Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"

La struttura dell’atomo. L’atomo di Bohr : quantizzazione dei livelli energetici. Proprietà ondulatorie dell’elettrone. Livelli energetici permessi. I 4 numeri quantici. Orbitali atomici, interpretazione fisica e rappresentazioni grafiche. Atomi polielettronici. Livelli energetici degli orbitali atomici. Il principio dell’Aufbau. Relazione tra configurazioni elettroniche degli elementi e struttura della Tavola Periodica. Energia di ionizzazione. Affinità per l’elettrone. Regolarità delle proprietà chimico fisiche in gruppi e periodi della Tavola Periodica. Caratteristiche fondamentali degli elementi dei gruppi rappresentativi. Il legame ionico. Raggi ionici. Il legame covalente. Strutture di Lewis. Molecole biatomiche omonucleari degli elementi del I e II periodo: legami molecolari e caratteristiche chimiche. Molecole biatomiche eteronucleari. Polarità di legame . L’elettronegatività . Il legame negli idruri alcalini, acidi alogenidrici e alogenuri alcalini. . Molecole poliatomiche. Il metodo del legame di valenza. Ibridizzazione (sp, sp2, sp3) e risonanza. Elettroni spaiati e “Lone Pairs”: effetti sulla struttura e sulla reattività. Livelli energetici e geometrie molecolari: il legame chimico in alcune molecole di particolare importanza ( BeH2, BH3; BF3,CO2, CO3- 2, CH4, NH3, NO3 – , PO4 -3, H2O, SO3 -2 , ClO- , ClO2- , ClO3 - , CLO4 - ). Il legame dei metalli. Reticoli metallici e loro caratteristiche. I legami del tipo Van der Waals tra atomi e molecole .Il legame idrogeno. La struttura dell’acqua liquida e solida. Proprietà generali di fasi condensate dovute a legami di tipo ionico, covalente, metallico, molecolare. Definizione dello stato standard. Lo stato di equilibrio. Costante di equilibrio e le sue espressioni. Legge di azione di massa. Dipendenza dalla temperatura delle costanti di equilibrio. L’equilibrio nei cambiamenti di composizione chimica: le reazioni chimiche. Teoria acido-base di Arrhenius. Equilibri omogenei in soluzione acquosa. Forza di acidi e basi. Equilibrio di dissociazione dell‘ acqua. Definizione di pH. Reazioni di neutralizzazione. Idrolisi salina. . Soluzioni tampone Teoria acido-base di Broensted: coppie coniugate acido/base. Relazione tra forza acida e struttura. Caratteristiche dei più importanti acidi e basi inorganici. Equilibri eterogenei in soluzione acquosa. Composti poco solubili: equilibri di solubilità e relativa costante (Kps ). Numero di ossidazione: significato e regole di calcolo.
Pile chimiche ed equazione di Nernst. Elettrodo di riferimento ad idrogeno e tabella di potenziali redox. Pile a concentrazione. Elettrodo a calomelano. Misura del pH mediante pila. Pile commerciali. Elettrolisi e legge di Faraday. Corrosione e protezione.

S. Failla, R. Paolesse, A. Pasini, M. Pasquali, P. Tagliatesta e L. Valli. Chimica generale e Inorganica. Edi-ermes editore, Milano, Italia.

Nozioni di base di statistica: i) Distribuzioni di probabilità Binomiale, di Poisson e di Gauss; ii) Frequenza e probabilità; iii) Principio della massima verosimiglianza: iiii) interpolazione di dati: i minimi quadrati; v) parametri statistici di una distribuzione di dati. Breve storia dei computer. Introduzione alla programmazione: i diagrammi di flusso. Comandi di base del Fortran, che non prevedano l'utilizzo di subroutine o function

Materiale fornito dal docente

Limiti e calcolo differenziale per funzioni di più variabili reali.
Funzioni definite implicitamente.
Integrali curvilinei e forme differenziali
Integrali multipli
Equazioni differenziali

M. Bertsch, R. Dal Passo e L. Giacomelli, "Analisi Matematica" (McGraw Hill)

Chimica Inorganica di base degli elementi principali della tavola periodica.Reattivita' e composti. composti organometallici. Molecole semplici con i metodi VB ed MO. I complessi dei metalli di transizione. Campo cristallino ed orbitali molecolari. Catalisi omogenea: reazioni industriali importanti. Chimica bioinorganica: enzimi e reazioni in vivo.

