ITIS e Liceo S. T. “E. Molinari “ – Milano- a.s. 2006-07

Triennio fisica ambientale (FASE) BIOMEDICALE

PERCORSO FORMATIVO DI CHIMICA BIO-ORGANICA E BIOLOGICA

Obiettivi generali dell’insegnamento della Chimica

La finalità generale del corso di chimica consiste nel far acquisire i concetti e le nozioni sulla struttura della materia, che permettano allo studente di collegare il mondo microscopico a quello macroscopico. Non è obiettivo di questo corso la previsione della reattività dei sistemi chimici e la relativa analisi.

In questo corso la chimica va intesa non tanto come la scienza della trasformazione (che ha come oggetto le sintesi chimiche e il controllo analitico delle sostanze) ma come la scienza della struttura dei materiali e in questa “ottica ingegneristica” e “strumentale” fornisce il linguaggio specifico, i modelli strutturali e le nozioni per una comprensione delle leggi e dei fenomeni su cui si basano le tecnologie biomediche.

Struttura del percorso formativo modulare

Il programma è articolato in un percorso modulare annuale che è stato progettato in base alle seguenti considerazioni.

Ÿ Per ogni Modulo il programma è suddiviso in Unità didattiche ben definite, sufficientemente piccole, per favorire i tempi individuali di apprendimento.

Ÿ Gli obiettivi intermedi sono enunciati chiaramente affinché lo studente sia consapevole di quanto gli viene richiesto alla fine di ogni Unità didattica, in termini di conoscenze (concetti e nozioni) e competenze (abilità operative nell’esecuzione di esercizi e/o attività di laboratorio)

Ÿ Le metodologie didattiche utilizzate comprendono: lezioni frontali con uso del libro di testo, di lucidi, di video, ricerche in biblioteca e in internet, esercitazioni di laboratorio,

Ÿ Per organizzare le attività di recupero occorre realizzare verifiche formative (non finalizzate al voto ) che possono essere di vario tipo: esercizi in classe, microverifiche individuali orali, test scritti a risposta chiusa, compiti a casa ecc. In base ai risultati si programma il recupero che può essere svolto al mattino in aula (o in laboratorio) con tutta la classe o con una parte , (esercizi alla lavagna, lavori di gruppo ecc.) e/o al pomeriggio con un numero limitato di studenti.

Ÿ Per la valutazione finale che permette la certificazione delle conoscenze e delle competenze, alla fine di ogni Unità e/o di ogni Modulo, dopo tutti gli interventi di recupero, vengono proposte verifiche sommative sugli obiettivi ritenuti fondamentali. Le verifiche possono essere : test scritti a risposta chiusa o aperta, prove di laboratorio, interrogazioni orali, valutazione del quaderno di laboratorio, relazioni di laboratorio svolte in classe ecc. Nel caso in cui uno studente abbia raggiunto la completa padronanza di una Unità si può passare alla seguente, nel caso contrario occorre riattivare lo studente con interventi supplementari di recupero.

Percorso formativo III° ANNO (chimica generale e biorganica)

Competenze finali del terzo anno

Acquisizione dei concetti e delle nozioni di base necessarie per l’interpretazione dei fenomeni chimici, per la conoscenza della struttura e delle proprietà delle sostanze (sia organiche che inorganiche) e per la comprensione e semplici calcoli dei fenomeni energetici relativi a sistemi chimici ed elettrochimici.

Libro di testo: Libro di chimica generale (biennio) ed eventuali dispense

Articolazione dei moduli

RIPASSO DEGLI ARGOMENTI DEL BIENNIO

MODULO 1 :I CONCETTI ED IL LINGUAGGIO DELLA CHIMICA DI BASE

Unità didattica 1 Il linguaggio specifico della chimica e la quantità di sostanza

MODULO 2 : MODELLI CHIMICI E PROPRIETÀ DELLE SOSTANZE

Unità didattica 2:Modelli atomici e proprietà periodiche

Unità didattica 3 Legami chimici e geometria delle molecole proprietà chimico-fisiche

