CHIMICA ANALITICA E STRUMENTALE

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1 R E P U B B L I C A I T A L I A N A ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE MINERARIO G. ASPRONI E. FERMI DI IGLESIAS A.S. 2015/2016 PROGRAMMAZIONE DI CHIMICA ANALITICA E STRUMENTALE Classe: 4 a A CHIMICI Indirizzo: CHIMICA, MATERIALI E BIOTECNOLOGIE INSEGNANTE TEORICO Silvia Chinedda INSEGNANTE TECNICO-PRATICO Francesca Casula FINALITA GENERALI In accordo con le linee guida ministeriali, l insegnamento della disciplina concorre al raggiungimento nell allievo delle seguenti competenze specifiche: Saper acquisire i dati ed esprimere qualitativamente e quantitativamente i risultati delle osservazioni di un fenomeno attraverso grandezze fondamentali e derivate. Saper individuare e gestire le informazioni per organizzare le attività sperimentali. Essere in grado di utilizzare i concetti, i principi e i modelli chimico/fisici per interpretare la struttura dei sistemi e le loro trasformazioni. Essere consapevole delle potenzialità e dei limiti delle tecnologie applicate. Saper controllare progetti e attività, applicando le normative sulla protezione ambientale e sulla sicurezza. Essere in grado di redigere relazioni tecniche e documentare le attività individuali e di gruppo relative a situazioni professionali. OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO MINIMI Modulo 1 INTRODUZIONE Saper distinguere tra metodi di analisi classica e strumentale. Conoscere i principi generali dell analisi volumetrica e saper definire che cosa si intende per titolante, punto finale e per punto di equivalenza in una titolazione. Conoscere la funzione generale dell indicatore nell analisi volumetrica. 1

2 Conoscere i calcoli stechiometrici da effettuarsi nella preparazione di soluzioni a concentrazione nota (per solubilizzazione e per diluizione). Conoscere i calcoli da effettuarsi nell analisi volumetrica e saperli utilizzare nella risoluzione di semplici esercizi e problemi. EQUILIBRIO CHIMICO Saper spiegare la differenza tra concentrazione ed attività. Essere in grado di spiegare che cosa accade quando una reazione è all equilibrio. Conoscere la legge dell azione di massa. Saper scrivere l espressione della costante di equilibrio di una equazione chimica bilanciata. Saper valutare il grado di completezza di una reazione per mezzo della costante di equilibrio; Saper enunciare il principio di Le Châtelier. Saper descrivere come, in base al principio di Le Châtelier, sia possibile intervenire per cambiare lo stato di equilibrio di una reazione. EQUILIBRI ACIDO-BASE Conoscere la definizione di acido e di base secondo Brönsted-Lowry e Lewis. Saper definire che cosa si intende per acido mono- e poli- protico. Saper identificare una coppia acido-base coniugata. Saper scrivere la Ka e la Kb di una sostanza in soluzione dalla sua formula chimica. Saper catalogare gli acidi e le basi in forti e deboli in funzione del valore della loro costante di acidità/basicità. Saper riportare l espressione ed il valore numerico del prodotto ionico dell acqua. Saper calcolare il ph di soluzioni di acidi e basi forti, acidi e basi deboli. Sapere cos è una soluzione tampone e conoscerne il meccanismo di azione. Saper calcolare il ph di idrolisi di un sale e il ph di una soluzione tampone. Sapere cos è un indicatore acido-base e saperne illustrare il meccanismo di funzionamento e le condizioni di utilizzo. Saper scegliere l indicatore più opportuno in una titolazione acido-base, conoscendo il ph al punto di equivalenza e il pk dell indicatore. Essere in grado di eseguire una titolazione acido-base e i relativi calcoli stechiometrici per risalire alla quantità di analita in un campione. EQUILIBRI DI SOLUBILITÀ Sapere definire il concetto di soluzione satura e di solubilità. Saper spiegare l equilibrio di solubilità. Sapere che cosa si intende per prodotto di solubilità. Saper scrivere la formulazione algebrica del prodotto di solubilità di una sostanza dalla sua formula. Sapere calcolare la solubilità di un composto dato il suo prodotto di solubilità. Saper determinare come varia la solubilità di un composto per effetto dello ione a comune. Saper prevedere la formazione di precipitati da reazioni in soluzione, sfruttando il Qs. Conoscere gli aspetti teorici, pratici e i calcoli stechiometrici relativi alle titolazioni di precipitazione e saperne definire i relativi campi di applicazione. COMPOSTI DI COORDINAZIONE Saper spiegare che cos è un composto di coordinazione e cosa si intende per legante, atomo coordinante e numero di coordinazione. Essere in grado di stabilire il numero di coordinazione di un complesso e la sua geometria. Sapere che cosa si intende per leganti monodentati, bidentati e polidentati ed essere in grado di riconoscerli. Sapere che cosa è un agente chelante e cosa si intende per chelato. Saper attribuire il nome alle formule di complessi ionici e neutri. Conoscere gli aspetti teorici, pratici e i calcoli stechiometrici relativi alle titolazioni complessometriche e saperne definire i relativi campi di applicazione. 2

