SCIENZE DEL FARMACO E DELLA SALUTEChimica e tecnologia farmaceuticheAnno accademico 2022/2023

1001837 - CHIMICA FISICA

Docente: GIUSEPPE LANZA

Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente acquisisce le conoscenze delle leggi base della chimica e della fisica necessarie per comprendere l’origine e l’evoluzione di fenomeni chimici, biochimici e biologici e delle loro applicazioni in campo farmaceutico.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione: lo studente acquisisce i principi della termodinamica e come questi permettono o pongono dei limiti nelle varie trasformazioni energetiche.

Capacità di apprendimento: lo studente diventa capace di applicare i modelli chimico-fisici per la razionalizzazione degli esperimenti.

Autonomia di giudizio: dopo aver consolidato i concetti base, lo studente sviluppa la sua capacità critica nel valutare e interpretare i dati che gli permettono di intraprendere autonomamente ricerche successive nel settore chimico-farmaceutico

Capacità di risoluzione di problemi numerici: le basi teoriche sono applicate dallo studente sia per valutare criticamente le possibili soluzioni ai problemi analitici che per sostenere argomentazioni in ambito chimico-biologico.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali ed esercitazioni numeriche sui concetti base e sulle molteplici e applicazioni in ambito chimico-farmaceutico.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

"Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA: A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del nostro Dipartimento, prof.ssa Teresa Musumeci."

Prerequisiti richiesti

E' necessario avere una buona preparazione scolastica di matematica e fisica. E' consigliato aver superato gli esami di matematica e di fisica del primo anno.

Frequenza lezioni

Frequenza obbligatoria secondo le norme del regolamento didattico del CdS in CTF come riportato nel link: http://www.dsf.unict.it/corsi/lm-13_ctf/regolamento-didattico

Contenuti del corso

TERMODINAMICA

I principio della termodinamica. Lavoro e Calore. Funzioni di stato: energia interna, entalpia, capacità termica a pressione e volume costante. Cicli termodinamici, processi reversibilie e irreversibili. Termochimica. Entalpia standard, entalpie di reazione, entalpie di formazione, energia di legame, processi endotermici esotermici. La legge di Hess. Tecniche sperimentali: calorimetri, TGA, DTA, DSC e ITC. Metabolismo energetico, potere calorico degli alimenti e quoziente respiratorio. II principio della termodinamica. Entropia e processi spontanei. Variazioni di entropia con la temperatura e pressione e nelle transizioni di fase. III principio della termodinamica. Entropia assoluta. Energia libera di Gibbs. Dipendenza dell’energia di Gibbs dalla pressione e dalla temperatura. Equilibrio chimico. Costante di equilibrio termodinamico. Equilibri, omogenei, eterogenei e combinati. Effetto della temperatura sull’equilibrio. Energetica e rendimento dei cicli biochimici.

ELETTROCHIMICA

Conducibilità di soluzioni di elettroliti, conduttometria e titolazioni conduttometriche. Potenziali elettrodici, semicelle, pile, equazione di Nernst. Potenziali standard di riduzione e sue applicazioni in campo chimico e biochimico. Elettrolisi.

CINETICA CHIMICA

Velocità delle reazioni chimiche, ordine di reazione. Forma integrata delle equazioni cinetiche di ordine zero, di primo e di secondo. Reazioni competitive e reazioni consecutive. Farmacocinetica: somministrazione endovena, orale e flebolisi. Meccanismi di reazione e ordine di reazione. Catalisi e processi autocatalitici, propagazione di una epidemia. Reazioni catalizzate da enzimi: equazione di Michaelis-Menten. Inibizione enzimatica: competitiva, non competitiva, incompetitiva. Inibizione da substrato e da prodotto. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione: equazione di Arrhenius.

TECNICHE DI INDAGINE DELLA STRUTTURA DELLE MOLECOLE

Breve introduzione alla meccanica quantistica. Descrizione dei vari moti atomici e relative tecniche spettroscopiche. Spettroscopie vibrazionali: infrarosso, Raman e resonant-Raman. Spettroscopia elettronica, orbitali molecolari, cromofori. Processi fotofisici e fotochimici. La fotosintesi clorofilliana. Laser, emissione stimolata.