MODULO 3 REATTIVITÀ CHIMICA

Unità didattica 4:Reazioni senza /con trasferimento di elettroni

Unità didattica 5: Equazioni chimiche e stechiometria

TERMOCINETICA

MODULO 4 :ASPETTI ENERGETICI E CINETICI DELLE REAZIONI

Unità didattica 6 Termodinamica delle reazioni

Unità didattica 7 Cinetica delle reazioni

MODULO5 : L’EQUILIBRIO CHIMICO

Unità didattica 8: Le leggi dell’equilibrio chimico

Unità didattica 9: Gli equilibri in soluzione (sistemi acido/base e redox (*))

(*) se si rinvia l’ultimo modulo al IV° anno

CHIMICA ORGANICA E BIORGANICA

MODULO 6 LA CHIMICA DEL CARBONIO

Unità didattica 10:La chimica del carbonio e la struttura degli idrocarburi

Unità didattica 11:I principali derivati funzionali

Unità didattica 12: La struttura e le funzioni delle biomolecole

CENNI DI ELETTROCHIMICA

MODULO 7 I PROCESSI ELETTROCHIMICI

Unità didattica 13:Equilibri di ossidoriduzione

Unità didattica 14: Applicazioni tecnologiche di pile e elettrolisi

MODULO 1 IL LINGUAGGIO SPECIFICO DELLA CHIMICA E LA QUANTITÀ DI SOSTANZA

Periodo	Contenuti delle Unità didattiche	Obiettivi didattici
Settembre/ Ottobre	Unità didattica 1 Il linguaggio specifico della chimica e la quantità di sostanza - Nomenclatura chimica IUPAC - Rappresentazione delle reazioni e classificazione formale - Bilanciamento delle equazioni - Definizione della quantità chimica, della massa molare e relative u.m. e applicazioni numeriche - Concentrazione molare e applicazioni numeriche - Lab. Determinazione del Vm mediante reazione Mg/HCl	- Applicare le regole di nomenclatura IUPAC per correlare denominazione e formula di specie chimiche inorganiche - Prevedere la formula di un composto binario in base alla valenza o al numero di ossidazione - Scrivere le equazioni di una reazione di doppio scambio, sostituzione, sintesi e decomposizione - Bilanciare le equazioni chimiche - Riconoscere i fenomeni macroscopici che accompagnano una reazione - Usare correttamente le u.m. delle grandezze e i fattori di conversione

MODULO 2 : MODELLI CHIMICI E PROPRIETÀ DELLE SOSTANZE

Periodo e	Contenuti delle Unità didattiche	Obiettivi didattici
Ottobre	Unità didattica 2 Modelli atomici e proprietà periodiche - Energia di ionizzazione e previsione del modello atomico - Modello atomico a shell - Proprietà periodiche (Energia di ionizzazione, carica effettiva, raggio atomico) - Tavola periodica degli elementi - Configurazione elettronica e previsione del comportamento chimico Unità didattica 3: Legami chimici, struttura delle molecole e proprietà delle sostanze - Legame chimico covalente e formule di struttura - Legame covalente polare ed elettronegatività - Struttura delle molecole (modello VSEPR) - Legame ionico - Legame metallico - Legami intermolecolari e relazione tra struttura delle molecole e proprietà chimico-fisiche delle sostanze Lab. Proprietà chimico-fisiche e struttura Unità didattica 3BIS: Modelli atomici e cenni al concetto di orbitale - Evoluzione storica dei modelli atomici - Concetto di orbitale atomico e di orbitale molecolare - Lab. Spettroscopio e lampade spettrali	- Definire il concetto di energia di ionizzazione e utilizzarlo per prevedere il modello atomico a shell - Rappresentare gli atomi secondo il simbolismo di Lewis - Indicare le caratteristiche delle particelle subatomiche e la loro organizzazione all’interno dell’atomo, correlando il modello atomico con le proprietà periodiche degli elementi - Riconoscere i criteri che presiedono alla collocazione degli elementi nella TPE - Descrivere i modelli principali di legame : covalente, ionico e metallico - Prevedere il tipo di legame che si forma tra gli atomi di una sostanza - Rappresentare la formula di struttura di una molecola o ione - Stabilire in prima approssimazione disposizione spaziale degli atomi di una molecola in base al modello VSEPR - Correlare le proprietà chimico-fisiche delle sostanze alla struttura polare o apolare delle molecole - Conoscere alcuni modelli atomici - Utilizzare il concetto di orbitale atomico e di orbitale molecolare per descrivere la formazione del legame in alcune molecole semplici - Conoscere le lampade spettrali e il funzionamento dello spettroscopio

