Chimica fisica (2020/2021)



Codice insegnamento
4S00097
Crediti
6
Coordinatore
Adolfo Speghini
Settore disciplinare
CHIM/02 - CHIMICA FISICA
Lingua di erogazione
Italiano
L'insegnamento è organizzato come segue:
Attività Crediti Periodo Docenti Orario
teoria 5 II semestre Adolfo Speghini

Vai all'orario delle lezioni

laboratorio [1° turno] 1 II semestre Adolfo Speghini

Vai all'orario delle lezioni

laboratorio [2° turno] 1 II semestre Adolfo Speghini

Vai all'orario delle lezioni

Obiettivi formativi

TEORIA: il Corso di propone di fornire allo studente gli strumenti fondamentali per comprendere ed interpretare fenomeni Chimico-Fisici riguardanti sistemi di interesse biologico e biotecnologico, anche attraverso l’impiego di modelli teorici. Lo studente acquisirà la capacità di applicare concetti chimico-fisici a processi reali allo scopo di quantificare osservabili, di tipo termodinamico, di trasporto, cinetico e spettroscopico. Verranno inoltre trattati e risolti degli esercizi riguardanti vari aspetti chimico-fisici per far acquisire familiarità nella soluzione di problemi reali. LABORATORIO: il corso prevede anche alcune esperienze pratiche di laboratorio per fornire manualità e capacità critica nell'affrontare problematiche reali chimico-fisiche, oltre che a fornire nozioni su metodiche e attrezzature moderne per la misura di variabili termodinamiche, costanti cinetiche, nonché per studiare proprietà elettroniche e vibrazionali di molecole, in particolare di interesse biologico.

Programma

PARTE TEORICA

Termodinamica.
Gas perfetti e gas reali. Richiamo ai concetti di calore e lavoro. Capacità termica.
Energia interna, entalpia e loro variazioni con la temperatura.
Entalpia di transizione di fase. Entalpia di reazione e sua variazione con la temperatura.
Entropia e sue variazioni con la temperatura. Entropia di transizione di fase. Cenni all'interpretazione statistica dell'Entropia. Entropia di reazione.
Energia libera di Gibbs e sua variazione con pressione e temperatura. Condizione di stabilità e diagrammi di fase. Definizione di potenziale chimico. Potenziale chimico dei componenti di miscele gassose e soluzioni ideali.
Energia libera di reazione e relazione con le condizioni di reazione. Condizioni di equilibrio. Variazione della costante di equilibrio con la temperatura. Energia libera di mescolamento tra fluidi ideali.
Misura di osservabili termodinamiche per processi di interesse biologico.
Termodinamica statistica: cenni alla distribuzione di Boltzmann, alle funzioni di partizione e loro correlazione con proprietà termodinamiche.

Cinetica chimica.
Richiamo alle leggi di velocità, costanti cinetiche ed equazione di Arrhenius. Stato di transizione ed energia di attivazione. Schemi di reazione: approccio all'equilibrio e metodi di rilassamento. Reazioni consecutive. Calcolo di leggi di velocità da meccanismi di reazione. Rate Determining Step. Approssimazione dello stato stazionario. Pre-equilibrio. Reazioni chimiche controllate dalla diffusione o dall'attivazione. Controllo cinetico e termodinamico di una reazione chimica.
Determinazione della legge cinetica. Metodo dell'isolamento e delle velocità iniziali.

Struttura energetica atomica e molecolare. Spettroscopie molecolari.
Cenni alla teoria quantistica. Particelle in sistemi confinati. Oscillatore armonico e modi vibrazionali molecolari.
Struttura atomica. Atomi idrogenoidi. Funzioni di spin. Principio di esclusione di Pauli.
Teorie del legame di valenza e degli orbitali molecolari. Livelli energetici e orbitali molecolari per molecole biatomiche. Approssimazione LCAO. Cenni ai livelli energetici per molecole poliatomiche.
Transizioni spettroscopiche nelle regioni spettrali dell'ultravioletto, del visibile e dell'infrarosso. Dicroismo circolare. Decadimento degli stati eccitati. Transizioni radiative e non radiative. Fluorescenza e fosforescenza. Quenching della fluorescenza.
Principi di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR).
Applicazioni della spettroscopia per l'analisi della struttura energetica di molecole di interesse biologico.

Sistemi colloidali.
Dispersioni colloidali e loro stabilità. Esempi di colloidi di importanza biologica. Cenni a sistemi nanostrutturati.
Diametro idrodinamico e potenziale Zeta di colloidi e loro misura con metodo Dynamic Light Scattering (DLS).


ESPERIENZE DI LABORATORIO

1) Valutazione di capacità termica di un calorimetro ed entalpia di reazione per una reazione di neutralizzazione mediante misure calorimetriche.

2) Determinazione dei parametri cinetici per la reazione tra acqua ossigenata e ioni ioduro in ambiente acido.

3) studio delle transizioni spettroscopiche della fluoresceina nel visibile mediante misura e analisi degli spettri di assorbimento e fluorescenza; indagine sullo spegnimento della fluorescenza della fluorescina con lo ione ioduro e sul relativo meccanismo.

4) studio delle proprietà vibrazionali di semplici molecole organiche mediante spettroscopia Raman; misura e interpretazione di spettri NMR di semplici molecole organiche; misura di raggio idrodinamico e potenziale Zeta per macromolecole e per nanoparticelle; studio delle proprietà dicroiche di macromolecole.

Modalità d'esame

La prova d'esame sarà orale, comprendente domande su argomenti dell'Insegnamento sulla parte teorica, sugli esempi ed esercizi considerati e sulle esperienze di laboratorio, finalizzata ad accertare la conoscenza dello studente sui relativi contenuti. Particolare attenzione sarà rivolta alla padronanza dei concetti della Chimica Fisica, delle metodiche, degli strumenti e delle tecniche usate nelle esperienze di laboratorio.
Per entrambi gli studenti frequentanti e non frequentanti l'esame verterà su tutti gli argomenti della parte teorica, sugli esempi ed esercizi considerati e la parte sulle esperienze di laboratorio.
Per la parte di laboratorio è richiesto un elaborato scritto riguardante le metodiche e i risultati ottenuti durante le esperienze, che dovrà essere caricato sulla piattaforma Moodle alla fine dell'esperienza di laboratorio.

Testi di riferimento
Attività Autore Titolo Casa editrice Anno ISBN Note
teoria Peter Atkins, Julio de Paula, James Keeler Chimica Fisica (Edizione 6) Zanichelli 2020 9788808620521
teoria Peter Atkins, Julio de Paula Elementi di Chimica Fisica (Edizione 4) Zanichelli 2018 9788808220684
teoria Thomas Engel Philip Reid Physical Chemistry: Quantum Chemistry and Spectroscopy (Edizione 4) Pearson 2019 9780134804590
teoria Thomas Engel, Philip Reid Physical Chemistry: Thermodynamics, Statistical Thermodynamics, and Kinetics (Edizione 4) Pearson 2019 9780134804583
laboratorio Speghini Adolfo Dispense per esercitazioni di laboratorio di Chimica Fisica (Edizione 1) 2019