Nozioni di base di Chimica e Fisica

Il corso si propone di fornire una visione non meramente descrittiva dei fenomeni chimici e biologici, ma cercare di individuare le principali leggi che stanno alla loro base e determinano la loro esistenza e manifestazione in ambito biologico. Si forniranno quindi approfondimenti chimico-fisici dei principali fenomeni biologici, quali la respirazione polmonare, le trasformazioni chimiche, i fenomeni di trasporto attraverso le menbrane biologiche, i processi catalizzati. I contenuti del corso vertono anche su principi di base e proprietà delle superfici, soprattutto all’interfaccia solido-liquido, e delle (nano)biointefacce.

Il corso si prefigge l’obbiettivo di fornire allo studente gli strumenti fondamentali per conoscere, comprendere ed interpretare, attraverso l’ impiego di "modelli", peculiarità della Chimica Fisica, i processi biologici e biochimici. In particolare lo studente acquisirà la capacità di applicare la conoscenza e la comprensione di tali modelli alle trasformazioni energetiche nei sistemi biologici, alle reazioni chimiche ed ai fenomeni di trasporto. Saranno trattati anche i sistemi colloidali, fondamentali nel campo dei prodotti della salute e saranno fornite le basi chimico-fisiche e le metodologie per lo studio, l’ideazione e lo sviluppo di sistemi nano- e micro-strutturati per applicazioni in ambito biologico.

D1- CONOSCENZA E CAPACITA' DI COMPRENSIONE: Lo studente dovrà dimostrare di conoscere i principi della termodinamica e delle sue applicazioni ai sistemi studiati durante il corso, e dovrà aver compreso le leggi cinetiche che governano le velocità delle reazioni.

D2-CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE: Lo studente dovrà dimostrare di saper applicare le conoscenze apprese durante il corso e sviluppate per risolvere in autonomia problemi di termodinamica applicata a sistemi di diversa natura compresi quelli biologici.

D3-AUTONOMIA DI GIUDIZIO: Lo studente dovrà avere acquisito conoscenze tali da permettergli di individuare metodologie che permettano di conoscere i processi chimico-fisici, compresi quelli che possono essere applicati a sistemi biologici.

D4-ABILITA' COMUNICATIVE: Lo studente dovrà dimostrare di saper riportare con chiarezza i principiali argomenti svolti nel corso. Lo studente dovrà avere la capacità di trasmettere le conoscenze acquisite in modo chiaro e comprensibile ed accessibili a persone non competenti.

D5-CAPACITA' DI APPRENDIMENTO Lo studente dovrà essere in grado di comprendere autonomamente testi scientifici e di saper risolvere problemi pratici legati alle tematiche affrontate nel corso.

Lezioni frontali con supporto di slides.

Esame orale.

Cenni di chimica fisica applicata alla biologia. Le leggi sui gas e la respirazione polmonare.

Energia, lavoro, calore, capacità termica, energia interna. Richiami sulla conservazione dell'energia e sul primo principio della termodinamica.

Entropia e secondo principio della termodinamica (enunciati di Clausius e Kelvin). Applicazioni del concetto di entropia in Biologia.

Energia di Gibbs, spontaneità di una reazione, reazioni esoergoniche ed endoergoniche, processi accoppiati. Termodinamica degli esseri viventi, energia di Gibbs per l'assemblaggio di macromolecole. Forze intermolecolari: forze di van der Waals, legame a idrogeno, interazione idrofobiche.

Macromolecole in soluzione: quantità molari parziali, il potenziale chimico, soluzioni ideali e non ideali. Applicazione del potenziale chimico agli equilibri di membrana: condizione di equilibrio attraverso una membrana, equilibrio di dialisi, pressione osmotica, potenziale di membrana. Pressione osmotica in biologia e fenomeni ad essa collegati.

Cinetica chimica. Catalisi e il concetto di catalizzatore, enzimi e loro caratteristiche. Meccanismo di Michealis-Menten. Cenni ai fenomeni cooperativi con esempi in campo biologico.