MODULO 3 REATTIVITÀ CHIMICA

Periodo	Contenuti delle Unità didattiche	Obiettivi didattici
Novembre	Unità didattica 4: Reazioni senza trasferimento di elettroni - Classificazione delle reazioni con acqua: dissociazione ionica, ionizzazione, solubilizzazione - Conducibilità elettrica ed elettroliti - Reazioni di precipitazione, reazioni acido-base - Misura dell’acidità: pH e indicatori acido-base - Comportamento acido, basico o anfotero in relazione alla struttura chimica - Lab. Caratteristiche acido-basiche delle sostanze. reazioni con sviluppo di gas - Lab. Misura del pH di materiali di uso comune Unità didattica 4bis: Reazioni con trasferimento di elettroni - Reazioni di ossidoriduzione - Bilanciamento delle equazioni - Lab. Reazioni redox Unità didattica 5: Equazioni chimiche e stechiometria - Equazioni chimiche e rapporti molari - Calcoli stechiometrici - Lab. Realizzazione di una reazione con separazione dei prodotti - Lab. Aspetti quantitativi di una reazione	- Scrivere l’equazione chimica delle reazioni con acqua - Prevedere il comportamento di una sostanza in acqua - Prevedere le reazioni di precipitazione in base alle tabelle di solubilità - Prevedere indicativamente il pH di un dato composto in acqua - Utilizzare indicatori e pHmetro per misurare l’acidità di una soluzione - Completare e bilanciare le equazioni chimiche sia in forma ionica sia in forma neutra - Bilanciare le equazioni redox sia in forma ionica, sia in forma molecolare - Utilizzare il concetto di quantità di sostanza per eseguire calcoli stechiometrici fondamentali - Realizzare una reazione, separare e riconoscere i componenti

MODULO 4 :ASPETTI ENERGETICI E CINETICI DELLE REAZIONI

Periodo	Contenuti delle Unità didattiche	Obiettivi didattici
Gennaio	Unità didattica 6 Termodinamica delle reazioni - Ripasso del I° Principio e del concetto di funzione di stato. - Scambi di energia tra sistemi chimici e ambiente: effetti termici - Calore di reazione - Entalpia e legge di Hess - Ripasso del II° Principio e della definizione di entropia termodinamica - Entropia statistica: concetto di macrostato e microstato - Energia libera e previsione della spontaneità di una reazione - Fattore entalpico e fattore entropico di una reazione - Lab. Determinazione del calore di reazione Unità didattica 7: Cinetica delle reazioni - Definizione di velocità di reazione - Fattori sperimentali che influenzano la velocità di reazione - Cenni alla teoria delle collisioni - Energia di attivazione e diagrammi: energia/coordinate di reazione - Catalizzatori - Lab. Studio della cinetica di una reazione	- Conoscere e applicare il I° principio alle reazioni chimiche - Correlare l’entalpia di reazione alle entalpie di legame - Interpretare diagrammi entalpici per reazioni esotermiche ed endotermiche - Risolvere semplici problemi di termochimica utilizzando i DHf° - Dimostrare la legge S= klnW con l’esempio di 8 palline in una scatola - Illustrare i fattori di “disordine” nelle reazioni - Definire la funzione di Gibbs e utilizzarla per prevedere la spontaneità di una reazione - Analizzare qualitativamente il fattore entalpico ed entropico di una reazione a P e T costante. - Correlare la velocità di reazione con i fattori macroscopici che la influenzano - Interpretare i fenomeni cinetici da un punto di vista microscopico - Illustrare il ruolo dell’energia di attivazione - Spiegare la funzione dei catalizzatori