3 REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE Conoscere il concetto di ossidante e di riducente. Essere in grado di assegnare il numero di ossidazione agli atomi di una formula chimica. Saper definire e riconoscere una reazione redox a partire dall equazione di reazione. Essere in grado di identificare in una reazione redox la sostanza ossidante e quella riducente. Saper eseguire il bilanciamento di reazioni redox, sia in forma molecolare che ionica. Saper definire il concetto di potenziale standard di riduzione. Conoscere gli aspetti teorici, pratici e i calcoli stechiometrici relativi alle titolazioni redox e saperne definire i relativi campi di applicazione. Modulo 2 Sapere cos è una cella elettrochimica e saperne illustrare le componenti e il funzionamento. Essere in grado di distinguere tra celle elettrochimiche e celle elettrolitiche. Saper calcolare la f.e.m. di una pila sulla base dei potenziali standard di riduzione. Saper utilizzare i potenziali standard di riduzione per prevedere la spontaneità di una reazione e per progettare pile. Essere in grado di distinguere un conduttore di prima specie da uno di seconda specie. Saper calcolare il valore del potenziale di un elettrodo con l equazione di Nernst. Conoscere gli aspetti teorici, pratici e i calcoli relativi ai metodi elettrochimici a corrente zero. Essere in grado di illustrare i principi teorici alla base del funzionamento di un phmetro e di un conduttimetro. Modulo 3 Saper definire la radiazione elettromagnetica secondo i modelli ondulatorio e corpuscolare. Saper descrivere i principali parametri che caratterizzano una radiazione elettromagnetica: lunghezza d onda, frequenza, periodo, ampiezza e intensità. Conoscere le diverse regioni dello spettro elettromagnetico. Saper descrivere come avvengono i trasferimenti di energia tra radiazione e materia. Saper spiegare che cosa si intende per radiazione monocromatica, per spettro di assorbimento e di emissione di una sostanza; Conoscere i fenomeni di luminescenza, riflessione, rifrazione, diffusione, polarizzazione, interferenza e diffrazione. essere in grado di descrivere le principali transizioni energetiche dovute all assorbimento nell UV/Vis. Saper definire i concetti di trasmittanza e assorbanza ed essere in grado di spiegarne la relazione con la concentrazione attraverso la legge di Lambert-Beer. Essere in grado di definire le condizioni di validità della legge di Lambert-Beer e saperne riconoscere le condizioni di deviazione. Sapere cos è un cromoforo e un cromogeno. Conoscere i fattori che influenzano la posizione e l intensità di λmax di un cromoforo. Conoscere i componenti fondamentali di uno spettrofotometro e la loro relativa funzione. Essere in grado di rappresentare lo schema generale di funzionamento di uno spettrofotometro utilizzando un diagramma a blocchi. Saper effettuare misure di assorbanza e saper utilizzare la legge di Lambert-Beer per ricavarne misure di concentrazione, con il metodo della retta di taratura e con il metodo delle aggiunte. 3

