ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΚΑΙ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ

Τίτλος Μαθήματος Κωδικός Μαθήματος Τύπος μαθήματος Επίπεδο Έτος / Εξάμηνο φοίτησης Όνομα Διδάσκοντα ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΚΑΙ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ XHM 021 Υποχρεωτικό Προπτυχιακό 1 ο έτος / 1 ο εξάμηνο Επαμεινώνδας Λεοντίδης, Τμήμα Χημείας ECTS 6 Διαλέξεις / εβδομάδα 3 (1,5+1,5+1 ώρες) Εργαστήρια / εβδομάδα 0 Στόχοι Μαθήματος Το ΧΗΜ 021 είναι μάθημα Γενικής (εισαγωγικής) Χημείας και διδάσκεται σε φοιτητές που δεν θα σπουδάσουν Χημεία ως βασικό αντικείμενο, αλλά προέρχονται από άλλα τμήματα. Το μεγαλύτερο μέρος του ακροατηρίου αποτελείται από πρωτοετείς φοιτητές Φυσικής και Βιολογικών Επιστημών, στα προγράμματα των οποίων το μάθημα αυτό είναι υποχρεωτικό μάθημα κορμού. Υπάρχουν δύο σημαντικές δυσκολίες που καλείται να λύσει το ΧΗΜ 021. Καταρχήν η ύλη είναι πολύ μεγάλη, καθώς είναι πρακτικά αδύνατο να καλυφθεί πλήρως η παγκοσμίως καθιερωμένη ύλη της Γενικής Χημείας σε ένα μόνο εξαμηνιαίο μάθημα. Αναγκαστικά γίνεται μια προσεκτική επιλογή ύλης, ώστε να καλυφθούν τα πιο «καίρια» κεφάλαια. Δεύτερον, το ακροατήριο περιλαμβάνει ομάδες φοιτητών με διαφορετικούς στόχους: Οι φοιτητές των Βιολογικών Επιστημών χρειάζονται Χημεία προσαρμοσμένη στο πρόγραμμα των σπουδών τους, που θα δημιουργεί τη βάση για την κατανόηση της μοριακής φύσης των βιολογικών συστημάτων και διεργασιών, των βιομακρομορίων, και της συνθετικής χημείας που απαιτείται σε διάφορους κλάδους της Βιοχημείας και Βιολογίας. Για τους βιολόγους, ένα εισαγωγικό μάθημα Χημείας πρέπει να εστιάζει στο χημικό δεσμό (και μάλιστα τον ομοιοπολικό), στην υγρή φάση, σε θέματα διαλυμάτων, οξέων-βάσεων-αλάτων, στη δομή των οργανικών μορίων και στις ιδιότητες των δραστικών τους ομάδων. Τα κεφάλαια της θερμοδυναμικής που ενδιαφέρουν τους βιολόγους είναι κυρίως η θερμοχημεία και η θεωρία της χημικής ισορροπίας αντιδράσεων. Οι φοιτητές της Φυσικής ενδιαφέρονται πολύ περισσότερο για τη στερεή και την αέρια φάση, αφού το ζητούμενο είναι η κατανόηση υλικών με μαθηματικές μεθόδους, κάτι πολύ δύσκολο στην υγρή φάση με τη χαοτική της δομή. Τα άτομα και τα μόρια ενδιαφέρουν τους Φυσικούς περισσότερο ως κβαντικά συστήματα, δηλαδή από τη σκοπιά της ενέργειας και όχι τόσο από τη σκοπιά της δομής. Τα κεφάλαια τέλος της θερμοδυναμικής που ενδιαφέρουν περισσότερο τους Φυσικούς είναι η συζήτηση του Πρώτου και Δεύτερου Νόμου (ενέργεια, εντροπία), που έχουν άμεση εφαρμογή στη Στατιστική Μηχανική. 1

Το μάθημα αυτό στοχεύει στη «χρυσή τομή», ώστε όλοι να αποκομίσουν πολύτιμα εφόδια. Το μάθημα στοχεύει να δώσει τις βασικές χημικές γνώσεις σε φοιτητές άλλων ειδικοτήτων με τη λογική ότι τα πραγματικά σημαντικά επιστημονικά προβλήματα (περιβάλλον, κλίμα, ενέργεια, υγεία, έμβιος κόσμος) είναι σήμερα διεπιστημονικά. Η βασική επιστημονική εκπαίδευση σε οποιονδήποτε κλάδο των Φυσικών Επιστημών, των Επιστημών Υγείας και της Μηχανικής πρέπει να συμπεριλαμβάνει βασικό «αλφαβητισμό» στη Χημεία. Σε όλα τα μέρη της ύλης στόχος είναι να δίνονται στους φοιτητές σχετικά παραδείγματα από τη Βιολογία και τη Φύσικη, για να γίνει