Meccanica: Grandezze fisiche, unità di misura, sistema internazionale (SI). Cinematica del punto materiale. Dinamica: sistemi inerziali, I II e III principio della dinamica. Lavoro, energia cinetica, energia potenziale. Leggi di conservazione. Dinamica dei sistemi: centro di massa, I e II equazione cardinale del moto. Teoria dell'urto. Momenti d'inerzia. Dinamica del corpo rigido. Gravitazione: Campo e potenziale gravitazionale. Leggi di Keplero. Termodinamica Sistema termodinamico: descrizione macroscopica e microscopica. Definizione di pressione in un fluido. Principio zero della termodinamica; dilatazione termica e misura della temperatura. Termometri e scale termometriche. Concetto di gas perfetto ed equazione di stato. Concetto di gas ideale e la teoria cinetica dei gas. Gas reali, legge di Van der Waals, diagrammi di stato. Calore, cambiamenti di stato, calore specifico e latente. Trasmissione del calore. Lavoro e trasformazioni termodinamiche. I Principio della Termodinamica e sue applicazioni. I Principio e le trasformazioni di gas perfetti. Macchine termiche e frigorifere; ciclo di Carnot. Rendimento delle macchine termiche. Postulati di Kelvin e Clausius. II Principio della Termodinamica. Trasformazioni reversibili ed irreversibili e principio di Carnot. Concetto di Entropia ed il II Principio della termodinamica. Entropia e probabilità. Onde Proprietà elastiche dei solidi. Propagazione di una perturbazione lungo una sbarra di materiale elastico. Corda vibrante. Equazione di d'Alembert delle onde. Principio di sovrapposizione. Onde trasversali e longitudinali. Onde sonore. Onde armoniche. Onde stazionarie. Velocità di gruppo. Effetto Doppler. Fluidi Definizione di fluido. Fluidi compressibili e incompressibili. Idrostatica. Legge di Pascal: pressa idraulica. Legge di Stevino. Principio di Archimede. Idrodinamica dei fluidi ideali. Teorema di Bernoulli ed applicazioni. La portata di un condotto. Teorema di Torricelli. Elementi di idrodinamica dei fluidi reali. Regime laminare. Viscosità. Legge di Hagen-Poiseuille. Regime turbolento. Perdita di carico in un condotto. Numero di Reynolds. Moto di un corpo in un fluido. Resistenza dei fluidi al moto di corpi immersi. Fenomeni elettrici Carica elettrica. Quantizzazione e conservazione della carica elettrica. Conduttori, isolanti, semiconduttori. Campo elettrico. Legge di Gauss per il campo elettrico e applicazioni. Forza di Coulomb. Potenziale elettrico e applicazioni. Condensatori: capacità di un condensatore, energia elettrostatica di un condensatore. Corrente elettrica. Resistenza e legge di Ohm. Conduttività e resistività elettrica. Energia e potenza elettrica. Circuiti elettrici e leggi di Kirchhoff. Misure di tensioni, correnti e resistenze. Fenomeni magnetici Campo magnetico. Forza magnetica (di Lorentz). Legge di Ampère e applicazioni. Legge di Gauss per il campo magnetico. Moto di una particella carica in un campo magnetico. Forza tra fili percorsi da corrente. Fenomeni elettromagnetici Induzione elettromagnetica: legge di Faraday-Lenz. Autoinduzione e induttanza. Circuiti in corrente alternata. Equazioni di Maxwell. Onde elettromagnetiche e ottica Caratteristiche generali, spettro e intensità di un’onda elettromagnetica. La luce. Propagazione in un mezzo e indice di rifrazione. Ottica geometrica. Dispersione. Interferenza e diffrazione. Teoria della radiazione.