Testi di riferimento

1. Sono disponibili gli appunti delle lezioni.

2. G.K. Vemulapalli “Chimica Fisica” Ed. EDISES

3. P.W. Atkins, J. De Paula "Chimica Fisica Biologica" Volume 1, Ed. Zanichelli

4. R. Chang "Chimica Fisica" Volume 1 Ed. Zanichelli

5. A Gambi "Esercizi di chimica fisica" Ed. Zanichelli

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Primo principio della termodinamica e sue applicazioni.vedi TERMODINAMICA su studium; Testo 2, Capitoli 3 e 4
2Secondo principio della termodinamica e sue applicazioni. vedi TERMODINAMICA su studium; Testo 2, Capitolo 5
3Terzo principio della termodinamica e sue applicazioni. vedi TERMODINAMICA su studium; Testo 2, Capitoli 6-8
4Energia libera di Gibbs ed equilibrio chimicovedi TERMODINAMICA su studium Testo 2, Capitolo 10
5Conducibilità di soluzioni di elettroliti e sue applicazioni.vedi ELETTROCHIMICA su Studium; Testo 2, Capitolo 11
6Potenziometria, equazione di Nernst e loro applicazioni.vedi ELETTROCHIMICA su Studium; Testo 2, Capitolo 11
7Velocità delle reazioni chimiche e ordine di reazione.vedi CINETICA su Studium; Testo 2, Capitoli 24 e 25
8Farmacocineticavedi CINETICA su Studium
9Catalisi ed inibizione enzimatiche e autocatalisivedi CINETICA su Studium; Testo 3, Capitolo 8
10Equazione di Arrhenius e sue applicazioni.vedi CINETICA su Studium; Testo 2, Capitoli 24 e 25
11Proprietà della luce.vedi SPETTROSCOPIA su Studium; Testo 2 Capitolo 16
12Moti vibrazionali e spettroscopie IR e Ramanvedi SPETTROSCOPIA su Studium; Testo 2 Capitolo 16
13Spettroscopia elettronica UV-Visvedi SPETTROSCOPIA su Studium; Testo 2 Capitoli 20 e 21
14Processi fotofisici e fotochimici.vedi SPETTROSCOPIA su Studium; Testo 2 Capitolo 21
15Laser funzionamento e applicazioni.vedi SPETTROSCOPIA su Studium; Testo 2 Capitolo 21

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Le date di esami sono pubblicate nel sito del Dipartimento di Scienze del Farmaco e della Salute: 

http://www.dsf.unict.it/corsi/lm-13_ctf/calendario-esami 

L'esame consiste di una prova scritta e di una prova orale.

La prova scritta richiede la risoluzione di quattro esercizi numerici sui seguenti argomenti:

cinetica chimica;

primo principio della termodinamica;

secondo principio della termodinamica;

elettrochimica. 

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Informazioni per studenti con disabilità e/o DSA:

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. E' possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del nostro Dipartimento, prof.ssa Teresa Musumeci.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Determinare la costante di velocità della reazione del 1° ordine, di idrolisi del saccarosio in soluzione acquosa, catalizzata da acidi,

 C12H22O11  +  H2O  -->   C6H12O6  +  C6H12O6

Saccarosio                      Glucosio      Fruttosio

sapendo che la concentrazione iniziale è 0.06 M e che dopo 3 minuti è pari a 0.052 M.

Inoltre, calcolare la velocità di reazione iniziale e dopo 3 minuti.

Il calore prodotto dal metabolismo di una  persona è di 100 kcal/ora. Se il corpo fosse un sistema isolato di quanto aumenterebbe la temperatura dopo due ore? A quanti grammi di glucosio corrisponde il calore rilasciato? Se si assume che l’unica forma di raffreddamento del corpo sia la vaporizzazione dell’acqua prodotta dalla sudorazione, quanti grammi di acqua dovrebbero evaporare per mantenere costante la temperatura corporea.

Si assuma che la massa della persona è di 75 kg e la sua capacità termica sia pari a 1 kcal/kg. Il DHevaporazione dell’acqua è 540 kcal/kg.

Calcolare la variazione di energia libera standard e la costante K per la reazione:
N2(g) +  O2(g) +  Cl2(g) = 2NOCl(g)
dai dati seguenti, riferiti a 298 K :
               DH°formazione                  S°

                 kcal/mol             cal/(mol×K)

N2(g)               0                        45.8 
O2(g)               0                        49.0
Cl2(g)              0                        53.3
NOCl(g)     +12.6                      63.0
In che direzione procederà la reazione chimica quando tutte le specie chimiche hanno pressione parziale unitaria.

Si calcoli la variazione di energia libera standard e la costante di equilibrio, a 25 °C, della reazione :

2 Cr3+ + 3 Cu(s) = 2 Cr(s) + 3 Cu2+

sapendo che E°Cu2+/Cu = 0.34 V ed E°Cr3+/Cr = -0.74 V.

In che direzione procederà la reazione chimica quando tutte le specie chimiche hanno attività pari ad uno.

Schematizzare un apparato sperimentale per realizzare una pila con le specie chimiche ad attività unitaria indicando la polarità in flusso degli elettroni nel circuito esterno e il flusso delle cariche del ponte salino.


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