Sistemi colloidali: definizione e classificazione, tensione superficiale. I tensioattivi: struttura e classificazione. Micelle e liposomi, emulsioni e doppi strati lipidici.

Chimica fisica delle interfacce. Introduzione al concetto di biointerfaccia. Definizione e proprietà di superficie. Nano-bio-interfacce. Aspetti strutturali di superfici asciutte e bagnate (doppio strato), aspetti energetici (energie di interfaccia, superidrofobicità). Carica superficiale e chimica superficiale dei colloidi. Elasticità e viscoelasticità di sistemi biomolecolari.

Metodi di indagine chimico-fisica. Spettroscopie ottiche di assorbimento UV-Visibile, vibrazionale (infrarossa) e rotazionale (microonde), spettroscopia Raman applicate allo studio di molecole di interesse biologico.

Tecniche spettroscopiche di emissione: Fluorescenza, Energy transfer e FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) imaging, quenching, immunofluorescenza, con accenni di microscopia confocale.

Dicroismo circolare e sue applicazioni nello studio conformazionale di proteine.

Approfondimenti ed esempi specifici riguardanti il design chimico-fisico di nano- e micro-strutture per applicazioni in ambito teranostico e del drug-delivery.

P. W. Atkins, J. de Paula- Chimica fisica biologica - Zanichelli

P. W. Atkins, J. De Paula, Elementi di Chimica Fisica, Zanichelli

Conoscenze di base di chimica e fisica.

Il corso si propone di fornire una descrizione generale dei principi di chimica fisica e termodinamica che sono alla base della comprensione dei processi metabolici esaminati durante il percorso di studi, con particolare attenzione al concetto di energia, ai processi accoppiati e al metabolismo dell’acqua. Non solo, ma la definizione di energia sarà fondamentale per lo studio dei supplementi alimentari di cui si fa spesso utilizzo. La parte conclusiva sarà più strettamente connessa allo studio della chimica dei materiali impiegati nell’arco del tempo nell’ambito di varie discipline sportive e per le protesi sportive.

Il corso si prefigge l’obbiettivo di fornire allo studente gli strumenti fondamentali per conoscere, comprendere ed interpretare i fenomeni di base della chimica fisica. In particolare lo studente acquisirà la capacità di applicare la conoscenza e la comprensione di tali fenomeni alle trasformazioni energetiche durante l’attività sportive. Saranno trattati anche i materiali che nel tempo sono stati impiegati nella pratica sportiva per il miglioramento delle performance.

D1- CONOSCENZA E CAPACITA' DI COMPRENSIONE: Lo studente dovrà dimostrare di conoscere i principi della chimica fisica e delle sue applicazioni ai sistemi studiati durante il Corso.

D2-CAPACITA' DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE: Lo studente dovrà dimostrare di saper applicare le conoscenze apprese durante il Corso.

D3-AUTONOMIA DI GIUDIZIO: Lo studente dovrà avere acquisito conoscenze tali da permettergli di individuare metodologie che permettano di conoscere i processi chimico-fisici che possono essere applicati alle scienze motorie.

D4-ABILITA' COMUNICATIVE: Lo studente dovrà dimostrare di saper riportare con chiarezza i principali argomenti svolti nel corso. Lo studente dovrà avere la capacità di trasmettere le conoscenze acquisite in modo chiaro e comprensibile ed accessibili a persone non competenti.

D5-CAPACITA' DI APPRENDIMENTO Lo studente dovrà essere in grado di comprendere autonomamente testi scientifici e di saper risolvere problemi pratici legati alle tematiche affrontate nel corso.

lezioni frontali con l'ausilio di presentazioni ppt.

esame orale

• LA STRUTTURA DELLA MATERIA
• FONDAMENTI DI CHIMICA FISICA: definizione di energia e lavoro, nozioni di termodinamica, cinetica chimica ed equilibri chimici, cenni di bioenergetica.
• PRINCIPI CHIMICO-FISICI DEL METABOLISMO DELL’ACQUA E BIOIMPEDENZIOMETRIA.
• LA CHIMICA DELLE BEVANDE ENERGETICHE E DEGLI INTEGRATORI ALIMENTARI. IL CONTENUTO ENERGETICO DEI CIBI.
• MATERIALI E ATTREZZATURE SPORTIVE NEL TEMPO: materiali naturali e sintetici; materiali compositi; il carbonio nello sport; le medaglie olimpiche e la torcia olimpica.
• DOPING TECNOLOGICO: mute e scii
• MATERIALI PER PROTESI SPORTIVE

Elementi di chimica fisica, P. Atkins (Ed. Zanichelli)

Conoscenze di base di chimica e fisica.