περισσότερο κατανοητή η στενή σχέση της Χημείας με τις άλλες δύο επιστήμες. Μαθησιακά Αποτελέσματα Εμπέδωση εννοιών γύρω από την επιστημονική μέθοδο και τη βασική ορολογία των φυσικών επιστημών. Οι φοιτητές πρέπει να εξοικειωθούν με την επιστημονική μέθοδο και να μπορούν να προτείνουν πειράματα που συμπληρώνουν ή απορρέουν από συγκεκριμένες πειραματικές καταστάσεις. Πρέπει να μπορούν να ξεχωρίζουν χημικά, φυσικά και μικτά φαινόμενα, να μπορούν να επιλέγουν κατάλληλα μοντέλα ανάλογα με το πρόβλημα που αντιμετωπίζουν. Θερμοδυναμικές έννοιες που αφορούν τα συστήματα, τις καταστατικές συναρτήσεις και την ισορροπία πρέπει να ξεκαθαριστούν. Σε απλά προβλήματα το ζητούμενο είναι να μπορούν οι φοιτητές να «βλέπουν» τις σημαντικές κλίμακες μήκους, χρόνου και ενέργειας στα εξεταζόμενα φαινόμενα, με ιδιαίτερη έμφαση στις μοριακές κλίμακες. Γίνεται μελέτη των διάφορων μονάδων μέτρησης μήκους, χρόνου, πίεσης, θερμοκρασίας, ενέργειας, τις οποίες οι φοιτητές πρέπει να μάθουν, ώστε να μπορούν με ευχέρεια να τις αλληλομετατρέπουν. Κατανόηση σε βάθος της θεωρίας για την ατομική δομή της ύλης και των συνεπειών της. Οι φοιτητές πρέπει να καταλάβουν πως η ατομική δομή έγινε κατανοητή μέσα από σειρά πειραμάτων και να μπορούν να ερμηνεύσουν πρόσθετα πειράματα που βασίζονται ή αποδεικνύουν την ατομική δομή της ύλης. Εισαγωγή στους βασικούς χημικούς υπολογισμούς που προκύπτουν από την κατανόηση της ατομικής δομής της ύλης, π.χ. χρήση ισοζυγίου μάζας και φορτίου. Εργασία με ατομικούς και μαζικούς αριθμούς και ισότοπα. Οι φοιτητές θα μάθουν να κατανοούν τη δομή ενός νουκλιδίου από τον τύπο του και να συμπληρώνουν απλές πυρηνικές αντιδράσεις με χρήση και του περιοδικού πίνακα. Περαιτέρω εξοικείωση με τη χρήση χημικών μοντέλων. Ποιες πληροφορίες δίνει ένα δισδιάστατο ή ένα τρισδιάστατο μοριακό μοντέλο. Εισαγωγή στη βασική ονοματολογία των ιοντικών ενώσεων. Αρχή αξιοποίησης των πληροφοριών του περιοδικού πίνακα των στοιχείων, πώς δηλαδή από τη θέση ενός στοιχείου στον πίνακα προβλέπουμε αν παράγει ανιόντα ή κατιόντα και με ποια σθένη. Οι φοιτητές πρέπει να μάθουν τα ονόματα των κύριων «ανόργανων» ανιόντων και κατιόντων, απλών και πολυατομικών. Αναπτύσσεται ευχέρεια στο συνδυασμό των ιόντων προς «κατασκευή» ιοντικών ενώσεων με τη λογική της εξισορρόπησης φορτίου. Εξοικείωση και χρήση των κανόνων ονοματολογίας ιόντων και ιοντικών ενώσεων. Κατανόηση της διαφορετικότητας δομής και ιδιοτήτων ιοντικών και μοριακών ενώσεων. Υπολογισμοί μοριακής μάζας ενώσεων από την ατομική σύσταση. 2

Σύνδεση της ποσότητας mol με τη μάζα. Υπολογισμοί εμπειρικών τύπων ενώσεων από % κατά μάζα αναλογίες των ατόμων που τις συνιστούν. Πώς μπορούμε να καταλάβουμε τον μοριακό και συντακτικό τύπο μιας χημικής ένωσης με χρήση φασματογραφίας μάζας. Οι φοιτητές πρέπει να μπορούν να αντλήσουν τις βασικές πληροφορίες από ένα φάσμα μάζας. Χρήση στοιχειομετρίας σε χημικές αντιδράσεις. Πώς οι χημικές εξισώσεις περιγράφουν χημικές αντιδράσεις. Εξισορρόπηση αντιδράσεων με συστηματικό τρόπο και ευχέρεια στην εξεύρεση των στοιχειομετρικών συντελεστών. Οι φοιτητές πρέπει να καταλάβουν ότι οι δείκτες (π.