commerciali. Inoltre i
vari metodi di analisi verranno riesaminati criticamente e
comparativamente in relazione alle loro specifiche di sensibilita',
accuratezza, precisione, ecc. in modo da giustificare le scelte che
di volta in volta verranno effettuate.
E' opportuno ricordare che nella scelta delle procedure analitiche
sarebbe consigliabile inserire, almeno in un caso, una determinazione
basata sulla cinetica enzimatica, i cui fondamenti teorici sono
affidati agli insegnamenti di chimica fisica e chimica organica.
I temi fondamentali possono essere affiancati ad altri, scelti in
relazione al particolare taglio che si intende dare localmente al
corso di diploma.
Dato che le moderne tecniche strumentali sono in continua
espansione e non e' oggettivamente possibile trattarle tutte nella
giusta misura, si ritiene consigliabile dedicare a quelle rimaste ai
margini del programma quanto meno brevi introduzioni a carattere
descrittivo (anche solo seminariali), in modo da fornire agli allievi
un'adeguata panoramica dell'intera materia.
A tale riguardo possiamo citare:
Fluorimetria e fosforimetria
Analisi termiche
Raggi X (diffrattometria, fluorescenza, ecc.)
Risonanza magnetica nucleare
Spettrometria di massa
Tecniche accoppiate
Elettroforesi classica e capillare
Analisi automatiche e in continuo (Flow Injection Analysis)
Sul piano culturale generale si ritiene fortemente auspicabile la
sensibilizzazione degli allievi al tema della "qualita'" dell'analisi
ed alle problematiche della "certificazione". Quest'ultima, intesa
come assunzione di responsabilita', basata su una sequenza operativa
garantita e suffragata da adeguata documentazione in ordine
all'intero processo ed alle necessarie conclusioni sul lavoro svolto.
Un contributo significativo potra' anche essere rappresentato da
una breve illustrazione dei principi e delle sempre maggiori
applicazioni della chemiometria.
TECNOLOGIE CHIMICHE INDUSTRIALI
PRINICIPI DI AUTOMAZIONE E DI ORGANIZZAZIONE INDUSTRIALE
FINALITA'
Le finalita' specifiche dell'insegnamento di Tecnologie chimiche
industriali, Principi di Automazione e Organizzazione industriale
sono:
1. la formazione culturale relativa agli aspetti di processo,
impiantistici ed ecologici connessi alla produzione su scala
industriale dei composti chimici;
2. l'acquisizione di competenze necessarie per risolvere problemi
di natura chimica nell'ambito di qualsiasi attivita' produttiva o di
servizi;
3. l'acquisizione di capacita' operative che consentano ai
giovani diplomati di collaborare responsabilmente alla conduzione di
impianti di produzione;
4. la formazione di base per accedere a corsi di perfezionamento
professionale o universitari.
OBIETTIVI
Al termine del corso, l'allievo dovra' dimostrare di essere in
grado di:
1. potersi inserire con adeguate competenze nell'industria
chimica e operare con diversi gradi di responsabilita' nell'ambito
della produzione fornendo corretti elementi di valutazione
relativamente agli aspetti chimici, chimico fisici, economici ed
impiantistici di un processo chimico;
2. interpretare e realizzare lo schema di un processo chimico
valutando l'efficacia di un sistema di regolazioni automatiche;
3. partecipare a lavori d'equipe nella progettazione di
apparecchiature industriali;
4. comunicare, con proprieta' di linguaggio tecnico, con gli
specialisti di informatica e di automazione;
5. utilizzare autonomamente strumenti informatici e software
applicativo operando con strumenti di acquisizione ed elaborazione
dati.
CONTENUTI
Classe terza (3 (2) ore)
1. L'automazione nei processi chimici industriali
1.1 Il processo industriale visto come un sistema dinamico
soggetto a perturbazioni.
1.2 Concetto di controllo dei processi e loro regolazione.
1.3 Variabili controllate e regolate.
1.4 Concetto di retroazione.
1.5 Concetto di set point di una variabile controllata.
1.6 Sensori ed attuatori.
1.7 Rappresentazione a blocchi di un sistema regolato.
1.8 Regolazione ON-OFF e proporzionale.
2. Applicazioni informatiche alle Automazioni
2.1 Variabili analogiche e digitali.
2.2 Precisione dei dati.
2.3 Conversione analogico/digitale e digitale/analogico (A/D e
D/A).
