Chimica fisica II (2008/2009)

Corso a esaurimento

Codice insegnamento
4S00197
Crediti
5
Coordinatore
Ugo Luigi Monaco
L'insegnamento è organizzato come segue:
Modulo Crediti Settore disciplinare Periodo Docenti
Teoria 4 CHIM/02-CHIMICA FISICA 1° Sem Ugo Luigi Monaco
Laboratorio 1 CHIM/02-CHIMICA FISICA 1° Sem Massimiliano Perduca

Obiettivi formativi

Modulo: Teoria
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Il corso di Chimica Fisica II per la Laurea Biennale specialistica in Biotecnologie Molecolari ed Industriali si propone lo sviluppo delle capacità necessarie per una descrizione quantitativa delle proprietà delle molecole, soprattutto di quelle d’interesse per il biologo. Dopo un’introduzione ai fondamenti della Meccanica Quantistica e di nozioni generali sulle tecniche spettroscopiche vengono introdotti gli elementi basilari della Termodinamica Statistica, essenziali per la comprensione delle relazioni esistenti fra il mondo macroscopico e il mondo delle molecole. Al trattamento teorico si affianca un laboratorio che si caratterizza per dare agli studenti ampi margini di libertà nella preparazione degli esperimenti.


Modulo: Laboratorio
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Il corso di Chimica Fisica II per la Laurea Biennale specialistica in Biotecnologie Molecolari ed Industriali si propone lo sviluppo delle capacità necessarie per una descrizione quantitativa delle proprietà delle molecole, soprattutto di quelle d’interesse per il biologo. Il laboratorio didattico, che si caratterizza per dare agli studenti ampi margini di libertà nella preparazione degli esperimenti, permette la trasposizione della teoria imparata a lezione nella pratica del lavoro quotidiano in un laboratorio di ricerca.

Programma

Modulo: Teoria
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Meccanica Quantistica : Principi di Meccanica Quantistica: onde particelle e quanti. Teoria di Planck del corpo nero. Teoria di Einstein del effetto fotoelettrico. Atomo di Bohr. Spettro dell’atomo di idrogeno. Formula di Rydberg. Spiegazione. Postulato di de Broglie. Microscopio elettronico. Equazione di Schroedinger. Funzione d’onda. Significato fisico. Probabilità e principio di indeterminazione di Heisenberg. Significato fisico dell’equazione di Schroedinger. Operatori. Autovalori e autofunzioni. Significato fisico dell’energia. Particella in una scatola Risoluzione dell’equazione di Schroedinger. Funzione d’onda. Principi che possono applicarsi ad altri problemi. Oscillatore armonico. Trattamento classico. Energie permesse. Esempi. Risoluzione dell’equazione di Schroedinger dell’oscillatore armonico. Molecole diatomiche. Potenziale di Morse. Significato fisico. Il rotore rigido. Trattamento classico. Significato fisico delle soluzioni. Equazione di Schroedinger in coordinate sferiche. Risoluzione dell’equazione di Schroedinger del rotore rigido. Separazione delle dipendenze angolari. Equazioni associate di Legendre. Uso del modello nella determinazione delle lunghezze di legame. Funzioni d’onda dell’atomo di idrogeno. Orbitali atomici. Risoluzione dell’equazione di Schroedinger. Energia e funzione d’onda. Numeri quantici. Funzioni d’onda idrogenoidi. Forma degli orbitali atomici. Uso di queste funzioni d’onda. Momento angolare. Legame chimico. Perchè si forma il legame covalente. Ruolo dell’energia potenziale e cinetica. Principio variazionale. Equazioni secolari. Applicazioni del metodo LCAO (combinazioni lineari degli orbitali atomici) alle molecole diatomiche. Orbitali leganti e antileganti. Funzioni d’onda ed energia. Significato fisico degli integrali di sovrapposizione, di risonanza e di Coulomb. Orbitali molecolari delle molecole diatomiche. Livelli di Energia. Configurazione elettronica delle molecole. Regole di Hund. Legami doppi e tripli. Molecole diatomiche eteronucleari. Molecole poliatomiche. Ibridizzazione. Elettroni non leganti. Geometria degli orbitali. Esempio: il legame peptidico. Momento dipolare. Definizione e unità di misura. Momento dipolare indotto. Polarizzabilità. Equazione di Debye. Forze non covalenti. Curva potenziale. Origine delle forze di attrazione e repulsione. Elio. Raggi di Van der Waals. Significato fisico.


Introduzione alla Spettroscopia: Interazione della luce con la materia. Panorama generale. Legge di Lambert-Beer. Diffusione della luce. Diffusione Rayleigh, Brillouin e Raman. Riflessione e rifrazione. Fluorescenza e fosforescenza. Dicroismo circolare. Livelli di energia tipici di una molecola. Lo spettro elettromagnetico. Interazione di una soluzione di emoglobina con luce di tutte le frequenze possibili dello spettro elettromagnetico. Coefficiente di estinzione e indice di rifrazione. Descrizione classica di assorbimento e dispersione. Risonanza. Risonanza di un elettrone in presenza di luce. Le due polarizzabilità. Significato fisico. Relazione con il coefficiente di estinzione e l’indice di rifrazione. Descrizione quantomeccanica dell’assorbimento de energia elettromagnetica. Momento dipolare delle transizioni. Regole di selezione. Transizioni senza radiazione.


Termodinamica Statistica: Introduzione. Entropia e degenerazione. Numero di configurazioni. Calcolo di  e di S. Probabilità degli stati quantici. Derivazione della funzione di distribuzione di Boltzmann. Calcolo dell’energia totale. Funzione di ripartizione molecolare. Degenerazione e funzione di ripartizione. Energia delle particelle nella scatola. Energia degli oscillatori armonici. Energia dei rotori rigidi. Principio classico dell’equipartizione dell’energia. Effetti quantomeccanici sull’energia e capacità termica. Capacità termica di cristalli e proteine. Interpretazione della termodinamica statistica del calore e del lavoro. Interpretazione dell’entropia. Funzione di ripartizione del sistema: relazione con la funzione di ripartizione molecolare.Funzione di ripartizione di particelle indistinguibili. Dipendenza dell’energia libera di un gas con la concentrazione. Calcolo della probabilità di stati molecolari complessi. Applicazioni biologiche. Stati di una molecola di DNA circolare. Acidi poliprotici. Conformazione di polimeri flessibili. Il cammino aleatorio monodimensionale e tridimensionale. Modelli dei polimeri flessibili. Polimeri di flessibilità limitata. Rapporto caratteristico di Flory. Teoria di Kuhn. Effetto del volume escluso.


Modulo: Laboratorio
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Il laboratorio didattico di Chimica Fisica II si compone di sei giornate durante le quali verranno preparati i reagenti necessari e espletati tre tipi di esperimenti:

1) Calorimetria in soluzione: studio dell’entalpia di trasferimento dei protoni alla glicina.
2) Spettrofotometria: determinazione della costante di dissociazione di una sostanza.
3) Cinetica enzimatica: determinazione dell'energia di attivazione di una reazione di idrolisi catalizzata da un enzima e da un acido.

Durante l'ultima giornata, con l'ausilio dei mezzi informatici presenti nel Laboratorio di Chimica Fisica, si procederà al trattamento e all'elaborazione dei dati raccolti durante gli esperimenti, utili per la preparazione della relazione finale.

Modalità d'esame

Modulo: Teoria
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Scritto e orale


Modulo: Laboratorio
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Consegna di una relazione dettagliata sull'attività svolta durante i laboratori didattici, propedeutica allo svolgimento dell'esame orale di Chimica Fisica II.