χ. το 2 στο CaCl 2) αφορούν την αναλογία ατόμων μέσα σε μια ένωση, αλλά οι συντελεστές την διατήρηση μάζας (ατόμων) μέσα σε μια αντίδραση. Κατανόηση της βασικής αρχής ότι στη στοιχειομετρία αντιδράσεων οι διασυνδέσεις και οι αντιστοιχίες γίνονται στο επίπεδο γραμμομορίων και όχι στο επίπεδο της μάζας. Αντιδράσεις με περιοριστικά αντιδρώντα και διαδοχικές αντιδράσεις. Οι φοιτητές πρέπει να μπορούν εύκολα να βρίσκουν το περιοριστικό συστατικό και να κάνουν υπολογισμούς με βάση αυτό το συστατικό. Πρέπει να μάθουν να συνδυάζουν διαδοχικές αντιδράσεις, όπου τα προϊόντα μιάς γίνονται αντιδρώντα για την άλλη. Υπολογισμοί απόδοσης αντιδράσεων. Οι φοιτητές πρέπει να κατανοήσουν ότι η απόδοση βασίζεται σε κάποιο αντιδρών και μπορεί να αλλάξει ανάλογα με τη βάση υπολογισμού. Κατανόηση ότι υπάρχει θεωρητική απόδοση και ότι για πολλούς λόγους αυτή συχνά δεν επιτυγχάνεται. Υπολογισμοί μοριακής μάζας ενώσεων από την ατομική σύσταση. Σύνδεση της ποσότητας mol με τη μάζα. Οι φοιτητές πρέπει να αποκτήσουν ευχέρεια στην άμεση μετατροπή από αριθμό ατόμων σε μάζα και να συνδέσουν τη μάζα του μικρόκοσμου με αυτή στον μακρόκοσμο μέσα από τις έννοιες του amu και του αριθμού Avogadro. Να γίνει κατανοητό ότι η ισότητα τιμών μεταξύ της ατομικής μάζας σε amu και της γραμμομοριακής μάζας σε g/mol οφείλεται στο γεγονός ότι η μονάδα amu (1.66 10-24 g) είναι ακριβώς αντίστροφη του αριθμού Avogadro. Πώς οι χημικές εξισώσεις περιγράφουν χημικές αντιδράσεις. Εξισορρόπηση αντιδράσεων με συστηματικό τρόπο και ευχέρεια στην εξεύρεση των στοιχειομετρικών συντελεστών. Οι φοιτητές πρέπει να καταλάβουν ότι οι δείκτες (π.χ. το 2 στο CaCl 2) αφορούν την αναλογία ατόμων μέσα σε μια ένωση, αλλά οι συντελεστές την διατήρηση μάζας (ατόμων) μέσα σε μια αντίδραση. Κατανόηση της βασικής αρχής ότι στη στοιχειομετρία αντιδράσεων οι διασυνδέσεις και οι αντιστοιχίες γίνονται στο επίπεδο γραμμομορίων και όχι στο επίπεδο της μάζας. Αντιδράσεις με περιοριστικά αντιδρώντα και διαδοχικές αντιδράσεις. Οι φοιτητές πρέπει να μπορούν εύκολα να βρίσκουν το περιοριστικό συστατικό και να κάνουν υπολογισμούς με βάση αυτό το συστατικό. Πρέπει να μάθουν να συνδυάζουν διαδοχικές αντιδράσεις, όπου τα προϊόντα μιάς γίνονται αντιδρώντα για την άλλη. Υπολογισμοί απόδοσης αντιδράσεων. Οι φοιτητές πρέπει να κατανοήσουν ότι η απόδοση βασίζεται σε κάποιο αντιδρών και μπορεί να αλλάξει ανάλογα με τη βάση υπολογισμού. Κατανόηση ότι υπάρχει θεωρητική απόδοση και ότι για πολλούς λόγους αυτή συχνά δεν επιτυγχάνεται. Χρήση κλιμάκων συγκέντρωσης και μετατροπές από τη μια μονάδα στην άλλη. Οι φοιτητές πρέπει να εξοικειωθούν με τις μονάδες και να μπορούν να κάνουν εύκολα τις μετατροπές από τη μία στην άλλη. Πρέπει να γίνει 3

κατανοητή η έννοια της γραμμομοριακής συγκέντρωσης ως απόστασης ανάμεσα στα μόρια στο διάλυμα. Τι είναι το αραιό και τι το πυκνό διάλυμα. Κατανόηση των μοριακών αναλογιών στις διαδικασίες της αράιωσης και της τιτλοδότησης. Ειδικά για τη δεύτερη, πρέπει να γίνει κατανοητός ο ρόλος του στοιχειομετρικού λόγου. Ευχέρεια στο συνδυασμό αραιώσεων και τιτλοδοτήσεων. Αντιδράσεις σε υδατικά διαλύματα. Τι γίνεται σε μια αντίδραση ανταλλαγής ή καταβύθισης όπου συμμετέχουν ιοντικές ενώσεις. Οι φοιτητές αποκτούν ευχέρεια στη γραφή χημικών εξισώσεων και πρέπει