2.4 Elementi di logica booleana (operazioni AND, OR, NOT ecc.).
2.5 Struttura a blocchi di un elaboratore elettronico.
2.6 Memorie di massa ed interfacce periferiche.
2.7 Trasmissione di dati seriale e parallela.
2.8 Sistema operativo e sue principali funzioni.
2.9 Linguaggi ad alto livello e primi approcci alla
programmazione.
2.10 Uso dei piu' importanti programmi applicativi (elaborazione
di testi, fogli elettronici, data base).
3. Il processo chimico ricondotto alle Operazioni Unitarie
3.1 Richiami sulle grandezze fisiche fondamentali e derivate,
sulle unita' di misura e relativi sistemi (MKS, CGS, SI, sistema
anglosassone). Conversioni tra i vari sistemi di unita' di misura.
3.2 Idrostatica ed idrodinamica. Liquidi ideali. Viscosita' nei
liquidi reali newtoniani e non newtoniani.
3.3 Moto dei liquidi reali. Perdite di carico distribuite e
localizzate.
3.4 Macchine idrauliche operatrici: Pompe. Caratteristiche
funzionali e di impiego dei vari tipi di pompe. Curve caratteristiche
e calcolo della potenza teorica e reale richiesta.
3.5 Tubazioni. Caratteristiche costruttive e loro dimensionamento
di massima in funzione dei parametri idraulici. Unificazione dei
diametri, unita' di misura pratiche. Organi di collegamento: giunti,
flange ecc.
Organi di intercettazione: valvole. Vari tipi di valvole,
particolari costruttivi e modalita' di impiego. Curve caratteristiche
portata/apertura. Telecomando delle valvole con attuatori elettrici e
pneumatici.
Contenitori e serbatoi: vari tipi e dimensionamento di massima.
3.6 Impiego dei materiali metallici e non metallici negli impianti
industriali. Caratteristiche meccaniche. Resistenza agli agenti
chimici. La saldatura dei metalli e problemi ad essa relativi.
3.7 Separazioni solido-liquido
3.7.1 La sedimentazione. Fattori che influenzano la velocita' di
sedimentazione. Le apparecchiature impiegate per la sedimentazione e
loro dimensionamento di massima. Applicazioni industriali della
sedimentazione.
3.7.2 La filtrazione, continua e discontinua, ultrafiltrazione ed
osmosi inversa. Filtri industriali e loro impieghi.
3.7.3 Centrifugazione. Flottazione. Separazione dei solidi.
3.8 Principi di economia ed organizzazione industriale.
3.8.1 L'approvvigionamento e lo stoccaggio delle materie prime.
3.8.2 Normativa sulla sicurezza nello stoccaggio e nel trasporto
dei prodotti chimici.
3.8.3 Aspetti economici dello smaltimento dei rifiuti
industriali.
4. Processi industriali
Trattamento di addolcimento, demineralizzazione potabilizzazione
delle acque di primo impiego per uso civile e industriale.
Laboratorio
Misura di grandezze fisiche (inerenti l'idraulica) e
trasformazione di tali misure in segnale elettrico.
Segnali analogici e digitali.
Esperienze sulla conversione A/D e D/A.
Acquisizione di un segnale mediante un calcolatore o PLC.
Elaborazione con software dei dati acquisiti.
Applicazioni pratiche di attuatori elettrici e pneumatici.
Insieme sensore-elaboratore-attuatore nelle applicazioni ai
controlli e regolazioni.
Esperienze reali (con impianto pilota) o simulate (con elaboratore
o PLC) sulla regolazione di un sistema idraulico. Realizzazione di un
semplice software relativo a calcoli inerenti l'idraulica.
Classe quarta (5 (2) ore)
1. Il calore nelle tecnologie chimiche industriali
1.1 Lo scambio di calore per conduzione e convezione. Calcolo dei
coefficienti di scambio termico per convenzione. Equicorrente e
controcorrente. Temperatura media logaritmica. Bilancio di calore
nelle operazioni di scambio termico.
