Il corso è finalizzato all’acquisizione dei principi teorici e applicativi della chimica fisica. Lo scopo del corso è quello di fornire agli studenti gli strumenti per la comprensione della chimica fisica che studia le proprietà della materia attraverso la termodinamica e la cinetica delle reazioni, tramite le grandezze ad esse associate.

Misure e grandezze (ripasso)

Lo stato gassoso: equazione di stato, gas ideali, leggi dei gas, gas reali. Trasformazione isoterma, pressione parziale, frazione molare.

Energia, lavoro, lavoro reversibile e di espansione, calore, capacità termica, energia interna, capacità termica a volume costante.

Primo principio della termodinamica, entalpia, capacità termica a pressione costante e volume costante, entalpia molare, lo stato standard, trasformazioni nei gas ideali (isobara, isocora, isoterma, adiabatica), concetto di fase.

Entropia e secondo principio della termodinamica (enunciati di Clausius e Kelvin), variazioni di entropia e variazioni di pressione, volume e temperatura per un gas perfetto, entropia molare assoluta, terzo principio della termodinamica, entropia associata ad una transizione di fase, variazione di entropia dell'ambiente, energia di Gibbs, lavoro non espansivo massimo, spontaneità di una reazione, termodinamica degli esseri viventi, energia di Gibbs per l'assemblaggio di proteine, termodinamica delle interazioni idrofobiche, formazione di micelle e concentrazione micellare critica.

Trasformazioni fisiche, transizioni di fase e variazioni di stato, energia di Gibbs molare per un gas perfetto, variazione dell’energia di Gibbs al variare della pressione, e della temperatura.

Diagrammi di fase, pressione di vapore, confini di fase, equazioni Clapeyron e Clausius-Clapeyron, dipendenza della pressione di vapore dalla temperatura, punti caratteristici di un diagramma di fase, diagrammi di fase (anidride carbonica, acqua, elio), regola delle fasi, diagrammi di fase delle miscele, distillazione, distillazione frazionata, azeotropi.

Quantità parziali molari, potenziale chimico, miscelamento spontaneo, soluzioni ideali, legge di Raoult, legge di Henry, il potenziale chimico del solvente e del soluto, coefficienti di attività, soluti ionici, ioni e sali, coefficienti di attività medi, teoria di Debye Hückel (cenni), trasporto ioni attraverso la membrana cellulare, le celle elettrochimiche, il potenziale di cella.

Le proprietà colligative(ipotesi di base), effetto delle proprietà colligative (giustificazioni termodinamiche),  abbassamento del punto di congelamento, innalzamento del punto di ebollizione, pressione osmotica, l’equazione di van’t Hoff, pressione osmotica nella cellula, osmosi inversa.

Miscele di reazione (reagenti e prodotti), variazione dell’energia di Gibbs con la composizione, reazioni all’equilibrio (la costante di equilibrio), spontaneità termodinamica di una reazione, l’energia di Gibbs di reazione standard, energia di Gibbs di formazione standard, effetto delle condizioni sull'equilibrio. Effetto della temperatura sulle condizioni di equilibrio (Equazone di van't Hoff.

Cinetica chimica, le leggi cinetiche, velocità di una reazione, la velocità istantanea, la costante cinetica, ordine di una reazione chimica, determinazione delle leggi cinetiche, leggi cinetiche integrate e diagrammi relativi, ordine zero, cinetiche del primo e secondo ordine, il tempo di dimezzamento. Cinetica seconda parte. Dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura, equazione di Arrhenius, relazione tra energia di attivazione e costante cinetica, la teoria degli urti nelle reazioni in fase gassosa, formazione dei prodotti in una reazione. I meccanismi di reazione (razionalizzazione delle leggi cinetiche), approssimazione allo stadio lento, modello delle reazioni consecutive, modello del pre-equilibrio, modello dell'approssimazione allo stato stazionario, lo stadio cineticamente determinante.

Catalisi e il concetto di catalizzatore, enzimi e loro caratteristiche, interazione sito attivo-substrato, teoria dello stato di transizione, catalisi omogena, catalisi enzimatica, meccanismo di Michealis-Menten, inibizione enzimatica competitiva e non competitiva. Catalisi eterogenea, fisisorbimento e chemisorbimento, isoterma di adsorbimento (isoterma di Langmuir).

La teoria quantistica, caratteristiche di un'onda, le onde elettromagnetiche, concetto di materia, interazione onde elettromagnetiche e materia, l'effetto fotoelettrico, il concetto di fotone e di quanto. Natura ondulatoria della materia, fnzione d'onda, equazione di Schrödinger, interpretazione di Born, principio di indeterminazione di Heisenberg. Applicazioni della teoria quantistica, moti molacolari (traslazionale vibrazionale e rotazionale), la particella nella scatola, l'effetto tunnel, atomi idrogenoidi, gli orbitali atomici, il concetto di spin, il principio di Pauli.

Metodi di indagine chimica, metodi basati sulla microscopia (cenni: microscopio a scansione a effetto tunnel, microscopia di forza atomica). Spettroscopia molecolare, descrizione di uno spettrometro e sue componenti (cenni), concetto di assorbimento ed emissione di una radiazione elettromagnetica. Spettroscopia vibrazionale (infrarossa) e rotazionale (microonde), spettroscopia Raman, fluorescenza, fosforescenza, quenching.