να μάθουν (ουσιαστικά με αποστήθιση) ποιες ιοντικές ενώσεις είναι δυσδιάλυτες στο νερό. Κατανόηση της φύσης των αντιδράσεων μεταξύ οξέων και βάσεων, ότι παράγουν πάντα νερό, και ότι κάποτε παράγουν και αέρια ή ιζήματα. Οι φοιτητές πρέπει να μπορούν να αναγνωρίζουν τις αντιδράσεις redox και να διακρίνουν ποιο είναι το αναγωγικό και ποιο το οξειδωτικό σώμα. Η εύρεση αριθμών οξείδωσης με χρήση των σχετικών κανόνων και η εξισορρόπηση αντιδράσεων redox είναι βασικές δεξιότητες εδώ. Γενικότερη «κατανόηση» των ιδεών της κβαντικής θεωρίας της ύλης, όπως αυτές προήλθαν από συγκεκριμένα πειράματα. Απλές εφαρμογές των ιδεών Planck, Einstein, de Broglie, Bohr. Οι φοιτητές πρέπει να καταλάβουν την ιδέα της κβάντωσης της ενέργειας και άλλων ποσοτήτων, όπως η στροφορμή και η ακτίνα της τροχιάς των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα. Πρέπει να μάθουν να μεταφράζουν άμεσα το μήκος κύματος σε ενέργεια φωτονίων ή σε διαφορές ενέργειας επιτρπτών ενεργειακών σταθμών και να ξεχωρίζουν αυτές τις δύο περιπτώσεις. Πρέπει τέλος να μάθουν να αντιλαμβάνονται ότι τα φαινόμενα στον μικρόκοσμο απλά «έχουν πιθανότητα» να συμβούν και να συνδέουν το μέγεθος κάποιων μεγάλων μορίων με την αβεβαιότητα θέσης ηλεκτρονίων. Κατανόηση της φύσης και των πληροφοριών που περιέχουν τα τροχιακά (σχήμα, μέγεθος, κόμβοι, κατανομές ηλεκτρονιακής πυκνότητας). Τα τροχιακά εκφράζουν την πιθανοθεωρητική αντίληψη της κβαντικής θεωρίας. Οι φοιτητές πρέπει να συνδέσουν την παρουσία κόμβων, τον προσανατολισμό και την έκταση των τροχιακών με συγκεκριμένες ιδιότητες και δραστικότητα των ηλεκτρονίων. Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση πολυηλεκτρονικών ατόμων και περιοδικός πίνακας. Δυνατότητα γραφής ηλεκτρονιακής διαμόρφωσης με απλούς κανόνες. Ευχέρεια γραφής ηλεκτρονιακών διαμορφώσεων με βάση την απαγορευτική αρχή Pauli, την αρχή δόμησης, τις ενέργειες των τροχιακών και τον κανόνα Hund. Οι φοιτητές πρέπει να κατανοήσουν σε βάθος τις πληροφορίες που περιέχει ο περιοδικός πίνακας και τη λογική που τον συνδέει με τις ηλεκτρονιακές διαμορφώσεις. Ειδικότερα οι περιοδικές τάσεις της ατομικής ακτίνας και της ενέργειας ιονισμού με τον ατομικό αριθμό πρέπει να γίνουν κατανοητές χρησιμοποιώντας τις βασικές έννοιες του πυρηνικού φορτίου και της θωράκισης. Γραφή δομών Lewis για περιπτώσεις ιοντικών και ομοιοπολικών δεσμών, για απλούς και πολλαπλούς δεσμούς και δυνατότητα εντοπισμού αποκλίσεων από κανόνα οκτάδας. Οι φοιτητές πρέπει επίσης να μπορούν να εξηγήσουν πότε παρατηρείται μεταφορά φορτίου μεταξύ ατόμων και πότε υπάρχουν αναγκαστικά δομές συντονισμού. Εφαρμογή της θεωρίας VSEPR, ικανότητα σχεδιασμού της μοριακής γεωμετρίας για μόρια του γενικού τύπου ΑΧ nε m. Οι φοιτητές πρέπει να 4