P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller, F. Armstrong. Chimica Inorganica. Zanichelli Editore

Le caratteristiche dello spazio-tempo e descrizione qualitativa del movimento. Cinematica del punto materiale.
Dinamica del punto materiale: principi della dinamica. Lavoro. Energia cinetica. Forze conservative. La conservazione dell'energia meccanica totale. Dinamica dei sistemi. Corpi rigidi: statica e dinamica del moto di rotazione e momento angolare. Urti tra punti materiali e corpi rigidi. Statica dei fluidi ideali. Elementi di fluidodinamica. Moto stazionario ed irrotazionale. Fluidi reali: viscosità e moto laminare. Caratteristiche del moto in regime turbolento. Tensione superficiale. Teoria cinetica dei gas (cenni). Nella parte finale del corso verranno affrontati-proposti argomenti a scelta concordati con gli studenti (es. termodinamica, onde elastiche, solidi e fluidi reali).

P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Elementi di Fisica 1, Ed. Edises (Scelta non obbligatoria)
Ogni altro testo di fisica generale di livello universitario è ben accetto.

Il corso è organizzato in lezioni teoriche in aula e in prove pratiche in laboratorio. Per questioni di sicurezza, il laboratorio viene organizzato su più turni nel caso in cui la numerosità degli studenti iscritti al corso sia 30. Gli studenti devono frequentare almeno i 2/3 del laboratorio per accedere all’esame, che si articolerà in una prova incognita di laboratorio ed una prova orale. Le lezioni vengono svolte alla lavagna con eventualmente l’ausilio del proiettore per mostrare grafici, figure, etc. rilevanti per il corso. Tutto il materiale grafico e visivo presentato verrà fornito agli studenti.
-Norme di sicurezza, prevenzione dei rischi ed elementi di primo soccorso nel laboratorio chimico.
-Principali tecniche ed operazioni di base nella pratica sperimentale chimica.
-Introduzione all’analisi qualitativa inorganica farmaceutica.
-Metodiche analitiche per l’analisi di sostanze inorganiche (riconoscimento sistematico di cationi ed anioni) di interesse farmaceutico.

Chimica Analitica Qualitativa, A. Araneo, Casa editrice Ambrosiana Milano

Chimica analitica. Analisi quantitativa e qualitativa, Adelaide Crea, Luisa Falchet, Casa editrice Zanichelli

Gas ideale e gas reale. Lavoro e Calore. Capacità termica. Primo principio della Termodinamica. Termochimica. Il secondo principio della termodinamica. Il ciclo di Carnot. L’entropia. L’energia libera. Il potenziale chimico. Le Transizioni di fase. Le miscele ideali e reali. I diagrammi di fase. Le proprietà colligative. Le soluzioni elettrolitiche. L’equilibrio chimico ed elettrochimico. Costante di equilibrio. Legge cinetica. Il metodo differenziale ed il metodo integrale nello studio delle cinetiche chimiche. Reazioni monomolecolari e reazioni consecutive. Studio delle cinetiche chimiche nella approssimazione dello stato stazionario. Cinetica delle reazioni enzimatiche. Il modello cinetico dei gas e la teoria degli urti. Dipendenza della velocità chimica dalla temperatura.
Il corso prevede la partecipazione obbligatoria ad esercitazioni di laboratorio per lo studio delle transizioni di fase mediante tecniche calorimetriche e per lo studio cinetico di una reazione chimica mediante tecniche spettrofotometriche. Lo studente consegnerà relazioni sulle esercitazioni svolte.

Chimica Fisica. Autori P. Atkins e J de Paula. Ed. Zanichelli

1H-NMR: Teoria. Strumentazione e preparazione del campione. Spostamento chimico. Accoppiamento di spin, multipletti, sistemi di spin. Protoni scambiabili. Equivalenza magnetica. Chiralità e spettri NMR. Cenni di tecniche di disaccoppiamento. Effetto Overhauser nucleare.

