CHIMICA FISICA

Crediti: 
9
Settore scientifico disciplinare: 
CHIMICA FISICA (CHIM/02)
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

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.
Risultati dell’apprendimento:
lo studente, al termine del corso, utilizzando 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.

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

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

Durante le lezioni frontali, condotte con l’ausilio di presentazioni ppt a computer, a disposizione degli studenti sul sito del corso di laurea prima delle lezioni stesse, saranno discusse le problematiche generali connesse all’applicazione dei modelli chimico fisici ai sistemi biologici e biochimici ed ai farmaci. 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 previste 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. 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 soluzione di
problemi, volti ad accertare se lo studente ha raggiunto l’obiettivo della conoscenza e della comprensione dei contenuti e se è in grado di applicare le conoscenze acquisite.