μπορούν να εντοπίζουν τα ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων για να μπορούν να εφαρμόζουν σωστά τη θεωρία. Κατανόηση των περιορισμών αλλά και των σημαντικών δυνατοτήτων της θεωρίας. Τέλος θα πρέπει να μπορούν να εφαρμόσουν τη θεωρία VSEPR σε μεγαλύτερα μόρια και να προβλέπουν την τοπική μοριακή γεωμετρία μεγαλύτερων μορίων με περισσότερα από ένα «κέντρα». Εφαρμογές της θεωρίας δεσμού σθένους, ιδιαίτερα κατανόηση των υβριδικών τροχιακών και δυνατότητα σχεδιασμού τέτοιων τροχιακών, πρόβλεψης του είδους των υβριδισμών που υπάρχουν σε ένα μόριο, ιδιαίτερα αν υπάρχουν πολλαπλοί δεσμοί. Κατανόηση της διασύνδεσης της θεωρίας αυτής με τη θεωρία VSEPR. Εφαρμογή της θεωρίας σε μεγαλύτερα οργανικά και βιολογικά μόρια. Οι φοιτητές πρέπει να εντοπίζουν εύκολα τα είδη υβριδισμών των στοιχείων C και Ν σε μια μεγάλη χημική ένωση. Σύνδεση μοριακής δομής με μοριακές ιδιότητες. Δυνατότητα εξαγωγής πολικότητας δεσμών και μορίων από ηλεκτραρνητικότητες των ατόμων. Ερμηνεία σειρών πολικότητας δομικά παρόμοιων μορίων. Οι φοιτητές πρέπει να κατανοήσουν που οφείλονται οι πολλαπλές διαμορφώσεις και η ευελιξία μεγάλων μορίων, πολυμερών και βιομακρομορίων. Πρέπει να μπορούν να καταλάβουν την έννοια της γωνίας στροφής γύρω από απλούς δεσμούς. Ακαμψία μορίων σε σχέση με παρουσία π-ηλεκτρονίων, διπλών δεσμών και δακτυλίων. Bαθύτερη κατανόηση των εννοιών της θερμότητας και του έργου. Απλοί υπολογισμοί θερμότητας που ανταλλάσσεται σε θερμιδόμετρα. Υπολογισμοί θερμoτήτων αντιδράσεων από ενθαλπίες δεσμών και σχηματισμού. Οι φοιτητές πρέπει να αναπτύξουν δεξιότητα συνδυασμού θερμοχημικών αντιδράσεων για να εκτιμούν ενθαλπίες αγνώστων αντιδράσεων. Ιδιαίτερα πρέπει να γίνει κατανοητός ο χειρισμός θερμοτήτων δεσμών και θερμοτήτων σχηματισμού για την πρόβλεψη της ενθαλπίας οποιασδήποτε αντίδρασης. Κατανόηση της φύσης βασικών διαμοριακών δυνάμεων και της συσχετίσεώς τους με σημεία βρασμού. Ιδιαίτερη εμβάθυνση στους δεσμούς Η, που πρέπει η σημασία τους στη βιολογία να γίνει κατανοητή. Σύνδεση μοριακής δομής και πιθανών αλληλεπιδράσεων ενός μορίου με το περιβάλλον του. Οι φοιτητές πρέπει απλά βλέποντας τη δομή ενός μορίου να εκτιμούν αν είναι πολικό και ποια είναι τα στοιχεία πολικότητας, καθώς επίσης και αν το μόριο μπορεί να σχηματίσει δεσμούς Η. Πρέπει επίσης να γίνουν κατανοητές οι έννοιες της υδροφιλικότητας και της υδροφοβικότητας. Στόχος είναι να μπορεί να εκτιμηθεί με ποιοτικό τρόπο κατά πόσο μια ένωση διαλύεται ή όχι στο νερό. Υπολογισμοί με την καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων, τον νόμο του Dalton και τη βαρομετρική εξίσωση Laplace. Αναπτύσσεται γενικότερη κατανόηση για την αέρια φάση, που οφείλεται η πίεση κλπ, και γίνεται στοιχειώδης επαφή με την κινητική θεωρία των αερίων. Nα γίνει επίσης κατανοητή η κατανομή των ταχυτήτων κατά Maxwell-Boltzmann και οι διάφορες συνέπειες αυτής της κατανομής. Κατανόηση των βασικών εννοιών της χημικής κινητικής. ΟΙ φοιτητές πρέπει να εξοικειωθούν με τις έννοιες του ρυθμού, της τάξης και του μηχανισμού και να μπορούν να γράφουν εύκολα απλές κινητικές εξισώσεις. 5

Ιδιαίτερα πρέπει να αποκτηθεί ευχέρεια στην εργασία με κινητικές πρώτης τάξης. Η επίδραση της θερμοκρασίας στις αντιδράσεις, η ιδέα της ενέργειας ενεργοποίησης και η δυνατότητα εργασίας με την εξίσωση του Αrrhenius αποτελούν επίσης βασικό μαθησιακό αποτέλεσμα εδώ. Κατανόηση του τρόπου που δρα ένας καταλύτης. Στο κεφάλαιο της χημικής ισορροπίας οι φοιτητές πρέπει να συνδέσουν τη κινητική με την ισορροπία αντιδράσεων και να καταλάβουν ότι η χημική ισορροπία είναι δυναμική και αποτελεί αποτέλεσμα αντίστροφων αντιδράσεων. Βασικό μαθησιακό αποτέλεσμα