Fenomeni elettrici Carica elettrica. Quantizzazione e conservazione della carica elettrica. Conduttori, isolanti, semiconduttori. Campo elettrico. Legge di Gauss per il campo elettrico e applicazioni. Forza di Coulomb. Potenziale elettrico e applicazioni. Condensatori: capacità di un condensatore, energia elettrostatica di un condensatore. Corrente elettrica. Resistenza e legge di Ohm. Conduttività e resistività elettrica. Energia e potenza elettrica. Circuiti elettrici e leggi di Kirchhoff. Misure di tensioni, correnti e resistenze. Fenomeni magnetici Campo magnetico. Forza magnetica (di Lorentz). Legge di Ampère e applicazioni. Legge di Gauss per il campo magnetico. Moto di una particella carica in un campo magnetico. Forza tra fili percorsi da corrente. Fenomeni elettromagnetici Induzione elettromagnetica: legge di Faraday-Lenz. Autoinduzione e induttanza. Circuiti in corrente alternata. Equazioni di Maxwell. Onde elettromagnetiche e ottica Caratteristiche generali, spettro e intensità di un’onda elettromagnetica. La luce. Propagazione in un mezzo e indice di rifrazione. Ottica geometrica. Dispersione. Interferenza e diffrazione. Teoria della radiazione.

Meccanica: Grandezze fisiche, unità di misura, sistema internazionale (SI). Cinematica del punto materiale. Dinamica: sistemi inerziali, I II e III principio della dinamica. Lavoro, energia cinetica, energia potenziale. Leggi di conservazione. Dinamica dei sistemi: centro di massa, I e II equazione cardinale del moto. Teoria dell'urto. Momenti d'inerzia. Dinamica del corpo rigido. Gravitazione: Campo e potenziale gravitazionale. Leggi di Keplero. Termodinamica Sistema termodinamico: descrizione macroscopica e microscopica. Definizione di pressione in un fluido. Principio zero della termodinamica; dilatazione termica e misura della temperatura. Termometri e scale termometriche. Concetto di gas perfetto ed equazione di stato. Concetto di gas ideale e la teoria cinetica dei gas. Gas reali, legge di Van der Waals, diagrammi di stato. Calore, cambiamenti di stato, calore specifico e latente. Trasmissione del calore. Lavoro e trasformazioni termodinamiche. I Principio della Termodinamica e sue applicazioni. I Principio e le trasformazioni di gas perfetti. Macchine termiche e frigorifere; ciclo di Carnot. Rendimento delle macchine termiche. Postulati di Kelvin e Clausius. II Principio della Termodinamica. Trasformazioni reversibili ed irreversibili e principio di Carnot. Concetto di Entropia ed il II Principio della termodinamica. Entropia e probabilità. Onde Proprietà elastiche dei solidi. Propagazione di una perturbazione lungo una sbarra di materiale elastico. Corda vibrante. Equazione di d'Alembert delle onde. Principio di sovrapposizione. Onde trasversali e longitudinali. Onde sonore. Onde armoniche. Onde stazionarie. Velocità di gruppo. Effetto Doppler. Fluidi Definizione di fluido. Fluidi compressibili e incompressibili. Idrostatica. Legge di Pascal: pressa idraulica. Legge di Stevino. Principio di Archimede. Idrodinamica dei fluidi ideali. Teorema di Bernoulli ed applicazioni. La portata di un condotto. Teorema di Torricelli. Elementi di idrodinamica dei fluidi reali. Regime laminare. Viscosità. Legge di Hagen-Poiseuille. Regime turbolento. Perdita di carico in un condotto. Numero di Reynolds. Moto di un corpo in un fluido. Resistenza dei fluidi al moto di corpi immersi.

Basi sulla teoria degli insiemi. Insiemi numerici, costruzione dei reali, numeri complessi. Funzioni, composizione di funzioni, iniettività, suriettività, biunivocità, invertibilità, cardinalità di un insieme. Successioni reali, limite per una successione e teoremi classici. Limite di una funzione reale di una variabile reale; limiti destro e sinistro; teoremi classici. Continuità per funzioni reali di una variabile reale; proprietà di base e risultati classici. Calcolo differenziale per funzioni reali di una variabile reale. Massimi e minimi locali; monotonia di una funzione e segno della derivata prima; Teorema di de l'Hôpital; funzioni convesse e concave, punti di flesso e legame con il segno della derivata seconda. Integrazione secondo Riemann: teoremi classici e calcolo di integrali. Serie numeriche e serie di potenze. Spazi vettoriali: dimensione, base; matrici ed applicazioni lineari, nucleo, immagine; determinanti; soluzione di sistemi lineari; polinomio caratteristico, autovalori, autovettori, diagonalizzazione di matrici. Funzioni reali di più variabili reali; dominio, limiti e continuità in più variabili; derivate parziali e piano tangente; funzioni differenziabili e alcune proprietà di base; estremi liberi per una funzione differenziabile. Calcolo integrale per funzioni a più variabili: definizione di integrale, calcolo di integrali doppi per mezzo di integrazioni successive su rettangoli e insiemi semplici; cambiamento di variabile negli integrali multipli, applicazioni; integrali curvilinei. Basi di integrazione su superficie. Campi vettoriali: operatori vettoriali, Teoremi di Green, di Gauss e di Stokes. Cenni alle quazioni differenziali ordinarie.