MODULO 5 : L’EQUILIBRIO CHIMICO

Periodo	Contenuti delle Unità didattiche	Obiettivi didattici
Febbraio	Unità didattica 8: Le leggi dell’equilibrio chimico - Aspetti fenomenologici dell’equilibrio chimico - Reversibilità microscopica e equilibrio dinamico - Costante di equilibrio e quoziente di reazione - Legge dell’azione di massa - Fattori che influenzano l’equilibrio chimico e Principio di Le Chatelier - Energia libera ed equilibrio chimico (dopo il Modulo 3) - Lab. L’equilibrio chimico Unità didattica 9: Gli equilibri in soluzione - Equilibri acido-base: i sistemi coniugati e la Ka e la Kb - Autoionizzazione dell’acqua e calcolo del pH - Forza degli acidi e delle basi - Sistemi tampone - Equilibri di precipitazione e Kps - Fattori che influenzano la solubilità di sali poco solubili - Lab. Realizzazione di una titolazione acido base con preparazione dei reattivi - Lab. Controllo dell’acidità di un aceto - Lab. Controllo dell’acidità del latte -Lab. Controllo dell’acidità della coca-cola -Lab. Titolazione di Mohr - Lab. Controllo dell’acidità di un aceto - - Complessi : alcuni esempi utilizzati per la separazione di cationi - Equilibri con ioni complessi costanti di formazione - Lab. - Principi dell’analisi qualitativa Analisi qualitativa di alcuni ioni Unità didattica 9bis: Equazioni chimiche e stechiometria applicata agli equilibri - Equazioni chimiche e rapporti molari - Calcoli stechiometrici - Lab. Determinazione con il pHmetro della curva di titolazione di un acido forte con base forte	- Conoscere il significato di equilibrio dinamico e di invarianza delle proprietà macroscopiche - Scrivere la costante di equilibrio per gli equilibri omogenei ed eterogenei - Interpretare diagrammi entalpici per reazioni esotermiche ed endotermiche - Risolvere semplici problemi utilizzando la Kc e il Qc - Applicare il principio di Le Chatelier per prevedere l’evoluzione di un sistema chimico - Correlare la funzione di Gibbs alla costante d’equilibrio termodinamica (dopo il Modulo 3) - Applicare le leggi dell’ equilibrio chimico ai sistemi acido-base - Eseguire semplici calcoli relativi agli equilibri acido-base - Interpretare la curva di titolazione per reazioni acido base - Interpretare alla luce delle Ka e Kb l’acidità o la basicità di una sostanza messa in acqua (fenomeno dell’idrolisi) - Conoscere il concetto di sistema tampone - Applicare le leggi dell’ equilibrio chimico alla solubilità - Prevedere la formazione di precipitati - Eseguire semplici calcoli relativi agli equilibri di solubilità - Conoscere la struttura di alcuni ioni complessi e scrivere la costante di formazione - Saper separare e riconoscere alcuni ioni sia in pratica sia in teoria Utilizzare il concetto di quantità di sostanza e K equilibrio per eseguire calcoli stechiometrici fondamentali