Dimensionamento di massima delle apparecchiature industriali piu'
comuni. Isolamento termico. Calcolo del calore perduto attraverso un
isolante ed ottimizzazione economica degli spessori.
1.2 La generazione e la distribuzione del vapor d'acqua negli
impianti industriali.
1.3 Significato ed applicazioni del diagramma di Mollier
(Entropia/Entalpia). Impiego del vapor d'acqua come fluido
trasportatore di calore.
1.4 Cenni ai fluidi alternativi al vapor d'acqua nel trasporto di
calore (olii minerali, Dowtherm, sali fusi, metalli liquidi, ecc.).
1.5 Il recupero di calore nei processi industriali. Importanza
economica ed applicazioni significative.
1.6 Lo scambio di calore per irraggiamento. Principi fisici su cui
si basa il fenomeno e principali applicazioni industriali di tale
modalita' di scambio termico.
1.7 I combustibili fossili di uso industriale. Cenni sulla ricerca
e produzione di tali combustibili: principali requisiti loro
richiesti. Potere calorifico superiore ed inferiore. Recupero di
calore dai gas combusti.
1.8 La generazione delle basse temperature. Ciclo frigorifero
ideale e reale. Fluidi frigorigeni. Principio di funzionamento della
pompa di calore.
2. Le Operazioni Unitarie nello scambio di calore
2.1 Le operazioni di Evaporazione e Concentrazione.
Evaporazione a singolo e multiplo effetto (equicorrente e
controcorrente). Soluzioni ideali e soluzioni reali. Diagramma di
Du'rhing: validita' e limiti di applicazione nello studio del
comportamento delle soluzioni. Diagramma entalpia/concentrazione.
Bilancio di materia e di calore nelle operazioni di evaporazione.
Evaporazione per termocompressione del vapore (meccanica e
termica).
2.2 Apparecchiature usate negli impianti di evaporazione:
concentratori a fascio tubiero verticale corto, lungo, Kestner, a
film sottile, apparecchi impiegati nell'industria alimentare.
Apparecchiature ausiliarie negli impianti di evaporazione (eiettori,
pompe ad anello liquido, scaricatori di condensa, ecc.)
2.3 L'operazione di cristallizzazione: bilancio di materia e di
calore, calcoli di massima relativi a tale operazione.
2.4 Separazioni gas-gas e gas-solido. Problemi di trattamento
delle emissioni gassose. Depurazione dei fumi.
2.5 Miscele aria-vapor d'acqua. - Umidita' assoluta e relativa -
Temperatura di bulbo umido e bulbo secco - Diagramma igrometrico e
suo impiego nei calcoli delle operazioni di essiccamento.
3. Principi di economia e legislazione industriale.
3.1 Esempi di applicazione dei criteri economici per ottimizzare
il dimensionamento delle apparecchiature industriali.
3.2 Articoli di legge piu' significativi sulla prevenzione
infortuni in particolare per il settore chimico.
4. L'automazione: regolazione di un impianto reale e simulazione al
calcolatore di un sistema automatizzato
4.1 Sistemi di regolazione ad anello aperto, ad anello chiuso ed
in cascata.
4.2 Circuiti tipici per la regolazione delle grandezze fisiche
piu' comuni (temperatura, pressione, portata, pH).
4.3 Il concetto di simulazione di un processo mediante
elaboratore.
4.4 Esempi significativi di automazione di processi industriali.
5. Processi chimici industriali
5.1 Realizzazione su scala industriale di reazioni esotermiche ed
endotermiche.
5.1.1 La catalisi omogenea ed eterogenea.
5.1.2 L'impiego di reattori discontinui, continui e semicontinui.
5.2 Esempi di processi industriali:
5.2.1 Concentrazione dell'idrossido di sodio
5.2.2 Produzione del saccarosio.
5.2.3 Sintesi dell'ammoniaca.
5.2.4 Sintesi del metanolo.
5.2.5 Sintesi dell'acido nitrico.
5.2.6 Produzione dell'acido solforico.
5.2.7 Ossidazione parziale di idrocarburi per la produzione di
composti organici ossigenati.
5.2.8 Cracking e reforming per la produzione di combustibili per
autotrazione.