εδώ είναι η ευχέρεια γραφής κλασμάτων ισορροπίας και διεξαγωγής βασική υπολογισμών που σχετίζονται με τη σταθερά ισορροπίας και το σημείο ισοροπίας. Επίσης η κατανόηση της επίδρασης που έχει η θερμοκρασία επάνω στη σταθερά ισορροπίας και την απόδοση μιας αντίδρασης. Ως βασική εφαρμογή της χημικής ισορροπίας οι φοιτητές εξετάζουν τα οξέα και τις βάσεις. Εδώ οι μαθησιακοί στόχοι περιλαμβάνουν την κατανόηση των διαφόρων ορισμών της οξεοβασικής συμπεριφοράς (κλασικά οξέα-βάσεις, κατά Broensted και κατά Lewis). Κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν την ισχύ ενός οξέος / μιας βάσης. Οι φοιτητές πρέπει να μάθουν να εργάζονται με τις σταθερές διάστασης ασθενών οξέων και βάσεων και να κάνουν απλούς υπολογισμούς του βαθμού διάστασής τους σε υδατικά διαλύματα και των ποσοστών των διαφόρων ειδών στο διάλυμα. Η κατανόηση του ισοηλεκτρικού σημείου και της σημασίας του σε βιολογικά συστήματα είναι άλλο ένα μαθησιακό αποτέλεσμα. Το κεφάλαιο της χημικής θερμοδυναμικής εισάγει τις έννοιες των αυθόρμητων και των αντιστρεπτών διεργασιών. Βασικός μαθησιακός στόχος η κατανόηση των διεργασιών αυτών και πως οδηγούν στην εντροπία. Καθώς εισάγονται και οι δύο ορισμοί της εντροπίας (θερμοδυναμικός και μικροσκοπικός κατά Boltzmann) οι φοιτητές πρέπει να αποκτήσουν δεξιότητες εργασίας και υπολογισμών και με τους δύο ορισμούς. Τέλος οι φοιτητές μαθαίνουν να ξεχωρίζουν εύκολα τις αντιδράσεις που οδηγούν σε αύξηση ή μείωση της εντροπίας. Με χρήση πινάκων οι φοιτητές μαθαίνουν να υπολογίζουν εντροπικές μεταβολές αντιδράσεων. Γίνεται κατανοητή η κεντρική έννοια της ελεύθερης ενέργειας Gibbs και οι φοιτητές μαθαίνουν να διακρίνουν αν μια αντίδραση είναι αυθόρμητη ή όχι συμψηφίζοντας ενθαλπικές και εντροπικές μεταβολές. Προαπαιτούμενα Δεν υπάρχουν Συναπαιτούμενα Δεν υπάρχουν Περιεχόμενο Μαθήματος Πρώτος κύκλος - (4 εβδομάδες) Βασικές έννοιες και ορισμοί. Τι είναι η Χημεία. Τι καθιστά τη Χημεία ξεχωριστή επιστημονική περιοχή (ατομική και μοριακή δομή της ύλης). Οι «αφηρημένες» έννοιες της Χημείας. Τα άτομα και τα μόρια δεν είναι «χειροπιαστές» πραγματικότητες και οι ιδιότητές τους δεν συνάδουν με αυτές του μακρόκοσμου. Περιπλοκότητα της χημικής ορολογίας, ιδιαίτερη γλώσσα των χημικών συμβόλων, απεικονίσεων και εξισώσεων. Περιοδικός πίνακας. Τα μόρια είναι πραγματικά! Εικόνες AFM, STM, TEM. Τα μοριακά μοντέλα μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε τη δομή των μορίων σε διάφορα επίπεδα. Σχέση της Χημείας με τις άλλες Θετικές Επιστήμες, τη Μηχανική και τις Επιστήμες Υγείας. Κατανόηση 6

του φυσικού και βιολογικού κόσμου και του περιβάλλοντος με τα εργαλεία της Χημείας. Η Χημεία ως παραγωγική και αναλυτική διαδικασία. Χημεία και σύγχρονος πολιτισμός. Περιοχές της Χημείας. Επιστημονική μέθοδος, σύστημα και περιβάλλον, καταστάσεις ισορροπίας και καταστατικές συναρτήσεις. Ισορροπία και μεταβολή, δυναμικά φαινόμενα. Κλίμακες μήκους, χρόνου, ενέργειας, συγκέντρωσης στο μακροσκοπικό και στο μοριακό επίπεδο. Δυϊσμός των «χημικών» φαινομένων («χημικά» και «φυσικά» φαινόμενα, μεταβολές σε επίπεδο δεσμών ή σε επίπεδο διαμοριακών αλληλεπιδράσεων). Τα βιολογικά φαινόμενα ως μικτά φαινόμενα. Δομικά συστατικά της