CHIMICA FISICA
cod. 16582

Anno accademico 2018/19
2° anno di corso - Secondo semestre
Docente
- Emilia FISICARO
Settore scientifico disciplinare
Chimica fisica (CHIM/02)
Field
Discipline chimiche
Tipologia attività formativa
Base
72 ore
di attività frontali
9 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in ITALIANO

Obiettivi formativi


E’ obiettivo del corso la conoscenza e la capacità di comprensione dei principi atti a spiegare ed ad interpretare i processi fisici e le trasformazioni chimiche, tramite l’impiego di “modelli”, peculiarità della Chimica Fisica. Alla fine del corso, lo studente dovrà aver acquisito la capacità di applicare le conoscenza e la capacità di comprensione acquisita allo studio e all’interpretazione dei processi biologici, biochimici e farmaceutici. Come risultati dell’apprendimento ci si attende che lo studente sia in grado di mostrare:
1. Conoscenza e capacità di comprensione:
- conoscere il linguaggio specifico proprio della disciplina e la terminologia corretta;
- dimostrare conoscenze rigorose e capacità di comprensione dei principi alla base della Chimica Fisica, in particolare circa la termodinamica classica e statistica e la cinetica, applicate alle reazioni chimiche e ai sistemi biologici; i fenomeni di trasporto, interpretati secondo i modelli della termodinamica di non equilibrio, la stabilità dei sistemi colloidali e le loro implicazioni in campo farmaceutico; i principi di base di quantomeccanica come fondamento della spettroscopia e della chimica farmaceutica computazionale;
- confrontare differenti sistemi chimico-fisici, individuandone differenze ed analogie;
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
- applicare le conoscenze acquisite all’ analisi dei processi chimici in ambito biologico con metodologie chimico-fisiche, per una verifica della loro fattibilità e ottimizzazione e alla risoluzione di problemi che coinvolgono le sostanze chimiche, la loro struttura e interazioni;
- svolgere esperimenti di laboratorio di termodinamica e cinetica chimica e trattare i dati sperimentali sulla base di modelli;
3. Abilità comunicative:
- comunicare i risultati degli studi anche ad un pubblico non esperto.
- saper redigere un documento formale, ordinato, comprensibile e consono al contesto professionale. - trasferire le proprie intuizioni e analisi al gruppo di lavoro, usando il linguaggio specifico proprio della disciplina e la terminologia corretta;
4. Autonomia di giudizio:
- saper valutare con senso critico i limiti di validità dei modelli chimico-fisici sviluppati;
5. Capacità di apprendimento:
- studiare in autonomia;
- aggiornarsi mediante la lettura di testi di base e anche di livello più avanzato e la consultazione delle pubblicazioni scientifiche di settore;
- collegare tra loro argomenti trattati nel corso e argomenti affrontati negli insegnamenti degli anni successivi.

Prerequisiti


Conoscenze di Chimica Generale, Matematica e Fisica.

Contenuti dell'insegnamento


La prima parte del corso riguarda la termodinamica classica con nozioni di termodinamica statistica e la cinetica con collegamenti a quanto già appreso dagli studenti nei corsi di Chimica Generale e Fisica La seconda parte affronta la termodinamica di non equilibrio e i fenomeni di trasporto con particolare riferimento ai sistemi biologici e alle applicazioni farmaceutiche La terza parte è relativa ai sistemi colloidali e alla loro stabilità in specie in relazione ai sistemi farmaceutici ed alimentari. La quarta parte del corso riguarda i principi di quantomeccanica, che costituiscono la base per la Chimica Farmaceutica Computazionale e la spettroscopia.