5.2.9 L'idrogenazione di idrocarburi aromatici, di trigliceridi
insaturi, del nitrobenzene.
5.2.10 Processi di deidrogenazione finalizzati alla produzione di
olefine.
5.2.11 Processi di solfonazione, nitrazione, alogenazione.
5.2.12 Processi industriali elettrochimici (produzione
dell'idrossido di sodio e del cloro).
5.3 Stesura di semplici schemi di processo relativi alle
Operazioni Unitarie ed ai processi chimici prescelti.
Laboratorio
Esperienze sulla regolazione automatica dello scambio termico.
Esercitazioni su modelli reali di scambiatori ed evaporatori ed
eventuali simulazioni su computer o PLC.
Uso ed eventuale realizzazione di software specifico relativo allo
scambio termico ed all'evaporazione.
Classe quinta (7 (3) ore)
1. Le Operazioni Unitarie
1.1 Operazioni a stadi multipli.
1.1.2 Concetto di stadio di equilibrio. Bilancio di materia e di
energia in un singolo stadio. Stadi multipli in controcorrente.
Concetto di flusso netto all'interstadio (corrente fittizia).
1.1.3 L'estrazione con solvente solido-liquido (e
liquido-liquido). Rappresentazione delle miscele a tre componenti su
diagrammi triangolari.
Linea del solido (corpo di fondo). Operazioni multistadio in
controcorrente ed a correnti incrociate.
1.1.4 Determinazione grafica del punto differenza e calcolo del
numero teorico di stadi di equilibrio.
1.1.5 Fattori che influenzano la velocita' di diffusione
(temperatura, natura del solvente, agitazione, granulometria del
solido, ecc.).
1.1.6 Le apparecchiature di uso industriale per l'operazione di
estrazione operanti in modo continuo e discontinuo.
1.2 Rettifica continua
1.2.1 Diagrammi di stato, di ripartizione ed entalpico delle
miscele binarie ideali e non ideali. Miscele non ideali: azeotropi di
massima e di minima.
1.2.2 Bilancio di materia e di calore nelle operazioni di
distillazione. Legge di Trouton: significato, validita' e limiti. Sua
applicazione al calcolo del numero teorico di stadi di equilibrio
(piatti) con il metodo grafico semplificato di Mc Cabe e Thiele.
Equazioni delle rette di lavoro (arricchimento ed esaurimento) e
condizioni termiche dell'alimentazione (q-line). Determinazione per
via grafica, del rapporto di riflusso minimo teorico ed effettivo.
Fattori economici che influenzano la scelta del rapporto di riflusso
ottimale. Efficienza dei piatti e loro numero effettivo.
1.2.3 Colonne a riempimento: determinazione dell'altezza del
riempimento (HETP) in relazione al numero di stadi teorici. Vantaggi
e svantaggi rispetto alle colonne a piatti.
1.2.4 Dimensionamento di massima di una colonna di rettifica:
diametro in funzione della velocita' dei vapori, distanza tra i
piatti, ecc. Principali anomalie nel funzionamento dei piatti,
deducibili dal diagramma di Young.
1.2.5 Concetti generali sulla distillazione estrattiva ed
azeotropica. Schemi di massima relativi a tali tipi di distillazione
(alcool etilico assoluto).
1.2.6 Altre operazioni assimilabili alla rettifica: flash
evaporation, distillazione in corrente di vapore saturo e
surriscaldato (stripping) con riferimento alle piu' importanti
applicazioni della Chimica Industriale. Le operazioni di assorbimento
e desorbimento. Processi industriali collegati (depurazione di gas e
recupero dei componenti gassosi).
2. Aspetti impiantistici dei processi di fermentazione industriali
2.1 Criteri di dimensionamento dei reattori fermentatori
impiegabili nella realizzazione di processi biotecnologici. Problemi
di sterilizzazione delle apparecchiature, del terreno di coltura e
dell'aria. Aereazione ed agitazione della biomassa. Acquisizione dei
dati relativi al processo fermentativo in atto e tecniche di
regolazione dell'impianto.
2.2 Separazione e purificazione dei prodotti della fermentazione.
2.3 Problemi di smaltimento dei sottoprodotti effluenti da un
processo fermentativo.