MODULO 6 LA CHIMICA DEL CARBONIO

Periodo	Contenuti delle Unità didattiche	Obiettivi didattici
Marzo Aprile	Unità didattica 10 La chimica del carbonio e la struttura degli idrocarburi - Introduzione alla chimica del carbonio e dei composti organici - Isomeria di struttura - Isomeria geometrica - Regole di nomenclatura della chimica organica :gli alcani - Alchini e alcheni - Isomeria ottica - Struttura del benzene e composti aromatici - Lab. Tecniche di separazione: cristallizzazione dell’acido salicilico Unità didattica 11: I principali derivati funzionali - Introduzione ai derivati funzionali : gli alogenuri alchilici - Alcoli e fenoli -- Ammine - Acidi carbossilici e derivati - Lab. Trasformazione a.fumarico maleico e proprietà dei due isomeri - Lab. Tecniche di separazione: estrazione della trimiristina, saponificazione e recupero dell’a.miristico. Unità didattica 12: La struttura e le funzioni delle biomolecole Amminoacidi, peptidi e proteine Amminoacidi: stereoisomeria L/D, punto isoelettrico, zwitterione, forma cationica e anionica Peptidi e legame peptidico, cenni alla sintesi dei peptidi Proteine: strut. I°, II°, III°, IV° Lipidi .Classificazioni: semplici e complessi, saponificabili e insaponificabili Trigliceridi Acidi grassi e saponi Fosfolipidi e membrane biologiche Steroidi e Terpeni Carboidrati:Classificazione dei carboidrati (o saccaridi, o glucidi): monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi; aldosi e chetosi Struttura di alcuni triosi, pentosi ed esosi Isomeri D e L Formazione degli emiacetali e degli acetali. Fenomeno della mutarotazione: anomero a e b Rappresentazione di Fischer e di Haworth Reazioni dei monosaccaridi: ossidazioni, riduzioni, esterificazione ed eterificazioni Zuccheri riducenti e concetto di glicoside	-Correlare le caratteristiche del carbonio alla varietà dei composti organici - Rappresentare le possibili strutture di un composto organico - Riconoscere i tipi di isomeria - Classificare gli idrocarburi e scrivere il nome in base alle regole IUPAC - Realizzare alcune tecniche di separazione in laboratorio (distillazione, estrazione, cromatografia, cristallizzazione ) - Conoscere le principali classi di derivati degli idrocarburi - Classificare un composto organico e scrivere il nome in base alle regole IUPAC - Conoscere alcune proprietà chimico-fisiche dei diversi gruppi funzionali Cenni alla logica dei sistemi viventi: descrivere la struttura delle principali biomolecole e correlarne la struttura alla loro funzione biologica Definire il concetto di zwitterione e riconoscere gli amminoacidi acidi, basici e neutri Discutere la struttura di un amminoacido in funzione del pH Stereoisomeria: enantiomeri L e D, diastereoisomeri Rappresentare il legame peptidico e scrivere la formula di un peptide Discutere le problematiche relative alla sintesi dei peptidi Struttura delle proteine (primaria, secondaria, terziaria e quaternaria) Relazione tra struttura e funzione per le proteine. Conoscere le relazioni tra proprietà e struttura dei lipidi e caratteristiche chimico-fisiche (solubilità in solventi apolari, temperature di fusione) Struttura dei trigliceridi e degli acidi grassi Differenza tra oli (insaturi) e grassi (saturi) Scrivere la reazione di saponificazione e descrivere la struttura di un sapone Scrivere la formula di struttura dei fosfolipidi Descrivere la struttura delle membrane biologiche Conoscere le classificazioni dei dei carboidrati: struttura macromolecolare, gruppi funzionali (aldeide o chetone e alcoli) e proprietà stereochimiche (D e L) Formule di struttura di glucosio, fruttosio, ribosio, 2deossiribosio, gliceraldeide, saccarosio, maltosio e cellobiosio Scrivere le reazioni di formazione degli emiacetali (emichetali) e acetali (chetali) Spiegare il fenomeno della mutarotazione e rappresentare gli anomeri a e b sia con le formule di di Fischer (catena aperta) sia con le formule di Haworth (catena chiusa) Scrivere le reazioni di ossidazione : con Br2 (formazione di acidi aldonici) con HNO3 (formazione di acidi aldarici), Saggio di Tollens e classificazione degli zuccheri riducenti Scrivere le reazioni di riduzione con NaBH4 Struttura dell’amido, del glicogeno e della cellulosa