13C-NMR: Classi di composti e spostamenti chimici. Cenni di NMR di nuclei diversi dal protone. Accoppiamento con nuclei magneticamente attivi.

SPETTROMETRIA DI MASSA: Strumentazione. Metodi di ionizzazione. Analizzatori di massa. Interpretazione degli spettri di massa EI. Spettri di massa di alcune classi di composti chimici.

SPETTROMETRIA NELL’INFRAROSSO: Teoria. Strumentazione. Preparazione del campione. Interpretazione degli spettri. Assorbimenti caratteristici dei gruppi funzionali presenti nelle molecole organiche.

SPETTROSCOPIA UV: Teoria. Strumentazione e preparazione del campione. Assorbimenti caratteristici delle varie classi di composti organici.

DETERMINAZIONE DELLA STRUTTURA DI COMPOSTI ORGANICI SULLA BASE DI SPETTRI 1H NMR, 13C NMR, EI-MS e IR: Strategie di risoluzione di problemi strutturali tramite combinazioni di metodi spettroscopici. Analisi e risoluzione di problemi di identificazione strutturale di diverse classi di composti organici.

"Identificazione spettrometrica di composti organici"
Autore: Robert M. Silverstein
Editore: Casa Editrice Ambrosiana, distribuito da Zanichelli

Alchilazione di Enolati e di altri Nucleofili al Carbonio. Reazioni dei Nucleofili al Carbonio con i Composti Carbonilici. Interconversione, Protezione e Deprotezione di Gruppi Funzionali mediante sostituzione. Addizioni Elettrofile a Doppi Legami Carbonio-Carboni. Riduzione di Legami Multipli Carbonio-Carbonio, Gruppi Carbonilici e altri Gruppi Funzionali. Reazioni di Cicloaddizione. Reagenti Organometallici del Li e Mg. Ossidazioni. Esempi di Sintesi Multistadio. Lipidi. Carboidrati. Composti Eterociclici. Amminoacidi, Peptidi, Proteine e Acidi Nucleici. Tecniche di laboratorio: cristallizzazione, distillazione, estrazione liquido-liquido e liquido-solido, sublimazione, cromatografia. Tecniche spettroscopiche: UV-Vis, NMR, MS.

Parte Prima: Introduzione alla Sintesi Organica
F. A. Carey, R. J. Sundberg, Advanced Organic Chemistry Part B: Reactions and Synthesis 5th edition, Springer, 2007
Parte Seconda: Biomolecole
W. H. Brown, B. L. Iverson, E. V. Anslyn, C. S. Foote, Chimica Organica 5a edizione, EdiSES, 2015; K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore, Chimica Organica 4a edizione, Zanichelli, 2016
Dispense fornite dal docente.
"La chimica organica in laboratorio”
8a edizione Autore: Marco D’Ischia
Editore: Piccin

Elettrostatica nel vuoto. Interazioni elettriche e carica elettrica. Induzione elettrostatica. Legge di Coulomb. Campo elettrostatico (varie configurazioni). Linee di forza. Moto di una carica in un campo elettrostatico. Potenziale ed energia potenziale elettrostatica. Superfici equipotenziali. Dipolo elettrico: forze e energia in un campo esterno. Teorema di Gauss in forma integrale: sue applicazioni nei casi di simmetria sferica, cilindrica e piana. Conduttori ideali (potenziale e distribuzione di carica). Teorema di Coulomb. Condensatori (serie e parallelo). Capacita' di un conduttore e di un condensatore (caso sferico, cilindrico e piano). Energia di un condensatore. Densita' di energia elettrostatica.

Dielettrici. La costante dielettrica. Polarizzazione dei dielettrici. Equazioni generali dell’elettrostatica in presenza di dielettrici. Meccanismi di polarizzazione di molecole in gas, liquidi e solidi (cenni).

Corrente elettrica. Densita' ed intensita' di corrente. Legge di Ohm in forma integrale e locale. Resistenza e resistivita'. Modello classico della conduzione elettrica. Mobilita' di cariche elettriche in vari conduttori: resistivita' e temperatura in metalli e semiconduttori. Superconduttori. Resistenze in serie e in parallelo. Potenza dissipata. Forza elettromotrice. Carica e scarica di un condensatore. Corrente di spostamento.