3. L'automazione
3.1 Controlli e regolazioni: sistemi di regolazione completa,
proporzionale, derivativa, integrativa (PID). Esempi ed applicazioni
pratiche in particolare alle operazioni di rettifica.
3.2 Approccio alla regolazione "predittiva" basata sulla
misurazione delle grandezze perturbatrici di un processo.
3.3 Concetti di base sulla gestione di archivi di dati e relative
applicazioni pratiche nel settore chimico.
4. Principi di legislazione industriale
4.1 La legislazione a protezione dell'ambiente. Illustrazione
degli aspetti tecnici contenuti nei principali articoli delle leggi
vigenti poste a salvaguardia dell'ambiente, in particolare quelle
riguardanti il settore chimico.
5. Processi industriali e biotecnologie
5.1 Processi basati sulle operazioni di estrazione con solvente
(industria saccarifera, olii alimentari) e sulla distillazione
(processi petroliferi o di chimica fine).
5.2 La produzione di tecnopolimeri: reazioni di polimerizzazione
di notevole interesse industriale e commerciale.
Produzione dei piu' importanti polimeri scelti tra quelli di uso
quotidiano.
5.3 Industria dei grassi, dei saponi e dei detersivi.
5.4 Processi biotecnologici di rilevante significato con esempi
tratti dall'industria farmaceutica ed alimentare.
5.5 La depurazione delle acque reflue civili ed industriali.
Metodi chimici e metodi biologici. Processi ossidativi ed
anaerobici con produzione di biogas.
5.6 Dimensionamento di massima di un impianto di depurazione a
fanghi attivi.
5.7 Problemi relativi alla eliminazione dei nitrati e dei fosfati.
5.8 Stesura di schemi di processo relativi alle Operazioni
Unitarie indicate ed ai processi chimici prescelti.
Laboratorio
Esperienze reali o simulate riguardanti l'estrazione con solvente
e la distillazione; uso di software ad esse relativo.
Esperienze nella regolazione delle operazioni di rettifica (su
impianto pilota o simulata su elaboratore).
In collaborazione con Chimica delle fermentazioni esperienze
concordate di biotecnologie.
INDICAZIONI DIDATTICHE
Il programma di Tecnologie chimiche industriali, Principi di
automazione e Organizzazione industriale raccoglie in se' ed unifica
in un solo insegnamento argomenti basilari tradizionalmente riservati
alle discipline "Impianti chimici" e "Chimica Industriale" e al
contempo si arricchisce dei contenuti e dei principi teorici di
automazione.
Il corso risulta profondamente rinnovato in quanto:
inizia fin dal terzo anno con gli argomenti relativi alle
automazioni ed alle applicazioni dell'informatica;
introduce la pratica triennale di laboratorio, finora assente nei
programmi tradizionali;
consente una nuova strutturazione e distribuzione degli argomenti
nell'arco del triennio.
L'unificazione di Impianti Chimici e di Chimica Industriale in un
unico insegnamento intende, per un verso favorire un approccio
metodologico moderno alla Chimica Industriale (abbandonando il
nozionismo puramente descrittivo che sovente, in passato, ha
caratterizzato tale disciplina) e per un altro superare le vecchie
dicotomie tra aspetti impiantistici e di processo e l'artificiosa
suddivisione tra produzioni della Chimica Organica ed Inorganica.
La Chimica Industriale rimane, con i temi che l'insegnante
riterra' opportuno e doveroso trattare, parte integrante della
formazione degli allievi, senza avere piu' la struttura di "blocco"
monolitico e sistematico decisamente impegnativo se indirizzato ad
una trattazione minuziosa di un gran numero di argomenti.
Si ritiene fondamentale, invece, che una corretta formazione del
Perito del settore chimico debba basarsi sull'inquadramento dei vari
processi nell'ottica delle Operazioni Unitarie (Principi di
Ingegneria Chimica) che li caratterizzano e su una discussione
sufficientemente approfondita degli aspetti termodinamici, cinetici,
reattoristici ed impiantistici del processo in esame.
Sara' certamente di grande valore formativo la trattazione dei
temi della Chimica industriale in un'ottica "storica" che evidenzi
l'evoluzione dei processi: il docente potra' mettere in luce i
progressi compiuti nel corso degli anni dal punto di vista delle
materie prime utilizzate, delle Operazioni Unitarie impiegate, degli
eventuali sottoprodotti ottenuti ed infine degli aspetti energetici
ed ecologici.