ύλης, άτομα, στοιχεία, χημικές ενώσεις, βασική χημική ονοματολογία. Σύμπλοκα, μίγματα, διαλύματα, ομογενή, ετερογενή και μικροετερογενή συστήματα, κινητικά και θερμοδυναμικά σταθερά συστήματα. Ατομική θεωρία της ύλης. Εσωτερική δομή των ατόμων, καθοδικές ακτίνες, ραδιενέργεια, μαγνήτες, σκεδαση, περίθλαση. Σύγχρονες απόψεις για τη δομή της ύλης. Ατομικός και μαζικός αριθμός, ισότοπα, φασματοσκοπία μάζας. Βασική περιγραφή (απλή «κάτοψη») του περιοδικού πίνακα. Μόρια, χημικοί τύποι, στοιχειομετρία, πληροφορίες που περιέχουν τα χημικά μοντέλα, οργανικά μόρια. Ιόντα, ιοντικό φορτίο, ιοντικές ενώσεις, σύμπλοκα ιόντα, οξέα, βάσεις, άλατα. Στοιχειομετρία. Η έννοια του γραμμομορίου (mol) και οι χημικοί υπολογισμοί σε αντιδράσεις. Ελλειμματικά (περιοριστικά) και πλεονάζοντα (σε περίσσεια) συστατικά και απόδοση χημικής διεργασίας. Απλά και ηλεκτρολυτικά διαλύματα, η έννοια της συγκέντρωσης, διάφορες μονάδες συγκέντρωσης. Η ιδιαιτερότητα του νερού ως η σημαντικότερη ουσία για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε. Είδη χημικών αντιδράσεων. Οι αντιδράσεις μετάθεσης και καταβύθισης. Αντιδράσεις εξουδετέρωσης οξέων-βάσεων και η μελέτη τους με τιτλοδοτήσεις. Αντιδράσεις οξειδοαναγωγής και η μελέτη τους με τη βοήθεια των αριθμών οξείδωσης. Απλοί κανόνες για την εύρεση των αριθμών οξείδωσης ατόμων σε ιοντικές ενώσεις και πολυατομικά ιόντα. Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί αντιδράσεων σε υδατικά διαλύματα με χρήση των συγκεντρώσεων. Δεύτερος κύκλος - (5,0 εβδομάδες) Η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα, δυαδική φύση του φωτός, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ηλεκτρομαγνητικά ατομικά φάσματα εκπομπής. Το μοντέλο του Bohr για το άτομο, η κυματική φύση της ύλης κατά de Broglie, η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg. Εξίσωση του Schrödinger, λύσεις που οδηγούν στα ατομικά τροχιακά. Κβαντικοί αριθμοί, σπιν, απεικόνιση των s, p, d, f τροχιακών. Άτομα με πολλά ηλεκτρόνια, απαγορευτική αρχή του Pauli. Ηλεκτρονικές διαμορφώσεις σε άτομα πολλών ηλεκτρονίων. Η οικοδόμηση του περιοδικού πίνακα. Αναλυτική περιγραφή του περιοδικού πίνακα, μεγέθη ατόμων και 7

ιόντων. Περιοδικές τάσεις στον περιοδικό πίνακα. Ενέργειες ιονισμού, ηλεκτραρνητικότητα, ηλεκτρονική συνάφεια. Αδρή περιγραφή των περιοχών του περιοδικού πίνακα. Αλκάλια και αλκαλικές γαίες, μέταλλα, αμέταλλα και μεταλλοειδή, στοιχεία μετάπτωσης, αλογόνα, ευγενή αέρια. Τα σημαντικά για τα βιολογικά συστήματα αμέταλλα στοιχεία: C, O, H, N, S, P, Si. Εισαγωγή στη μελέτη των χημικών δεσμών. Σύμβολα Lewis. Ιοντικοί δεσμοί και ιοντικές ενώσεις. Ομοιοπολικοί δεσμοί, απλοί και πολλαπλοί. Ο κανόνας της οκτάδας. Πρόβλεψη δομών Lewis από την ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων. Εισαγωγικά στοιχεία για τη γεωμετρία των μορίων. Θεωρία VSEPR. Μοριακά τροχιακά. Ηλεκτραρνητικότητα και πολικότητα δεσμού. Διπολικές ροπές. Δομές συντονισμού. Υβριδισμός. Πώς κτίζονται τα μεγαλύτερα μόρια. Τρίτος κύκλος - (5,0 εβδομάδες) Η φύση της ενέργειας στο μοριακό κόσμο. Κινητική και δυναμική ενέργεια αλληλεπιδράσεων. Μεταφορά ενέργειας, θερμότητα και έργο, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Ενδόθερμες