Obiettivi formativi
<br />E¿ obiettivo del corso stabilire e sviluppare i principi atti a spiegare ed a interpretare le reazioni e le trasformazioni chimiche, tramite l¿impiego di "modelli", peculiarità della Chimica Fisica. Lo studente dovrà acquisire nozioni fondamentali e rigorose di termodinamica classica, statistica e di nonequilibrio, di quantomeccanica, spettroscopia e cinetica, con particolare riferimento allo studio e all¿interpretazione dei processi biologici e biochimici.
Prerequisiti
Gli studenti devono aver seguito i corsi di Matematica, Fisica, Chimica Generale ed Inorganica. Il superamento dei relativi esami è propedeutico all'esame di Chimica Fisica
Contenuti dell'insegnamento
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1. <strong>Termodinamica classica applicata a sistemi chimici e biologici con elementi di termodinamica statis</strong>tica<br />
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.<br />
2. <strong>Equilibri di fase nelle sostanze pure</strong><br />
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.<br />
3. <strong>Proprietà termodinamiche delle soluzioni e loro applicazioni</strong><br />
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. <br />
4. <strong>Equilibrio in una reazione chimica</strong><br />
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.<br />
5. <strong>Elettrochimica<br />
</strong>Celle elettrochimiche. Elettrodi. Equazione di Nernst. Potenziali normali. Il potenziometro. Pile di concentrazione. Lo stimolo nervoso.<br />
6. <strong>Bioenergetica<br />
</strong>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.<br />
7. <strong>Termodinamica di non-equilibrio e fenomeni di trasporto</strong><br />
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.<br />
8. <strong>Cinetica<br />
</strong>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.<br />
9. <strong>Forze intermolecolari</strong>: <br />
Legami di Van der Waals. Dipoli permanenti e indotti. Energia potenziale. Legame di idrogeno. Interazioni idrofobiche. Coefficiente di ripartizione.<br />
10. <strong>Sistemi colloidali, interfasi e biopolimeri</strong><br />
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.<br />
11. <strong>Quantomeccanica<br />
</strong>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.<br />
12. <strong>Spettroscopia<br />
</strong>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.
Programma esteso
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Bibliografia
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P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica, quarta edizione italiana, Zanichelli, Bologna, 2004.</p>
<p>P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Biologica, prima edizione italiana, Zanichelli, Bologna, 2008</p>
<p><br />
P. W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, Bologna, 2000</p>
<p><br />
Laidler, Meiser, Chimica Fisica, Editoriale Grasso, Bologna, 1999 </p>
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Metodi didattici
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<strong>Metodologie di insegnamento</strong>: lezioni frontali con l’ausilio di lucidi e/o presentazioni a computer, a disposizione degli studenti prima delle lezioni stesse. <br />
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<strong>Modalità d'esame</strong>: Durante il corso sono previste 3 prove scritte in itinere, a cadenza mensile, il cui esito positivo comporta il superamento dell’esame. In alternativa, l’esame è scritto, con possibilità di verifica orale.
Modalità verifica apprendimento
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Altre informazioni
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