Tenendo presente che le conoscenze (Know-how) relative ai
particolari tecnologici dei processi chimici piu' recenti e
realizzati dalla maggior parte delle industrie non sono liberamente
accessibili, in quanto protette dal riserbo dei brevetti, il docente
rinuncera' al proposito di fornire dettagliate e precise descrizioni
di ogni singola produzione. Occorre infatti accettare l'idea che la
preparazione del diplomato sia, in confronto con il passato, meno
ricca di "informazione" ma piu' approfondita come "formazione".
La complessita' degli argomenti relativi alle Operazioni Unitarie,
anche in relazione alla giovane eta' degli allievi, fa ritenere
raccomandabile che la loro trattazione si limiti solo allo studio
dello stato stazionario.
La trattazione degli argomenti relativi all'Automazione non
contraddice questa raccomandazione. Essa va infatti vista come lo
studio del mezzo idoneo per mantenere o ripristinare lo stato
stazionario in un impianto chimico, alterato da variazioni nelle
composizioni dei reagenti o per raggiungere nuove condizioni
operative al fine di mutare le caratteristiche dei prodotti.
La inderogabile esigenza di salvaguardare l'ambiente rende
necessaria la trattazione della possibile prevenzione e dei rimedi da
adottare per minimizzare i danni eventualmente causati da un processo
industriale. E' bene che il docente favorisca nei giovani allievi lo
sviluppo di quella cultura ecologica che costituisce gia' oggi uno
dei tratti caratteristici della professionalita' chimica di base.
Occorre inoltre che i docenti forniscano agli allievi gli
strumenti conoscitivi di base circa il problema della incolumita' sul
posto di lavoro ed i temi fondamentali della prevenzione infortuni,
unitamente ai primi rudimenti di pronto soccorso.
La trattazione di argomenti relativi all'organizzazione aziendale,
pur non volendo costituire un corso approfondito di economia
aziendale e marketing, si prefigge di sensibilizzare gli allievi alla
valutazione delle scelte ottimali nel campo del dimensionamento delle
apparecchiature, della scelta del processo ritenuto piu' conveniente
(anche in relazione alla disponibilita' di materie prime), degli
aspetti ecologici, del risparmio energetico e dell'eventuale utilizzo
di sottoprodotti.
L'indicazione degli argomenti previsti dal programma deve essere
intesa dal docente come una guida alla scelta dei temi di
fondamentale importanza e non deve essere considerata vincolante
soprattutto per quel che concerne la successione cronologica degli
argomenti.
Al docente e' data liberta' di scelta tra il procedere alla
descrizione di un processo industriale e far discendere da questa la
trattazione delle Operazioni Unitarie, oppure trattare prima tali
Operazioni e illustrare in seguito le applicazioni ai piu' importanti
processi industriali.
La prima via indicata potrebbe rivelarsi utile, nel terzo anno,
per un proficuo approccio degli allievi a concetti del tutto nuovi.
Dal punto di vista didattico e' importante che il corso venga
suddiviso in sequenze e programmato assieme ai docenti delle altre
discipline (in particolare Matematica, Chimica fisica, Chimica
organica, Chimica delle fermentazioni ed Analisi chimica). Questa e'
la ragione per cui nel programma non appaiono argomenti i cui
principi fondamentali ricadono nelle competenze specifiche delle
discipline summenzionate.
Cio' al fine anche di evitare inutili sovrapposizioni e
"doppioni". I medesimi argomenti trattati in tempi diversi e da
docenti diversi spesso confondono gli allievi piu' che portare loro
dei vantaggi.
E' ad esempio il caso dei concetti inerenti la termodinamica, la
cinetica delle reazioni e l'equilibrio chimico. Essi dovrebbero
essere applicati e discussi nella trattazione dei processi chimici
solo dopo che i contenuti di base fossero stati trattati in Chimica
fisica.