Il corso si propone di fornire conoscenze concernenti il degrado dei materiali di interesse storico-artistico e dei monumenti, gli effetti degli agenti atmosferici, dell’acqua e del trasporto dei fluidi, più in generale. Un’illustrazione dei principali interventi sarà fornita. Infine, adeguato risalto alle principali tecniche spettroscopiche di indagine sarà dato.

Il docente intende fornire una conoscenza adeguata soprattutto sulla correlazione struttura-proprietà dei materiali di interesse per i Beni Culturali e conseguentemente della programmazione di futuri interventi di consolidamento.

L’insegnamento si propone di fornire allo studente gli strumenti conoscitivi che permettano di leggere e commentare autonomamente un testo scientifico e di presentarne i temi fondamentali in modo chiaro e preciso. Lo studio dei testi oggetto del corso favorirà la capacità di analizzare criticamente i testi, individuandone i temi più rilevanti, di comunicare in modo appropriato con i colleghi studenti e con il docente le proprie impressioni e dubbi, e di utilizzare risorse complementari a disposizione (motori di ricerca sul web, strumenti bibliografici) per creare un personale percorso di approfondimento.

Lezioni frontali.

Esame orale.

L’esame mira a valutare il raggiungimento dei seguenti obiettivi didattici:

• Conoscenza delle principali tecniche di indagine spettroscopica sui Beni Culturali

• Conoscenza dei principali problemi connessi al degrado ed alla conservazione dei Beni Culturali.

• Capacità di articolare una proposta di indagine ed intervento su un bene culturale degradato.

• Capacità di commentare interventi conservativi riportati in letteratura, con l’ausilio della letteratura secondaria

• Capacità espositiva

Durante lo svolgimento delle lezioni, il docente distribuirà agli studenti sia fotocopie di materiale bibliografico non facilmente reperibile che il formato elettronico di tutte le presentazioni via PC eventualmente utilizzate.

Conoscenze di base di Fisica.

Le attività del Laboratorio di Chimica Fisica mirano a fornire alcune nozioni di base relative a:

• Interazione radiazione-materia. Lo spettro elettromagnetico

• La spettroscopia UV-Vis: transizioni elettroniche; trasmittanza e assorbanza; la legge di Lambert-Beer; effetto della coniugazione con particolare riferimento ai coloranti e pigmenti organici naturali; schema strumentale di uno spettrofotometro UV-Vis. Relative esperienze

• La spettroscopia IR: livelli energetici vibrazionali e rotazionali nelle molecole; numero d'onda; vibrazioni delle molecole poliatomiche: modi di stretching e di bending; vibrazioni dei principali gruppi atomi organici ed inorganici; lo spettrofotometro FTIR; la tecnica ATR-FTIR. Relative esperienze

• La spettroscopia Raman: principi ed introduzione storica; scattering di Rayleigth, Stokes ed Anti-Stokes; vibrazioni dei principali gruppi atomici organici ed inorganici, schema strumentale dello spettrofotometro Raman. Relative esperienze

Conoscenza di base delle principali tecniche spettroscopiche di caratterizzazione.

Capacità di condurre autonomamente una semplice indagine spettroscopica nell’intervallo UV-Vis-IR.

Eventuali indicazioni di carattere bibliografico saranno fornite sia durante i Seminari che durante la realizzazione dell’esperienze nel Laboratorio di Chimica Fisica.

La frequenza del Laboratorio di Chimica Fisica è obbligatoria. La partecipazione alle attività seminariali del Laboratorio deve essere documentata tramite firma di presenza degli studenti. Tale partecipazione consente l’acquisizione di n. 1 CFU previsti.  

