CHIMICA FISICA
Prof.ssa Emilia Fisicaro
10 CFU
FINALITA'
E’ obiettivo del corso di Chimica Fisica stabilire e sviluppare i principi atti a spiegare ed a interpretare le
reazioni e le trasformazioni chimiche, tramite l’impiego di "modelli", peculiarità della Chimica Fisica. Lo
studente dovrà acquisire nozioni fondamentali e rigorose di termodinamica classica, statistica e di nonequilibrio, di quantomeccanica, spettroscopia e cinetica con particolare riferimento allo studio e
all’interpretazione dei processi biologici e biochimici.
PROGRAMMA
1) Termodinamica applicata a sistemi chimici e biologici
Principi della termodinamica. Variabili e funzioni di stato. Funzioni ausiliarie. Dipendenza delle grandezze
termodinamiche da pressione e temperatura. Alcuni esempi numerici. Significati sperimentali e molecolari
della termodinamica. Concetti introduttivi di termodinamica statistica. Funzione di partizione molecolare.
Relazioni di Maxwell. Termochimica. Calorimetria.
2) Equilibri di fase nelle sostanze pure
Diagrammi di fase. Equazione di Clapeyron e di Clausius-Clapeyron. Calorimetria differenziale a
scansione. Liquefazione dei gas e fenomeni critici. Equazione degli stati corrispondenti. Regola delle fasi.
3) Proprieta' termodinamiche delle soluzioni e loro applicazioni
Sistemi aperti e quantità molari parziali. Soluzioni ideali e soluzioni reali. Legge di Raoult e legge di
Henry. Soluzioni regolari. Funzioni eccesso. Equilibrio fra le fasi nei sistemi binari. Distillazione frazionata.
Azeotropo, eutettico, lacuna di miscibilità, formazione di composti. Diagrammi di stato composti. Il
potenziale chimico del solvente. Proprietà colligative. Soluzioni di macromolecole Interpretazione
statistica molecolare della denaturazione di una proteina. Equilibri di membrana: equilibrio di dialisi ed
effetto Donnan. Pressione osmotica nelle soluzioni di macromolecole. Determinazione del peso
molecolare. Fenomeni di trasporto: trasporto attivo e passivo.
4) Equilibrio in una reazione chimica
Condizioni di equilibrio in una reazione chimica. Energia libera e costante di equilibrio. Attività e forza
ionica. Termodinamica statistica applicata all'interpretazione degli equilibri in soluzione. La funzione n di
Bjerrum. Diagrammi di distribuzione. Curve di binding. La cooperatività.
5) Elettrochimica
Potenziali normali. Celle elettrochimiche. Elettrodi. Equazione di Nernst. Il potenziometro. Pile di
concentrazione. Lo stimolo nervoso.
6) Bioenergetica
Processi passivi e processi attivi. Pompe ioniche e sorgenti di energia. Reazioni endoergoniche.
Trasmissione dell'energia. Reazioni accoppiate. Composti ad alta energia. Scala dei potenziali di
trasferimento.
7) Termodinamica di non-equilibrio e fenomeni di trasporto
Forze e flussi. Equazioni fenomenologiche. Teorema di Curie. Teorema di Prigogine. Legge di Onsager.
La funzione dissipazione. Concetto di stato stazionario. Mobilità degli ioni in soluzione. Elettroforesi. La
diffusione e le sue leggi. Sedimentazione. Reologia.
8) Forze intermolecolari: modelli interpretativi ed energie potenziali
Legami di Van der Waals. Dipoli permanenti e indotti. Energia potenziale. Distanza di legame. Legame di
idrogeno. Manifestazioni macroscopiche delle forze di coesione. Interazioni idrofobiche. Coefficiente di
ripartizione.
9) Sistemi colloidali, interfasi e biopolimeri
Classificazione. Forze intermolecolari nei sistemi colloidali. Teoria DLVO. Interfasi solido-gas, liquido-gas,
liquido-liquido, solido-liquido. Tensione superficiale e sua determinazione. Lavoro di adesione e di
coesione. I tensioattivi: struttura e classificazione. Sistemi micellari in fase acquosa. Microemulsioni.
Emulsioni. Cristalli liquidi. Films di Langmuir-Blodgett. Membrane biologiche e artificiali.
10) Quantomeccanica
I fatti: la rodopsina ed il meccanismo della visione; dualismo onda-corpuscolo. Assunzioni di base della
quantomeccanica. La funzione d’onda. Gli operatori. L’equazione di Schrodinger. Risoluzione di un
problema quantomeccanico: la particella in una scatola. L’oscillatore armonico e le molecole biatomiche.
Il rotatore rigido. Gli atomi e le molecole.
11) Spettroscopia
Modello generale dei moti oscillatori. Generalità sulla radiazione. Onda longitudinale e onda trasversa.
Polarizzazione. Composizione di onde. Interazione fra un'onda e un oggetto illuminato: assorbimento,
emissione, scattering. Limite di Lorentz: assorbimento e dispersione. Limite di Rayleigh e limite di
Thomson: scattering. Indice di rifrazione. Lo spettro elettromagnetico. Livelli energetici e fotoni. Effetto
dell’intorno: la visione a colori. Scala dei tempi e velocità delle transizioni spettroscopiche. Momento
dipolare indotto. Interpretazione classica e quantistica Spettroscopia ultravioletta. Spettri infrarossi e
Raman. Dicroismo circolare e dispersione ottica rotatoria. Il laser.
12) Cinetica
La velocità delle reazioni ed i fattori che la influenzano. Reazioni del I e del II ordine. Stechiometria,
ordine di una reazione e sua molecolarità. Equazione di Arrhenius. Catalisi. Cinetica enzimatica.
MODALITA' D'ESAME
Durante il corso sono previste 3 prove scritte, a scadenza mensile, il cui esito positivo comporta il
superamento dell’esame.
In alternativa, l’esame si svolge oralmente, con possibilità di verifica scritta.
T
esti consigliati:
P. W. Atkins, Physical Chemistry, last edition, Oxford University Press, Oxford.
A.G. Marshall, Biophysical Chemistry, Wiley & sons , New York, 1978
P. W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, Bologna, 2000
K.E. Van Holde, Physical Biochemistry, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1971
Laidler, Meiser, Chimica Fisica, Editoriale Grasso, Bologna, 1999