Il docente dovrebbe tenere presente che l'attivita' di
laboratorio, che si avvale sia del metodo deduttivo che induttivo, ha
lo scopo di realizzare esperienze pratiche su impianti pilota
computerizzati e la simulazione su apparecchiature programmabili,
quali computer o PLC (Programmable Logic Controller), delle
operazioni unitarie fondamentali e delle automazioni.
In laboratorio il docente dovrebbe portare gli allievi a
riflettere sui risultati ottenuti, verificarne la coerenza con le
teorie proposte nello studio delle operazioni unitarie e delle
automazioni.
In particolare la fase di interpretazione dati e' importante
quando essi si discostano dalle aspettative fondate sulle teorie:
cio' allo scopo di acuire lo spirito critico degli allievi ed
incoraggiare il loro interesse per la ricerca.
E' consigliabile che il docente proponga lo studio di un
linguaggio di programmazione evoluto (Basic, Pascal, ecc ..), cosi'
da promuovere l'acquisizione di una metodologia di rigorosa
strutturazione logica nella impostazione e nella soluzione di ogni
tipo di problema in qualsiasi campo di applicazione. Le esercitazioni
pratiche di programmazione dovrebbero essere improntate alla
enucleazione degli aspetti logico-formali piuttosto che ambire alla
realizzazione di programmi dotati di caratteristiche professionali.
VERIFICA E VALUTAZIONE
Premessa
Il processo di apprendimento/insegnamento muove da certe
condizioni iniziali per giungere a condizioni finali diverse,
rispondenti agli obiettivi prefissati. Il giudizio finale
(valutazione) richiesto all'insegnante sara' motivato e fondato se si
riuscira' a definire chiaramente ed esplicitamente le condizioni di
partenza, le condizioni finali e si riuscira' a controllare
razionalmente (verifica), con continuita', il processo di avanzamento
degli allievi verso gli obiettivi terminali.
I problemi della verifica e della valutazione si presentano con
alcune caratteristiche generali valide per tutti i curricoli e con
caratteristiche specifiche per ciascuno di essi. Per quanto riguarda
gli aspetti generali i sistemi di verifica dovranno:
fondarsi su prove razionalmente impostate, opportunamente
analizzate e rivolte sia all'acquisizione di elementi informativi
sull'andamento dello sviluppo del curricolo (prove formative), sia
alla formulazione di giudizi o voti relativi al livello di
apprendimento degli allievi (prove sommative);
permettere di sgombrare il terreno dei rapporti docente/allievo
da elementi di soggettivita' e quindi di potenziale conflittualita'
che incidano sulla qualita' stessa del lavoro scolastico;
rendere possibile la destinazione alle verifiche di un
tempo-scuola indicativamente non superiore al 30%.
1. Prove di verifica: tipi, quantita' e scansione
Poiche' le prove di verifica hanno per oggetto il livello di
conseguimento degli obiettivi specifici disciplinari, la loro
tipologia e' funzione del tipo di obiettivi suddetti. Gli obiettivi
specifici del curricolo chimico si rivolgono essenzialmente ad
attivita' logico-formali connesse all'espressione verbale o scritta,
ad attivita' connesse alla risoluzione di problemi ed alle attivita'
pratiche di laboratorio.
Le prove necessarie a verificare i suddetti obiettivi saranno
percio' di tre tipi: orali, scritte e pratiche.
Il colloquio e' insostituibile poiche' e' necessario che l'allievo
impari ad esprimersi sinteticamente impiegando un corretto linguaggio
chimico in situazioni diverse. Il docente deve essere pero'
consapevole che tale tipo di verifica implica un giudizio molto
complesso e di carattere fondamentalmente soggettivo per cui essa non
puo' rappresentare l'unico elemento su cui poggiare la verifica.
Le prove scritte possono avere tutti i requisiti necessari
(validita', attendibilita', confrontabilita') per una verifica
razionale e rappresentano, percio', le prove piu' adatte su cui
fondare la verifica. Sara' opportuno che l'insegnante ricorra a test
oggettivi solo per verifiche di ingresso o per verifiche in itinere
di tipo formativo; per le verifiche di tipo sommativo non appare
opportuno privilegiare l'impiego di test, ma sara' necessario
ricorrere ad impostazioni particolari e a metodi di analisi razionali
ampiamente sperimentati.
La verifica dell'attivita' di laboratorio e' importante per tutte
le discipline chimiche.