4 CONTENUTI MODULO 1- ANALISI VOLUMETRICA U.D INTRODUZIONE Metodi di analisi classica e strumentale. Principi generali dell analisi volumetrica: il titolante, il punto di equivalenza, il punto finale, gli indicatori e i requisiti delle reazioni nelle titolazioni. Standard primari e soluzioni standard. Standardizzazioni e standard secondari. Preparazione di soluzioni a concentrazione nota per solubilizzazione e per diluizione. I calcoli nell analisi volumetrica. U.D EQUILIBRIO CHIMICO Le reazioni di equilibrio. L attività chimica. La legge dell equilibrio chimico. Il quoziente di reazione. Il principio di Le Châtelier. U.D EQUILIBRI ACIDO-BASE E TITOLAZIONI ACIDO-BASE Le teorie di Brönsted-Lowry e di Lewis. La misura della forza di acidi e basi. La forza acido-base dell acqua: il prodotto ionico. Il ph. Il ph di acidi e basi forti. Le curve di titolazione acido fortebase forte. Il ph di acidi e basi deboli. Il ph delle soluzioni di sali: idrolisi acida e basica. I sistemi tampone. Gli indicatori acido-base: come funzionano. Esercizi e problemi. Titolazioni acido forte-base forte, acido debole-base forte, acido: aspetti teorici, pratici e relativi calcoli stechiometrici. Calcolo del ph in una titolazione acido-base. U.D EQUILIBRI DI SOLUBILITÀ E TITOLAZIONI DI PRECIPITAZIONE Soluzioni sature ed equilibrio di solubilità. Costante di equilibrio di solubilità. Solubilità e prodotto di solubilità. L accuratezza del calcolo di s a partire da Ks. L effetto dello ione a comune sulla solubilità. Reazioni di precipitazione e Qs. Esercizi e problemi. Caratteristiche delle reazioni di precipitazione. Condizioni per eseguire una titolazione di precipitazione. Argentometria: metodo di Mohr. U.D COMPOSTI DI COORDINAZIONE E TITOLAZIONI COMPLESSOMETRICHE I composti di coordinazione: atomo coordinante, leganti, numero di coordinazione e geometria dei complessi. Leganti mono-, bi- e polidentati. Agenti chelanti e formazione di chelati. Nomenclatura dei complessi. Costanti di formazione dei complessi. L EDTA e le titolazioni chelometriche: equilibri di dissociazione dell EDTA; costanti di formazione dei chelati metallo/edta; fattori che influenzano gli equilibri di formazione del complesso metallo/edta. Determinazione del punto finale in chelometria: gli indicatori metallocromici. Uso del NET nelle titolazioni con EDTA a ph 10,0. Esercizi e problemi. U.D REAZIONI DI OSSIDORIDUZIONE E TITOLAZIONI REDOX Le reazioni di ossidoriduzione e il loro bilanciamento. Sostanze ossidanti e riducenti. Le coppie redox. La serie elettrochimica e i potenziali standard di riduzione. Esercizi. Il potere ossidante e riducente degli agenti titolanti. Le condizioni per eseguire una titolazione redox. Agenti titolanti. Campi di applicazione: permanganometria, iodimetria e iodometria. LABORATORIO: Standardizzazione di una soluzione. Titolazione di un acido forte con una base forte. Titolazione di un acido debole con una base forte. Titolazione di un acido poliprotico con una base forte. Preparazione e standardizzazione di soluzioni per argentometria. Determinazione dei cloruri in campioni di acqua e vino. Determinazione della durezza totale, permanente, temporanea, magnesiaca di campioni di acque, mediante titolazione chelometrica con EDTA. Preparazione e standardizzazione di soluzioni per iodometria/iodimetria. Determinazione iodimetrica della SO2 libera e totale in campioni di vino. 4

5 MODULO 2 - ANALISI STRUMENTALE: METODI ELETTROCHIMICI U.D INTRODUZIONE AI METODI ELETTROCHIMICI Principi generali e classificazione: potenziometria, elettrogravimetria, coulombometria, voltammetria e conduttimetria. U.D POTENZIOMETRIA Elettrodi e potenziali di elettrodo: classificazione degli elettrodi; calcolo dei potenziali di elettrodo: legge di Nernst; polarizzazione degli elettrodi. Celle galvaniche o pile: potenziali standard di ossidoriduzione; d.d.p. e f.e.m. di una pila; alcuni tipi di pile: pila Daniell e pila a concentrazione. Elettrodi di riferimento: elettrodo ad Ag/AgCl; elettrodo a calomelano; altri elettrodi di riferimento. Elettrodi per la misura del ph: elettrodo a vetro. Elettrodi per la misura del potenziale redox. Elettrodi selettivi. Strumenti per la misura del potenziale, del ph e del pione. Misura del ph: taratura del piaccametro. Misura del potenziale redox. Misura dell attività e della concentrazione. Titolazioni potenziometriche classiche. Problemi ed esercizi. U.D INTRODUZIONE AI METODI ELETTROLITICI I metodi elettrolitici. Elettrolisi: una teoria semplificata. La sovratensione. Meccanismi di trasporto. Applicazioni. U.D ELETTROGRAVIMETRIA E COULOMBOMETRIA Principi e applicazioni. Strumentazioni e metodi di analisi (cenni). U.D CONDUTTIMETRIA Principi e applicazioni: conducibilità elettrica delle soluzioni. Conduttimetri. Metodi di analisi e laboratorio: misure dirette e indirette; LABORATORIO: Preparazione della Pila Daniel. Calcolo dei potenziali di elettrodo di una semipila e la f.e.m di una cella elettrochimica. Costruzione di una pila sperimentale. Taratura del piaccametro. Titolazioni potenziometriche. Titolazioni conduttimetriche. MODULO 3 - ANALISI STRUMENTALE: METODI OTTICI U.D INTRODUZIONE AI METODI OTTICI Atomi e molecole: modello orbitalico. Energia interna di atomi e molecole. La radiazione elettromagnetica. Lo spettro elettromagnetico. Interazione fra radiazione e materia. Transizioni energetiche. Regole di selezione. Distribuzione di Boltzmann. Assorbimento atomico e molecolare. Emissione. Luminescenza, riflessione, rifrazione e diffusione. Polarizzazione. Interferenza e diffrazione. Il colore. U.D SPETTROFOTOMETRIA MOLECOLARE UV/VIS Assorbimento nell'uv/vis. Assorbimento dei composti organici e di coordinazione. Legge di Lambert-Beer. Strumentazione: componenti fondamentali di uno spettrofotometro e loro relativa funzione. Analisi qualitativa: cromofori e cromogeni. Fattori che influenzano la max. Fattori che influenzano l'intensità delle bande di assorbimento. Deviazioni dalla legge di Lambert-Beer. Uso della legge di Lambert-Beer nell analisi quantitativa. Metodi di analisi quantitativa. Metodo della retta di taratura e delle aggiunte. LABORATORIO: Determinazioni di parametri chimici in matrici ambientali e/o alimentari mediante spettrofotometria UV/Vis. 5

