Corso di Laurea in Biotecnologie

Il corso intende fornire conoscenze chimico-fisiche  di base atte ad interpretare e prevedere il comportamento, in termini termodinamici e cinetici, di sistemi di interesse chimico (inclusi gli ambienti di reazione) e biochimico. In una seconda parte viene evidenziata la comune base quantistica delle principali tecniche spettroscopiche, con particolare riferimento a quelle elettroniche (incluso il decadimento radiativo) e vibrazionali, di cui si illustreranno le principali caratteristiche e l'utilizzo. 

1. Conoscenza e capacità di comprensione

• Acquisire una solida comprensione dei principi fondamentali della termodinamica classica e della cinetica chimica ed enzimatica, inclusi il contesto storico, le leggi dei gas, i principi della conservazione dell’energia, l’entropia, l’equilibrio chimico, le principali cinetiche di reazione.

• Comprendere la giustificazione e l’importanza dell’approccio misto macro- e microscopico nello studio dei sistemi termodinamici.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione

• Saper applicare le leggi e i principi della termodinamica e della cinetica chimica per risolvere problemi riguardanti sistemi chiusi, aperti e isolati, calcolare lavoro, calore, entalpia, entropia e energia libera di Gibbs in diversi contesti.

• Utilizzare diagrammi PVT, equazioni di stato e relazioni termodinamiche per l’analisi di miscele di gas e soluzioni, e per la determinazione delle proprietà delle sostanze pure e miscele.

• Saper interpretare dati sperimentali relativi a calori di reazione, capacità termiche, costanti di equilibrio e costanti cinetiche, analisi spettroscopiche di base.

3. Autonomia di giudizio

• Sviluppare la capacità di valutare criticamente le ipotesi e i modelli termodinamici e cinetici, riconoscendo limiti e ambiti di applicazione.

• Analizzare e interpretare fenomeni di equilibrio e di non equilibrio, processi spontanei e irreversibili, anche in relazione all’efficienza energetica e alla dissipazione.

• Formulare giudizi autonomi sulla validità dei dati sperimentali e sulla scelta delle tecniche analitiche più appropriate.

4. Abilità comunicative

• Comunicare con chiarezza e rigore i concetti fondamentali della termodinamica, della cinetica chimica e della spettroscopia, sia in forma scritta che orale, utilizzando il linguaggio tecnico appropriato.

• Presentare e discutere risultati di calcoli, esperimenti e analisi di dati, anche attraverso l’uso di grafici, diagrammi e relazioni tecniche.

5. Capacità di apprendimento

• Sviluppare capacità di apprendimento autonomo, utili per affrontare lo studio di discipline avanzate di chimica fisica e biochimica.

• Acquisire strumenti concettuali e metodologici per aggiornare e approfondire in modo indipendente le proprie conoscenze, anche in vista di attività di ricerca o professionali in ambito scientifico e tecnologico.

1. Termodinamica Classica: inquadramento storico e suo svilupp. Giustificazione dell’approccio misto, macro- e micro-scopico, utilizzato nel corso.
2. Stati della materia. Lo stato gassoso: la legge dei gas perfetti e l’equazione di Van der Waals per i gas reali. Diagrammi PVT. Miscele di gas: frazioni molari, volume e pressione parziali.
3. Concetti base: (a) sistemi (chiusi, aperti, isolati, ecc.) e grandezze termodinamiche (intensive ed estensive), (b) lavoro di espansione di un gas (finito ed infinitesimo), (c) calore ed energia (definizione e misura).
4. Il Principio Zeresimo: temperatura e sua misura.
5. Il Primo Principio e la conservazione dell’energia: energia interna. Calori di reazione (combustione) a volume costante e loro misura sperimentale. Funzioni termodinamiche e funzioni di stato. Perché calore e lavoro non sono funzioni di stato: dimostrazione “fenomenologica”..
6. Trasformazioni  a P costante: entalpia. Termochimica: misura sperimentale dei calori di reazione, entalpie standard e loro variazioni, equazioni termochimiche. Legge di Hess: enunciazione ed esempi di applicazione.  Calori di soluzione. Dipendenza di H da T: capacità termica e calore specifico, legge di Kirchhoff. Trasformazioni reversibili ed irreversibili e rendimento in termini di calore e lavoro. Energia interna ed entalpia come funzioni di più variabili: dipendenza di U da V e T, e di H da P e T. Calore specifico a P e a V costante. Differenziali esatti e non esatti.
7. Processi spontanei. Rendimento di una macchina termica e dissipazione dell’energia. L’entropia. Variazioni di entropia associate a cambiamenti di fase, di volume e al mescolamento. Il II Principio. Entropia, disordine e probabilità.
8. Il III principio. Entropia standard e sua misura. Entropia delle reazioni chimiche. Energia libera di Gibbs. Spontaneità di una reazione chimica.  Dipendenza di G da P e T. Forme differenziali delle equazioni termodinamiche.
9. Le  miscele e le loro proprietà. Leggi di Raoult ed Henry. Il potenziale chimico. Forme generali delle equazioni termodinamiche fondamentali. Dipendenza del potenziale chimico da P, T e concentrazione. Diffusione e osmosi. La pressione osmotica e la sua importanza in ambito biologico.
10. Termodinamica  ed equilibrio chimico. Costante termodinamica di equilibrio. Equilibrio e temperatura: Eq. di Van’t Hoff.
11. Cinetica chimica. Velocità ed ordine di reazione. Legge cinetica e sua integrazione. Determinazione dell’ordine di reazione e della costante cinetica. Velocità di reazione e temperatura: equazione di Arrhenius e suo significato. Importanza degli stati di transizione. Cenni sui catalizzatori eterogenei. Relazione tra costante di equilibrio e costante cinetica. Meccanismi di reazione, con particolare riferimento alle reazioni in serie. Enzimi: struttura e meccanismi di azione. Il meccanismo di Michaelis-Menten.      Diagramma di Lineweaver.
12. Introduzione alla spettroscopia. Basi chimico-fisico, spettro elettromagnetico e tecniche spettroscopiche. Aspetti pratici ed analitici. Spettroscopia elettronica:  cromofori e loro caratteristiche spettroscopiche. Meccanismi di decadimento: fluorescenza e fosforescenza. Spettroscopia e microscopia in fluorescenza. Cenni su altri tipi di spettroscopie: vibrazionali (IR e Raman), EPR ed NMR.

L'esame è scritto e comprende:

• una domanda a risposta aperta di tipo teorico;
• un esercizio;
• quiz a risposta multipla di tipo V/F

Il tempo massimo previsto per lo svolgimento del compito d'esame è pari a 2 ore.

Sono previste attività (facoltative e comunque subordinate alla disponibilità di un esercitatore) dedicate ad esercitazioni numeriche e a simulazioni o correzione delle prove di esame, da svolgersi al di fuori delle ore di lezione e in aggiunta ad esse (mediamente 6-8 ore in momenti da concordare con gli studenti).

Come testo di riferimento (anche se sovradimensionato rispetto agli argomenti trattati a lezione) si consiglia la "Chimica Fisica Biologica, vol. I" di Atkins e De Paula (Zanichelli), in una qualsiasi edizione (anche non recentissima) e in lingua italiana o inglese.

Una buona base per la preparazione dell'esame sono le diapositive/dispense proiettate a lezione, reperibili in anticipo sulle lezioni sul sito dell'insegnamento.