Spettroscopia elettronica, il legame chimico, concetto di molecola, orbitali molecolari, livelli energetici, lo stato fondamentale, le transizioni elettroniche, orbitali di frontiera. Spettroscopia UV-Vis, caratteristiche dell'assorbimento, schema di uno spettrofotometro, concetto di trasmittanza e assorbanza, legge di Lambert-Beer e suoi limiti. Applicazioni spettroscopia UV-Vis.

La risonanza magnetica nucleare NMR (concetti base),  spin nucleare e condizione di risonanza, concetto di chemical shift. Risonanza paramagnetica elettronica (EPR), origine del segnale paramagnetico configurzione base di uno spettrometro EPR, struttura iperfine, sistemi studiati attraverso la risonanza paramagentica eletronica, utilizzo dei radicali nitrossido, esempi di sistemi studiati attraverso i radicali nitrossido (oli alimentari, creme cosmetiche). 

Si consiglia di aver sostenuto gli esami di: Matematica, Fisica, Chimica Generale

D1- CONOSCENZA E CAPACITA' DI COMPRENSIONE: Lo studente dovrà dimostrare di conoscere i principi della termodinamica e delle sue applicazioni ai sistemi studiati durante il corso, e dovrà aver compreso le leggi cinetiche che governano le velocità delle reazioni.

D2-CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE: Lo studente dovrà dimostrare di saper applicare le conoscenze apprese durante il corso e sviluppate attraverso la risoluzione di esercizi guidati, per risolvere in autonomia problemi di termodinamica applicata a sistemi di diversa natura compresi quelli biologici.

D3-AUTONOMIA DI GIUDIZIO: Lo studente dovrà avere acquisito conoscenze tali da permettergli di individuare metodologie che permettano di conoscere i processi chimico-fisici, compresi quelli che possono essere applicati a sistemi biologici.

D4-ABILITA' COMUNICATIVE: Lo studente dovrà dimostrare di saper riportare con chiarezza i principiali argomenti svolti nel corso. Lo studente dovrà avere la capacità di trasmettere le conoscenze acquisite in modo chiaro e comprensibile ed accessibili a persone non competenti.

D5-CAPACITA' DI APPRENDIMENTO Lo studente dovrà essere in grado di comprendere autonomamente testi scientifici e di saper risolvere problemi pratici legati alle tematiche affrontate nel corso.

Il materiale didattico predisposto dalla/dal docente in aggiunta ai testi consigliati (come ad esempio diapositive, dispense, esercizi, bibliografia) e le comunicazioni della/del docente specifiche per l'insegnamento sono reperibili all'interno della piattaforma Moodle › blended.uniurb.it

Modalità didattiche

Lezioni frontali

Testi di studio

Autori: Peter William Atkins, Julio de Paula

Titolo: Elementi di chimica fisica

Quarta edizione italiana condotta sulla settima edizione inglese

ISBN: 9788808220684

Modalità di
accertamento

La prova di accertamento consiste in una prova scritta composta da 5 domande di cui 3 sono esercizi numerici e 2 sono domande di teoria alle quali rispondere in forma scritta. I 3 esercizi saranno esercizi numerici che rispecchiano quelli svolti durante le lezioni. Gli esercizi numerici saranno su parte del programma cioè dall’inizio, alle proprietà colligative comprese. Le 2 domande che riguardano la teoria, potranno essere su tutto il programma, ponendo attenzione alle dimostrazioni che sono state affrontate durante il corso. Sarà importante dimostrare, soprattutto per le risposte alle domande di teoria, di aver compreso gli aspetti di cui si tratta. Sarà quindi necessario argomentare le parte teorica e quella riguardante le dimostrazioni, con linguaggio adeguato e comprensibile.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.

Testi di studio

Autori: Peter William Atkins, Julio de Paula

Titolo: Elementi di chimica fisica

Quarta edizione italiana condotta sulla settima edizione inglese

ISBN: 9788808220684

Modalità di
accertamento

La prova di accertamento consiste in una prova scritta composta da 5 esercizi. 3 esercizi saranno esercizi numerici che rispecchiano quelli svolti durante le lezioni. Gli esercizi numerici saranno su parte del programma cioè dall’inizio alle proprietà colligative comprese. I 2 esercizi che riguardano la teoria, potranno essere su tutto il programma, ponendo attenzione alle dimostrazioni che sono state affrontate durante il corso. Sarà importante dimostrare, soprattutto sugli esercizi di teoria, di aver compreso gli aspetti di cui si tratta. Sarà quindi necessario argomentare le parte teorica e quella riguardante le dimostrazioni, con linguaggio adeguato e comprensibile.

Disabilità e DSA

Le studentesse e gli studenti che hanno registrato la certificazione di disabilità o la certificazione di DSA presso l'Ufficio Inclusione e diritto allo studio, possono chiedere di utilizzare le mappe concettuali (per parole chiave) durante la prova di esame.

A tal fine, è necessario inviare le mappe, due settimane prima dell’appello di esame, alla o al docente del corso, che ne verificherà la coerenza con le indicazioni delle linee guida di ateneo e potrà chiederne la modifica.