Programma esteso


1. Termodinamica classica applicata a sistemi chimici e biologici con elementi di termodinamica statistica Variabili e funzioni di stato. Principi della termodinamica. Dipendenza delle grandezze termodinamiche da pressione e temperatura. Termochimica. Calorimetria. Interpretazione molecolare della termodinamica. Concetti introduttivi di termodinamica statistica. Funzione di partizione molecolare. Relazioni di Maxwell. Alcuni esempi numerici. 2. Equilibri di fase nelle sostanze pure Diagrammi di fase. Equazione di Clapeyron e di Clausius-Clapeyron. Liquefazione dei gas e fenomeni critici. Equazione degli stati corrispondenti. Regola delle fasi di Gibbs. 3. Proprietà termodinamiche delle soluzioni e loro applicazioni Sistemi aperti e quantità molari parziali. Soluzioni ideali e soluzioni reali. Legge di Raoult e legge di Henry. Soluzioni regolari. Funzioni eccesso. Equilibrio fra le fasi nei sistemi binari. Distillazione frazionata. Azeotropo, eutettico, lacuna di miscibilità, formazione di composti. Diagrammi di stato composti. L’attività del soluto. L’attività dell’acqua negli alimenti. Il potenziale chimico del solvente. Proprietà colligative. Determinazione del peso molecolare. Equilibri di fase in presenza di una membrana semipermeabile: pressione osmotica. Soluzioni di macromolecole. Equilibrio di dialisi ed effetto Donnan. 4. Equilibrio in una reazione chimica Condizioni di equilibrio in una reazione chimica. Energia libera e costante di equilibrio. Attività e forza ionica. Termodinamica statistica applicata all'interpretazione degli equilibri in soluzione. La funzione n di Bjerrum. Diagrammi di distribuzione. Curve di binding. La cooperatività. 5. Elettrochimica Celle elettrochimiche. Elettrodi. Equazione di Nernst. Potenziali normali. Il potenziometro. Pile di concentrazione. Lo stimolo nervoso. 6. Bioenergetica Processi passivi e processi attivi. Fenomeni di trasporto: trasporto attivo e passivo. Reazioni endoergoniche ed esoergoniche. Accoppiamento di reazioni. Composti ad alta energia. Scala dei potenziali di trasferimento. 7. Termodinamica di non-equilibrio e fenomeni di trasporto Forze e flussi. Equazioni fenomenologiche. Teorema di Curie. Teorema di Prigogine. Legge di Onsager. La funzione dissipazione. Concetto di stato stazionario. Mobilità degli ioni in soluzione. Elettroforesi. La diffusione e le sue leggi. Sedimentazione e ultracentrifuga. Reologia. 8. Cinetica La velocità delle reazioni ed i fattori che la influenzano. Stechiometria, ordine di una reazione e sua molecolarità. Reazioni del I e del II ordine. Tempo di dimezzamento. Equazione di Arrhenius. Catalisi. Cinetica enzimatica. Reazioni veloci. 9. Forze intermolecolari: Legami di Van der Waals. Dipoli permanenti e indotti. Energia potenziale. Legame di idrogeno. Interazioni idrofobiche. Coefficiente di ripartizione. 10. Sistemi colloidali, interfasi e biopolimeri Definizione e classificazione. Forze intermolecolari nei sistemi colloidali. Teoria DLVO. Interfasi solido-gas, liquido-gas, liquido-liquido, solido-liquido. Tensione superficiale e sua determinazione. Lavoro di adesione e di coesione. I tensioattivi: struttura e classificazione. Sistemi micellari in fase acquosa. Emulsioni. Microemulsioni. Cristalli liquidi. Films di Langmuir-Blodgett. Membrane biologiche e artificiali. 11. Quantomeccanica Il fallimento della meccanica classica. La quantizzazione dell’energia. La rodopsina ed il meccanismo della visione. Dualismo onda-corpuscolo. Assunzioni di base della quantomeccanica. La funzione d’onda. Gli operatori. L’equazione di Schrodinger. Risoluzione di un problema quantomeccanico: la particella in una scatola. L’oscillatore armonico e le molecole biatomiche. Il rotatore rigido. Gli atomi e le molecole. 12. Spettroscopia La radiazione elettromagnetica. Onda longitudinale e onda trasversa. Polarizzazione. Composizione di onde. Interazione fra un'onda e un oggetto illuminato: assorbimento, emissione, scattering. Limiti di Lorentz, di Rayleigh e di Thomson. Lo spettro elettromagnetico. Livelli energetici e fotoni. Effetto dell’intorno: la visione a colori. Scala dei tempi e velocità delle transizioni spettroscopiche. Momento dipolare indotto. Interpretazione classica e quantistica. Cenni di spettroscopia UV-visibile, infrarossa e Raman, dicroismo circolare e dispersione ottica rotatoria. Il laser.

Bibliografia

P. W. Atkins, J. De Paula, Elementi di Chimica Fisica, quarta edizione italiana, Zanichelli, Bologna, 2018.
P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Biologica, vol.1 e 2, Zanichelli, Bologna, 2008
P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica, quinta edizione italiana, Zanichelli, Bologna, 2012.
P. W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, Bologna, 2000

Metodi didattici


Le attività didattiche saranno condotte principalmente attraverso lezioni frontali il più possibile interattive con l’ausilio di presentazioni ppt a computer, a disposizione degli studenti sulla piattaforma Elly prima delle lezioni stesse. Le slides costituiscono parte integrante del materiale didattico. Sarà privilegiato il confronto dialogico con gli studenti per verificare il livello di comprensione ed apprendimento. Durante il corso sono previste esercitazioni numeriche e “question time” per ottimizzare il livello di comprensione degli argomenti trattati.

Modalità verifica apprendimento

Per accertare il raggiungimento degli obiettivi previsti, durante il corso sono effettuate 3 prove scritte in itinere, a cadenza mensile, il cui esito positivo (voto medio minimo 18/30 con nessuna prova al di sotto dei 16/30) comporta il superamento dell’esame. I risultati delle prove in itinere, espressi in trentesimi, sono pubblicati sulla piattaforma Elly. In alternativa, l’esame consiste di un’unica prova scritta su tutto il programma durante le regolari sessioni di esame. Per completare sia ciascun test che la prova finale, gli studenti hanno a disposizione due ore. Le prove scritte in itinere, come pure la prova scritta finale, consistono di domande aperte e soluzione di problemi, volte ad accertare se lo studente ha raggiunto l’obiettivo della conoscenza e della comprensione dei contenuti, se è in grado di applicare e comunicare le conoscenze acquisite che dovranno permettergli di affrontare gli studi successivi con un alto grado di autonomia. Gli studenti possono visionare gli elaborati corretti dei test in itinere e d'esame previo appuntamento col docente.

Altre informazioni

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