Codice insegnamento

4S00097

Crediti

6

Coordinatore

Adolfo Speghini

Lingua di erogazione

Italiano

Settore Scientifico Disciplinare (SSD)

CHIM/02 - CHIMICA FISICA

Moodle Seminari 0

L'insegnamento è organizzato come segue:

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 illustrati dei casi esemplificativi 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. Entropia ed energia libera di mescolamento per miscele gassose.
Potenziale chimico dei componenti di soluzioni ideali e reali. Energia libera di mescolamento per fluidi ideali.
Energia libera di reazione. Equilibrio e costante di equilibrio. Variazione della costante di equilibrio con la temperatura.

Cinetica chimica.
Velocità delle reazioni chimiche. Legge cinetica e ordine di reazione. Equazione di Arrhenius. Stato di transizione ed energia di attivazione. Determinazione delle leggi cinetiche.
Avvicinamento all'equilibrio e rilassamento. Meccanismi di reazione. Reazioni consecutive. Approssimazione dello stato stazionario. Pre-equilibrio. Rate Determining Step. Reazioni chimiche controllate dalla diffusione o dall'attivazione. Controllo cinetico e termodinamico di una reazione chimica.

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. Spin. Principio di esclusione di Pauli.
Legame di valenza e orbitali molecolari. Spettroscopia elettronica nelle regioni UV e visibile. Dicroismo circolare. Decadimento degli stati eccitati. Transizioni radiative e non-radiative. Fluorescenza e quenching. Fosforescenza. Spettroscopia vibrazionale.
Principi di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR).
Cenni alla distribuzione di Boltzmann.

Colloidi.
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) Spettrometro FTIR e interpretazione di spettri infrarossi di semplici molecole. Spettrometro NMR e interpretazione di spettri NMR di semplici molecole. Strumentazione DLS per misura del diametro idrodinamico e potenziale Zeta di colloidi.

Bibliografia

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.