La verifica riguarda sia l'apprendimento sia i comportamenti in
laboratorio (dominio delle tecniche di lavoro, dominio delle
problematiche sui rischi, disponibilita' e partecipazione ai lavori
di gruppo).
Attraverso le attivita' di laboratorio gli studenti imparano ad
esercitare quelle "abilita' procedurali" attraverso cui si forma la
"mentalita' operativa" propria del settore. Questa, anche se limitata
ad un grado intermedio di professionalita', deve permettere allo
studente di affrontare problemi, opportunamente graduati, in modo
completo.
Ne consegue che la valutazione della professionalita' di base in
ambito chimico si atterra', oltre che ai criteri generali espressi in
premessa, alle risultanze delle verifiche circa le attivita' di
laboratorio, tenendo conto dei livelli raggiunti nelle varie fasi
procedurali che costituiscono tali attivita': impostazione,
esecuzione, interpretazione dei risultati.
La verifica dell'apprendimento sara' quindi finalizzata alla
"misurazione" delle abilita' procedurali conseguite.
Il criterio generale di valutazione privilegiera' l'acquisizione
di tale abilita' ed il controllo del processo da parte dello
studente, piuttosto che il risultato finale.
Per quanto riguarda la fase di impostazione, la verifica potra'
riguardare ad esempio:
la validita' e la pertinenza degli obiettivi individuati;
l'impostazione dello schema di processo e la congruenza delle
varie fasi tra loro;
l'adeguata previsione dei tempi di lavoro e la predisposizione
dei materiali e della strumentazione idonea.
Nella fase di esecuzione potranno essere oggetto di verifica ad
esempio:
la capacita' di effettuare nella corretta sequenza le operazioni
manuali e/o strumentali previste dallo schema di lavoro;
la capacita' di effettuare scelte adeguate alle procedure
utilizzate;
la capacita' di collocare gli imprevisti di lavoro nella
problematica connessa allo schema di processo.
Nella fase di interpretazione la verifica potra' infine
riguardare:
la capacita' di elaborare i dati ottenuti;
la capacita' di utilizzare adeguati modelli interpretativi
relativi alla tecnica prescelta o al valore del risultato ottenuto;
la capacita' di analisi critica delle singole fasi del processo
rispetto a quanto previsto dallo schema operativo di impostazione.
Per effettuare queste verifiche il docente potra' avvalersi di
griglie di osservazione che gli consentano di rilevare i
comportamenti degli studenti nelle varie fasi di lavoro e le loro
reazioni di fronte ad eventuali imprevisti. Possono anche essere
utili relazioni prestrutturate in rapporto alle quali il docente puo'
facilmente cogliere la capacita' dell'allievo di fare osservazioni
sul lavoro effettuato e le procedure seguite.
La necessita' di pervenire a modalita' di verifica unitarie e
l'esigenza di conferire maggior rigore alla verifica
dell'apprendimento, suggeriscono di ricorrere a tutti e tre i tipi di
prove, sia pure attribuendo a ciascuno di essi un "peso" relativo e
differenziato, in ragione delle diverse finalita' di ciascun
insegnamento.
2. Modalita' della valutazione complessiva periodica e finale
La valutazione che si esprime al termine di segmenti significativi
di curricolo non e' un processo discontinuo, ne' emerge
automaticamente dai risultati delle verifiche, ma viene costruendosi
in modo processuale e trae origine dall'interazione tra i suddetti
risultati e altre variabili significative relative agli allievi e
altre ancora riconducibili all'ambiente scolastico ed
extrascolastico.
Accanto alla qualita' e al livello dell'apprendimento, si possono
considerare l'atteggiamento dell'allievo nei confronti del lavoro
didattico (attenzione alle lezioni, impegno e puntualita' nel lavoro,
contributo personale alle attivita' di classe), la frequenza alle
attivita' scolastiche, i progressi registrati rispetto a condizioni
precedenti, ecc.
La valutazione si traduce in un giudizio motivato e razionalmente
fondato che si basa sulla raccolta del maggior numero di elementi
effettuata all'inizio, durante e al termine del processo di
apprendimento e si basa sui risultati ottenuti dalla somministrazione
di prove razionali opportunamente elaborate.