Obiettivi formativi
Come risultato dell’apprendimento, lo studente, al termine del corso, utilizzando anche le conoscenze di chimica generale, fisica e matematica precedentemente acquisite, dovrà dimostrare conoscenze rigorose e capacità di comprensione 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 quantomeccanica come fondamento della spettroscopia e della chimica farmaceutica computazionale.
Dovrà inoltre essere in grado di usare il linguaggio specifico e la corretta terminologia di questa disciplina per presentare i vari argomenti anche a persone non esperte sia oralmente che tramite elaborati scritti.
Prerequisiti
Conoscenze di Chimica Generale, Matematica e Fisica.
Contenuti dell'insegnamento
E’ obiettivo del corso la conoscenza e la comprensione dei principi atti a spiegare ed a interpretare i processi fisici e la 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 comprensione acquisita allo studio e all’interpretazione dei processi biologici, biochimici e farmaceutici.
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, Chimica Fisica Biologica, vol.1 e 2, Zanichelli, Bologna, 2008
P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica, quarta edizione italiana, Zanichelli, Bologna, 2004.
P. W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, Bologna, 2000
Metodi didattici
Le lezioni si svolgeranno in presenza. Buona parte delle lezioni sarà anche disponibile in modalità asincrona sulla pagina Elly del corso. Nel caso di perdurare della situazione pandemica le lezioni saranno fruibili anche a distanza in modalità sincrona via teams. 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.
Le slide su ELLY, come pure i video associati, costituiscono parte integrante del materiale didattico.
Modalità verifica apprendimento
Nel caso in cui sia possibile svolgere esami scritti in presenza, per accertare il raggiungimento degli obiettivi previsti, durante il corso sono previste 2 prove scritte in itinere, 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 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. Le prove scritte in itinere, come pure la prova scritta finale, consistono di domande aperte e soluzioni 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 d'esame corretti previo appuntamento col docente.
Nel caso di restrizioni dovute alla pandemia, le verifiche in itinere saranno somministrate da remoto sulla piattaforma ELLY con le stesse modalità
Altre informazioni
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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