6 TEMPI DI ESECUZIONE MODULO PERIODO 1 settembre-gennaio 2 gennaio-marzo 3 marzo-giugno I tempi richiesti per lo svolgimento di ciascun modulo sono stati stabiliti sulla base del monte ore complessivo e perciò non tengono conto di eventuali vacanze, assemblee e quant altro possa rallentare o modificare il normale percorso formativo. METODOLOGIA Gli argomenti teorici verranno affrontati sia attraverso lezioni frontali, che di tipo partecipato supportati dall uso delle tecnologie informatiche. La lezione dialogata sarà comunque il metodo didattico privilegiato. Particolare rilievo verrà dato agli esercizi e ai problemi analitici, da svolgere sia in classe che a casa, individualmente o in gruppo durante momenti di cooperative learning, allo scopo di favorire la comprensione e il consolidamento dei concetti teorici e il loro utilizzo nella risoluzione di problemi reali. Il laboratorio occuperà nel percorso formativo un ruolo centrale, rappresentando il luogo in cui i principi teorici troveranno la loro applicazione sperimentale, il luogo privilegiato in cui poter sviluppare tutte quelle competenze e abilità specifiche indispensabili alla formazione della figura professionale del perito chimico. Tutte le esercitazioni saranno eseguite nel pieno rispetto delle norme di sicurezza e di tutela dell ambiente. Sarà fondamentale potenziare le qualità operative degli allievi con esercitazioni individuali eseguite a piccoli gruppi, in cui gli studenti potranno collaborare e confrontarsi. Procedure operative, elaborazione dei dati sperimentali e valutazione dei risultati dovranno essere documentati da ciascuno studente nel Quaderno di laboratorio. Per ciascuna attività analitica, gli studenti dovranno elaborare una relazione tecnica e/o un rapporto di prova. STRUMENTI libri di testo; fotocopie e prodotti multimediali forniti dai docenti; lavagna con pennarelli e LIM; pc per ricerche e approfondimenti su internet; software e social network per la didattica attrezzature di laboratorio e apparecchi scientifici. SPAZI aula; laboratorio; VERIFICHE E CRITERI DI VALUTAZIONE I processi di apprendimento degli studenti saranno monitorati sistematicamente in itinere, attraverso verifiche formative, quali: domande dal posto, interrogazioni brevi, esercitazioni in classe e attraverso l osservazione del modo di lavorare in laboratorio. Il raggiungimento degli obiettivi programmati, in termini di conoscenze e di abilità specifiche, sarà verificato per ciascuna unità di apprendimento attraverso interrogazioni lunghe e/o prove scritte di varia tipologia (minimo 2 nel trimestre e minimo 3 nel pentamestre). L assegnazione del voto seguirà la griglia di valutazione allegata al POF. Nella valutazione delle verifiche orali e scritte si terrà conto anche delle capacità espositive, deduttive e di sintesi dimostrate dallo studente. Le conoscenze e le competenze pratiche saranno verificate attraverso la valutazione delle relazioni di laboratorio, dei rapporti di prova, del quaderno di laboratorio e attraverso l esecuzione di prove pratiche. La valutazione finale di ciascuno studente, inoltre, dovrà tener conto del suo specifico percorso di apprendimento, della sua partecipazione al lavoro scolastico, del livello di attenzione, del grado di interesse e dell impegno profuso durante l anno. 6

7 RECUPERO Per quanto concerne il recupero, le strategie didattiche da utilizzare e le ore da destinare allo scopo andranno valutate in funzione delle difficoltà riscontrate e del numero di studenti coinvolti. Come supporto o in alternativa al classico recupero svolto durante l orario di lezione, l insegnante potrà avvalersi delle attività di recupero eventualmente promosse dalla scuola al di fuori dell orario curricolare. Monte orario settimanale: 6(5) Iglesias, 20 novembre 2015 Le insegnanti Silvia Chinedda e Francesca Casula 7