Campo magnetico costante nel vuoto. Forza di Lorentz. Forza magnetica su di un conduttore percorso da corrente. Seconda formula di Laplace. Forze su di una spira in un campo magnetico. Energia di una spira in un campo magnetico. Teorema di Ampere. Moto di una particella in un campo magnetico costante. Legge di Biot e Savart. Prima formula di Laplace. Campo magnetico di una spira sul proprio asse. Forze fra fili percorsi da correnti. Teorema della circuitazione di Ampere. Solenoide indefinito. Solenoide toroidale.

Materiali magnetici. Permeabilita' e suscettivita' magnetica. Meccanismi di magnetizzazione. Le sostanze diamagnetiche, paramagnetiche, ferromagnetiche (gas, liquidi e solidi).

Campo elettrici e magnetici variabili nel tempo. Legge di Faraday. Coefficiente di autoinduzione. Circuito RL in chiusura ed apertura. Energia di una induttanza. Densita' di energia del campo magnetico. Legge di Ampere-Maxwell. Equazioni di Maxwell in forma integrale.

Onde elettromagnetiche e ottica fisica. Onde piane. Onde piane sinusoidali. Vettore di Poynting. Intensita' media di un'onda. Polarizzazione delle onde elettromagnetiche. Spettro delle onde elettromagnetiche. Luce e indice di rifrazione. Principio di Huygens-Fresnel. Riflessione, rifrazione, dispersione. Polarizzazione per riflessione, per assorbimento selettivo e per diffusione. Interferenza di Young e da lamine sottili. Diffrazione di Fraunhofer.

"Elementi di Fisica: Elettromagnetismo e onde", Mazzoldi, Nigro, Voci
"Fisica per scienze e ingegneria: volume secondo", Serway, Jewett

Accuratezza, esattezza, precisione, sensibilità, ripetibilità, riproducibilità, selettività di un metodo analitico. Errori sistematici e casuali, test Q, test F. Rapporto di prova. Gravimetria, Vetreria di laboratorio. Titolazioni acido-base, titolazioni di precipitazione, titolazioni di complessazione, titolazioni redox. Il corso prevede esperienze di laboratorio in cui lo studente deve calcolare la quantità di analita presente in concentrazione incognita nel campione mediante titolazioni volumetriche o esperimenti di gravimetria. Chimica analitica applicata in ambito industriale, ambientale e agroalimentare.

Chimica analitica di Gary D. Christian testo suggerito.

Slide power point utilizzate a lezione e condivise dopo lezione su didattica web.

Aminoacidi e peptidi. Il legame peptidico. Le proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Protein folding. DNA. RNA. Relazione struttura-funzione: emoglobina e mioglobina. Cooperatività di legame. Gli enzimi: struttura e funzione. Coenzimi e vitamine. Introduzione alla cinetica enzimatica. Definizione del meccanismo catalitico di alcuni enzimi modello. Regolazione enzimatica. Enzimi allosterici. Membrane cellulari e proteine di membrana. Bioenergetica. Glicolisi e gluconeogenesi. Ciclo dell’acido citrico. Fosforilazione ossidativa. Catabolismo e anabolismo glucidico e lipidico. Biosintesi e vie degradative di alcuni aminoacidi. Destino metabolico dell’ammoniaca. Fotosintesi. Sistemi sensoriali.

Appling, Anthony-Cahill, Mathews. Biochimica, Molecole e Metabolismo. Pearson Italia, 2017.

Nelson, Cox. I Principi di Biochimica di Lehninger. Zanichelli Editore, 2018.

Lo spettro elettromagnetico. Interazione radiazione - materia. Concetti generali della spettroscopia molecolare. Regole di selezione e intensità di una transizione; legge di Lambert-Beer. Forma delle bande spettrali. Approssimazione di Born-Oppenheimer. Spettroscopia rotazionale in fase gassosa.
Spettroscopia vibrazionale in fase gassosa e in soluzione. Modi normali di vibrazione. Uso di spettri vibrazionali per il riconoscimento di sostanze e di determinazione di parametri molecolari in molecole biatomiche e poliatomiche. Principio di Franck-Condon.
Spettroscopia elettronica. Simboli di termine.
Esperienze di laboratorio riguardanti acquisizione ed interpretazione di spettri roto-vibrazionali ed elettronici di molecole biatomiche e poliatomiche

-J.M.Brown, Molecular Spectroscopy, Oxford University Press
-F. Bernath, Spectra of Atoms and Molecules, Oxford University Press
-Appunti, materiale didattico ed esercizi forniti dal docente.