La verbalizzazione di n. 1 CFU previsti per il Laboratorio di Chimica Fisica avrà luogo secondo il calendario pubblicato nel pagina web del docente, alla quale si accede dal servizio Phonebook di Ateneo. Essa avverrà presso lo studio del docente

• Interazione radiazione-materia. Lo spettro elettromagnetico

• La spettroscopia UV-Vis: transizioni elettroniche; trasmittanza e assorbanza; la legge di Lambert-Beer; effetto della coniugazione con particolare riferimento ai coloranti e pigmenti organici naturali; schema strumentale di uno spettrofotometro UV-Vis. Relative esperienze

• La spettroscopia IR: livelli energetici vibrazionali e rotazionali nelle molecole; numero d'onda; vibrazioni delle molecole poliatomiche: modi di stretching e di bending; vibrazioni dei principali gruppi atomi organici ed inorganici; lo spettrofotometro FTIR; la tecnica ATR-FTIR. Relative esperienze

• La spettroscopia Raman: principi ed introduzione storica; scattering di Rayleigth, Stokes ed Anti-Stokes; vibrazioni dei principali gruppi atomici organici ed inorganici, schema strumentale dello spettrofotometro Raman. Relative esperienze

Elementi di Chimica Fisica, Peter Atkins, Julio de Paula, ed. Zanichelli

Introductory Raman Spectroscopy, Ferraro J.R., Nakamoto K., Brown C.W., ed. Elsevier

Infrared Spectroscopy in Conservation Science, Derrick M.R., Stulik D., Landry J.M., "The Getty Conservation Institute, Los Angeles"

Conoscenze di base di chimica-fisica

Il corso mira a fornire una visione generale circa la tematica delle energie rinnovabili, mediante l'approfondita descrizione di una serie di approcci metodologici chimico-fisici che permettono l'impiego di fonti inesauribili per la produzione di energia.

Il docente intende fornire una conoscenza adeguata delle principali problematiche connesse con la conversione di energia da fonti naturali “perenni” ed una presentazione dei materiali più efficienti e di ultima generazione utilizzati per questo scopo. L’insegnamento si propone anche di fornire allo studente gli strumenti conoscitivi che permettano di leggere e commentare autonomamente un testo scientifico e di presentarne i temi fondamentali in modo chiaro e preciso. Lo studio dei testi ed articoli oggetto del corso favorirà la capacità di analizzare criticamente i testi, individuandone i temi più rilevanti, di comunicare in modo appropriato con i colleghi studenti e con il docente le proprie impressioni e dubbi, e di utilizzare risorse complementari a disposizione (motori di ricerca sul web, strumenti bibliografici) per creare un personale percorso di approfondimento.

Orale

Fondamenti chimico-fisici che sottendono alla conversione di energia derivante da fonti naturali ed "inesauribili" (fotovoltaico, water-splitting, immagazzinamento di idrogeno, etc.).Requisiti di base per il mimicking della fotosintesi clorofilliana. L’ossidazione dell’acqua come processo chiave per la fotosintesi artificiale. Nanostrutture di carbonio per la produzione di energia. Film sottili molecolari per il fotovoltaico: tecniche umide di immobilizzazione degli strati attivi. Energia Eolica. Energia del Mare. Nanogeneratori Triboelettrici. Energia Geotermica.

Durante lo svolgimento delle lezioni, il docente distribuirà agli studenti sia fotocopie di materiale bibliografico non facilmente reperibile che il formato elettronico di tutte le presentazioni via PC eventualmente utilizzate. A lezione sarà distribuita ulteriore letteratura sul programma oggetto del corso e verrà indicata letteratura secondaria di supporto alla preparazione dei seminari. Come consultazione si suggerisce: Chemistry of Sustainable Energy, Nancy E. Carpenter; CRC Press; Materials for a Sustainable Future, Editors: Trevor M Letcher, Janet L Scott; RSC; Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability, Editors: David S. Ginley, David Cahen; CUP