MODULO 7 I PROCESSI ELETTROCHIMICI

Periodo	Contenuti delle Unità didattiche	Obiettivi didattici
Maggio	Unità didattica 13 Equilibri di ossidoriduzione 1. Sistemi ossidoriduttivi, forma ossidata e forma ridotta, potere ossidante e riducente 2. Bilancio di carica e di massa per le equazioni di ossidoriduzione Unità didattica 14 Pile e trasformazioni di energia chimica in energia elettrica 1. Pile e tipologia degli elettrodi (I°, III° specie, a gas) 2. Pila Daniell 3. Trasformazione di energia chimica in energia elettrica DG = - Lu = - nFE 1. Dimostrazione dell’equazione di Nernst Potenziali di riduzione standard SHE- Lab. LAB: Titolazione potenziometrica KMnO4/C2O4^2- Unità didattica 14bis: Elettrolisi e trasformazioni di energia elettrica in energia chimica 1. Trasformazione di energia elettrica in energia chimica 2. Elettrolisi e leggi di Faraday 3. Potenziale di scarica teorico e sovratensione 4. Ordine di scarica Curva sperimentale I(mA)/V(volt	Scrivere le semiequazioni di riduzione e di ossidazione in forma acida e in forma basica Scrivere l’equazione redox complessiva bilanciando il numero di elettroni Calcolare il numero di ossidazione di un elemento presente in una determinata specie chimica Bilanciare le equazioni scritte in forma molecolare e completare e bilanciare le equazioni scritte in forma ionica Illustrare il funzionamento di alcuni esempi di pile: scrivere le reazioni che avvengono al catodo e all’anodo Definire i potenziali di riduzione standard SHE Definire il concetto di elettrodo di riferimento e elettrodo di misura (es. e.chinidrone) Valutare in che senso avvengono reazioni di ossidoriduzione facendo uso della tabella dei potenziali di riduzione Calcolare la fem di una pila e distinguerla dalla ddp Calcolare la Kc di una redox in base ai valori di E° Scrivere la catena elettrodica di pile semplici Correlare la funzione di Gibbs al lavoro utile e al potenziale di una pila (o cella galvanica) Costruire mediante dati sperimentali una curva di titolazione potenziometrica Illustrare il funzionamento di alcuni sistemi elettrolitici Spiegare la differenza tra una cella galvanica e una cella elettrolitica Dato un sistema elettrolitico individuare l’ordine di scarica, scrivere le reazioni che avvengono al catodo e all’anodo, calcolare il potenziale di scarica Illustrare il funzionamento di alcuni esempi di sistemi elettrolitici industriali: raffinazione del rame, CuSO4 con elettrodi di rame Illustrare il funzionamento degli accumulatori: esempio batteria al piombo

Percorso formativo IV° ANNO(chimica dei materiali)

Competenze finali del quarto anno

Acquisizione dei concetti e delle nozioni di base necessarie per correlare la struttura delle sostanze, nei vari stati di aggregazione, alle proprietà dei materiali: meccaniche, elettriche, magnetiche, ecc.

Articolazione dei moduli

PROCESSI BIOCHIMICI

MODULO 1: ELEMENTI DI BIOCHIMICA

Unità didattica 1: Chimismo di alcuni processi biochimici

Unità didattica 2: Comunicazione cellulare

MODULO 2: ELEMENTI DI STATI CONDENSATI:STRUTTURA E PROPRIETÀ FISICHE.

Unità didattica 3: Liquidi e proprietà colligative

Unità didattica 4 Solidi e diagrammi di fase

MATERIALI

MODULO 3: CLASSI DI MATERIALI

Unità didattica 6 Ceramici e vetri

Unità didattica 7 Materiali metallici

Unità didattica 8 Polimeri

Unità didattica 9 Compositi

Unità didattica 10 Materiali per l’elettronica

MODULO 4: PROPRIETA’ FISICHE DEI MATERIALI

Unità didattica 11 Proprietà meccaniche

Unità didattica 12 Proprietà elettriche e magnetiche

Percorso formativo V° ANNO

Competenze finali del quarto anno

Acquisizione dei concetti e delle nozioni di base necessarie per conoscere l’uso dei biomateriali e delle macchine di laboratorio in ambito biomedicale

Articolazione dei moduli

ANALISI CHIMICA STRUMENTALE

MODULO 1:PRINCIPI DELL’ANALISI CHIMICA STRUMENTALE (I)

Unità didattica 1 Metodi elettrochimici

Unità didattica 2 Metodi ottici

Unità didattica 3 Metodi cromatografici

MODULO 2 PRINCIPI DELL’ANALISI CHIMICA STRUMENTALE (II)

Unità didattica 4 Microscopia ottica ed elettronica

Unità didattica 5 Diffratometria ai RX

Unità didattica 6 Analisi termiche

APPLICAZIONI BIOMEDICHE

MODULO 3 ANALISI CLINICHE

Unità didattica 7 Biomateriali

Unità didattica 7 Macchine di laboratorio biomedico