CHIMICA FISICA
cod. 16582

Anno accademico 2022/23
2° anno di corso - Secondo semestre
Docente
- Carlotta COMPARI
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

OBIETTIVI FORMATIVI
Il corso si prefigge l’obbiettivo di fornire allo studente gli strumenti fondamentali per conoscere, comprendere ed interpretare, attraverso l’ impiego di "modelli", peculiarità della Chimica Fisica, i processi biologici, biochimici e farmaceutici. In particolare lo studente acquisirà la capacità di applicare la conoscenza e la comprensione di tali modelli alle trasformazioni energetiche nei sistemi biologici, all’interazione tra ligandi e macromolecole biologiche ed ai fenomeni di trasporto. Saranno trattati anche i sistemi colloidali, fondamentali nel campo dei prodotti della salute e saranno fornite le basi chimico-fisiche e le metodologie per lo studio, l’ideazione e lo sviluppo di vettori non virali, in particolare di nuovi tensioattivi cationici di potenziale impiego in gene delivery.
RISULTATI DELL’APPRENDIMENTO:
Lo studente al termine del corso dovrà aver assimilato i temi principali della chimica fisica biologica dimostrando di conoscere e comprendere le metodiche chimico fisiche appropriate in campo farmaceutico, saprà individuare ed applicare il modello adeguato al sistema in studio e ottenere i parametri termodinamici che caratterizzano il fenomeno osservato.
- Conoscenza e capacità di comprensione
Gli studenti acquisiranno una conoscenza di base dei concetti e dei modelli della chimica-fisica , impareranno a interpretare le trasformazioni che avvengono nei processi biologici e in campo farmaceutico.
- Capacità di applicare conoscenze apprese
Gli studenti sapranno applicare le conoscenze acquisite all’ analisi dei processi chimici in ambito farmaceutico con metodologie chimico-fisiche
- Abilità comunicative:
gli studenti dovranno essere in grado di utilizzare il linguaggio specifico proprio della disciplina e la terminologia corretta.
- Autonomia di giudizio
Gli studenti dovranno essere in grado di interpretare correttamente alcuni trasformazioni chimico-fisiche e saper valutare con senso critico i limiti di validità dei modelli chimico-fisici utilizzati
- Capacità di apprendimento
Applicando la conoscenza e la comprensione acquisite dovrà dimostrare di aver sviluppato abilità di problem solving.

Prerequisiti

Conoscenze di Chimica Generale, Matematica e Fisica.

Contenuti dell'insegnamento

La prima parte del corso riguarda la termodinamica classica con particolare riferimento ai sistemi biologici e alle applicazioni farmaceutiche.
La seconda parte affronta la termodinamica di non equilibrio e i fenomeni di trasporto.
Saranno trattati anche i sistemi colloidali in relazione ai sistemi farmaceutici ed alimentari

Gli studenti acquisiranno una conoscenza di base dei concetti e dei modelli della chimica-fisica.
Queste conoscenze completeranno la formazione scientifica dello studente nel campo della scienza del farmaco.

Contenuti:
• Termodinamica classica applicata a sistemi chimici, biologici e alimentari con elementi di termodinamica statistica.
• Equilibri di fase nelle sostanze pure.
• Proprietà termodinamiche delle soluzioni e loro applicazioni
• Equilibrio fra le fasi nei sistemi binari.
• Soluzioni di macromolecole.
• Equilibrio in una reazione chimica.
• Termodinamica di non equilibrio e processi di trasporto
• Bioenergetica.
• Forze intermolecolari.
• Sistemi colloidali.
• Vettori non virali per terapia genica.
• Sistemi colloidali

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.
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.

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

Il corso sarà svolto tramite lezioni frontali in presenza (in aula).
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.
Durante le lezioni orali si presenteranno i concetti fondamentali della chimica fisica con particolare enfasi alle applicazioni in campo farmaceutico. Durante il modulo sono previste esercitazioni e “question time” per ottimizzare il livello di comprensione degli argomenti trattati.

Modalità verifica apprendimento

L'accertamento del raggiungimento degli obbiettivi previsti dal corso prevede un esame scritto nelle sessioni d’esame.
Le domande saranno finalizzate alla verifica del grado di conoscenza e della comprensione dei contenuti da parte degli studenti in relazione agli obiettivi formativi previsti.
In alternativa per chi lo desidera durante il corso sono previste 2 prove scritte in itinere, il cui esito positivo comporta il superamento dell’esame.

Gli Studenti con DSA/BSE devono preventivamente contattare Le Eli-che: supporto per studenti con disabilità, D.S.A., B.E.S. (https://sea.unipr.it/it/servizi/le-eli-che-supporto-studenti-con-disabilita-dsa-bes)

Altre informazioni