Proprietà dello spazio di Hilbert. Vettori di base. Principio di sovrapposizione degli stati. Processo di ortogonalizzazione. Operatori quanto-meccanici. Regole di corrispondenza. Equazione agli autovalori.
Postulati della meccanica quantistica. Dipendenza temporale della funzione di stato. Generalizzazione del 3° postulato. Soluzioni stazionarie dell’equazione di Schrödinger.
Operatore commutatore. Principio di indeterminazione. Variazione temporale del valore aspettato. Autofunzioni comuni a più operatori. Notazione di Dirac. Proprietà delle matrici che rappresentano un operatore quanto-meccanico. Principio di corrispondenza. Variabili indipendenti. Fattorizzazione della funzione di stato.
Particella libera monodimensionale. Particella nella scatola monodimensionale a pareti rigide. Stima degli stati traslazionali di una particella in una scatola tridimensionale. Densità e degenerazione degli stati traslazionali. Barriera con V E: effetto tunnel. Oscillatore Armonico. Autofunzioni e autovalori dell’energia.
Degenerazione di scambio. Degenerazione di simmetria. Indistinguibilità di particelle identiche. Significato fisico delle funzioni simmetrica ed antisimmetrica.
Operatori del momento angolare orbitale. Regole di commutazione. Quantizzazione spaziale. Autovalori ed autofunzioni. Rotatore rigido. Autovalori ed autofunzioni. Costante rotazionale. Degenerazione del livello rotazionale. Operatori di spin. Classificazione delle particelle in base allo spin. Operatore di scambio. Fermioni e bosoni. Funzione d’onda completa di due fermioni. Principio di Pauli.
Postulati della Termodinamica Statistica (TS). Teorema ergodico.
Ensemble canonico. Interpretazione molecolare del calore e del lavoro (I principio della TC). Funzione di ripartizione di un sistema termodinamico: definizione e significato fisico. Espressioni TS delle grandezze termodinamiche di un sistema.
Definizione dell’Ensemble Microcanonico. Entropia di un sistema dell’Ensemble Microcanonico. Fluttuazioni dell’energia di un sistema nell’ensemble canonico. Equivalenza termodinamica degli insiemi.
Postulato di Gibbs della TS. Entropia residua.
Statistica classica di Boltzmann. Funzione di ripartizione molecolare. Statistica di Boltzmann corretta. Limite classico. Statistiche quantistiche: popolazione della distribuzione più probabile; criteri di convergenza delle statistiche quantistiche nella statistica di classica.
Funzione di ripartizione traslazionale. Lunghezza d’onda termica di De Broglie. Temperatura caratteristica traslazionale. Grandezze TS del gas ideale monoatomico.
Temperatura caratteristica rotazionale. Funzione di ripartizione rotazionale. Fattore di simmetria. Temperatura caratteristica vibrazionale. Funzione di ripartizione vibrazionale. Grandezze TS del gas ideale biatomico. Contributi alle grandezze termodinamiche dei vari modi di moto. Funzione di ripartizione per le molecole poliatomiche.
Equipartizione dell’energia.
Equilibrio chimico. Costante di equilibrio per una reazione tra gas ideali. Effetto dei fattori entropico ed entalpico sulla costante di equilibrio. Reazione isomerica AB.
Reazione di scambio. Teoria dello stato di transizione.

- P. W. Atkins, R. Friedman, Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press, 2007.
- B. Pispisa, Appunti di termodinamica Statistica, dispense.
- D.D. Fitts, Principles of Quantum Mechanics, Cambridge University Press
- F. Bernath, Spectra of Atoms and Molecules, Oxford University Press
- Appunti, materiale didattico ed esercizi forniti dai docenti.