και εξώθερμες διεργασίες. Ενθαλπίες αντιδράσεων. Θερμιδομετρία. Θερμιδικό περιεχόμενο τροφίμων. Θερμικό περιεχόμενο καυσίμων και βιοκαυσίμων. Ενθαλπίες σχηματισμού ενώσεων και η σύνδεσή τους με τις ενθαλπίες αντιδράσεων. Κύκλοι Born-Haber. Διαμοριακές δυνάμεις, διαλύτες και διαλυμένες ουσίες. Σχέση διαμοριακών δυνάμεων και σημείου ζέσης. Στερεά-υγρά-αέρια. Διαγράμματα φάσεων (Τ,Ρ) για καθαρές ουσίες. Οι φασικές μεταπτώσεις οφείλονται στο ισοζύγιο κινητικής ενέργειας και ενέργειας αλληλεπιδράσεων. Τάση ατμών. Κορεσμένα διαλύματα και διαλυτότητα. Αθροιστικές ιδιότητες με έμφαση στην ωσμωτική πίεση. Σημασία της ώσμωσης στα βιολογικά συστήματα και στην αφαλάτωση. Εισαγωγικές έννοιες χημικής κινητικής. Ρυθμός αντίδρασης, αργές και γρήγορες αντιδράσεις, μετρήσεις ρυθμού, σχέση ρυθμού και στοιχειομετρίας. Ρυθμός και συγκεντρώσεις. Τάξη αντίδρασης. Ρυθμός αντίδρασης και θερμοκρασία, εξίσωση Arrhenius, ενέργεια ενεργοποίησης αντίδρασης και που οφείλεται αυτή. Κατάλυση και καταλύτες. Η έννοια του μηχανισμού αντίδρασης. Η χημική ισορροπία αντιδράσεων ως εξίσωση ρυθμών. Η σταθερά της χημικής ισορροπίας. Ομογενείς και ετερογενείς ισορροπίες, υπολογισμοί σταθερών ισορροπίας. Επίδραση εξωτερικών συνθηκών στο σημείο ισορροπίας μιας αντίδρασης. Οξεοβασική ισορροπία. Οξέα και βάσεις κατά Brönsted και Lowry. Ισχύς οξέων και βάσεων και η κλίμακα οξύτητας (pη). Μετρήσεις ph, δείκτες, ασθενή οξέα και βάσεις, υδρόλυση, πολυπρωτικά οξέα. Σχέση δομής και οξύτητας, οξέα και βάσεις κατά Lewis. Αυθόρμητες και μη διεργασίες, το «βέλος του χρόνου». Αντιστρεπτές και μη αντιστρεπτές διεργασίες. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής και η έννοια της εντροπίας. Μικροσκοπικός ορισμός της εντροπίας κατά Βoltzmann. Ποιοτικές εκτιμήσεις εντροπικών μεταβολών. Παραδείγματα 8

από το βιολογικό κόσμο, από φασικές μεταπτώσεις κλπ. Ελεύθερη ενέργεια και αυθόρμητες διεργασίες. Ελεύθερη ενέργεια και σταθερά χημικής ισορροπίας. Υπολογισμοί σταθερών χημικής ισορροπίας από ελεύθερες ενέργειες σχηματισμού. Μεθοδολογία Διδασκαλίας Βιβλιογραφία Αξιολόγηση Γλώσσα Το μάθημα έχει μεγάλο ακροατήριο και πολύ εκτεταμένη ύλη. Δύο φορές την εβδομάδα (3 ώρες διδασκαλίας) γίνονται διαλέξεις και η τελευταία περίοδος (1 ώρα) αφιερώνεται συνήθως σε λύση ασκήσεων. Όταν υπάρχει βοηθός διδασκαλίας η τάξη σπάζει σε δύο ομάδες για το φορντιστήριο, συνήθως χωρίζονται φυσικοί και βιολόγοι. Υπάρχουν πολλές ώρες γραφείου, που οι φοιτητές μπορούν να λύσουν τις απορίες τους με τον διδάσκοντα ή τον/την βοηθό διδασκαλίας. Συνήθως γίνεται και ένα δίωρο φροντιστήριο προετοιμασίας πριν από την τελική εξέταση. D. D. Ebbing, S. D. Gammon : Σύγχρονη Γενική Χημεία (10 th int. ed., Ελληνική μετάφραση από Ν. Δ. Κλούρα, Εκδόσεις Τραυλός, Αθήνα, 2014) Τ. L. Brown, E. H. LeMay Jr, B. E. Bursten, C. J. Murphy, P. M. Woodward, M. W. Stolzfus : Chemistry, the Central Science (13 th ed., Pearson Educ. Global Ed., 2013) J. C. Kotz, P. M. Treichel, J. Townsend, D. Treichel : Chemistry & Chemical Reactivity (9 th ed., Cencage Learning, USA, 2015) Δύο ενδιάμεσες εξετάσεις (πρόοδοι) από 25% του τελικού βαθμού η κάθε μία. Τελική εξέταση (50% του τελικού βαθμού) Ελληνική 9