Basi sulla teoria degli insiemi. Insiemi numerici, costruzione dei reali, numeri complessi. Funzioni, composizione di funzioni, iniettività, suriettività, biunivocità, invertibilità, cardinalità di un insieme. Successioni reali, limite per una successione e teoremi classici. Limite di una funzione reale di una variabile reale; limiti destro e sinistro; teoremi classici. Continuità per funzioni reali di una variabile reale; proprietà di base e risultati classici. Calcolo differenziale per funzioni reali di una variabile reale. Massimi e minimi locali; monotonia di una funzione e segno della derivata prima; Teorema di de l'Hôpital; funzioni convesse e concave, punti di flesso e legame con il segno della derivata seconda. Integrazione secondo Riemann: teoremi classici e calcolo di integrali.

Spazi vettoriali: dimensione, base; matrici ed applicazioni lineari, nucleo, immagine; determinanti; soluzione di sistemi lineari; polinomio caratteristico, autovalori, autovettori, diagonalizzazione di matrici. Funzioni reali di più variabili reali; dominio, limiti e continuità in più variabili; derivate parziali e piano tangente; funzioni differenziabili e alcune proprietà di base; estremi liberi per una funzione differenziabile. Calcolo integrale per funzioni a più variabili: definizione di integrale, calcolo di integrali doppi per mezzo di integrazioni successive su rettangoli e insiemi semplici; cambiamento di variabile negli integrali multipli, applicazioni; integrali curvilinei. Basi di integrazione su superficie. Campi vettoriali: operatori vettoriali, Teoremi di Green, di Gauss e di Stokes. Cenni alle quazioni differenziali ordinarie.

CHIMICA GENERALE. Gli elementi, composti chimici, formule. La costante di Avogadro e il concetto di mole. Nucleo, isotopi e radioattività. La teoria atomica: gli spettri atomici, l’atomo di Bohr, gli atomi multielettronici. Il sistema periodico e le proprietà periodiche degli elementi. Concetti fondamentali sul legame chimico: teoria di Lewis e geometria delle molecole mediante il modello VSEPR. Teorie del legame covalente. Legame ionico e metallico. Le forze intermolecolari, gli stati della materia e le loro proprietà principali. Le soluzioni e le loro proprietà: solubilità, tensione di vapore, pressione osmotica. Le reazioni chimiche e l’equazione chimica: bilanciamento di una reazione. I fondamenti della termodinamica chimica: entalpia, entropia ed energia libera. I principi dell’equilibrio chimico; la costante di equilibrio e il suo significato; spostamento dell’equilibrio. Gli equilibri acido-base. Equilibri eterogenei. Elettrochimica: le reazioni redox e gli stati di ossidazione; i potenziali standard e l’equilibrio delle reazioni redox; celle galvaniche ed elettrolitiche La cinetica chimica: velocità e ordine di una reazione; energia di attivazione; meccanismi di reazione; catalisi. STECHIOMETRIA: Il modulo di Esercitazioni di Stechiometria si svolge nell’ambito del corso di Chimica Generale e Inorganica e consiste pertanto nella risoluzione, anche numerica, di problemi di base relativi ad argomenti trattati nel corso teorico. In particolare: unità di misura ed elementi di statistica, classificazione dei composti, numero di ossidazione e nomenclatura, moli e numero di Avogadro, formula minima e formula molecolare, calcoli percentuali, bilanciamento di reazioni non redox, resa Testi in inglese di reazione, introduzione alla metrica della chimica verde e calcoli di economia atomica, reagente limitante, classificazione delle reazioni chimiche e previsione dei prodotti di reazione di reazioni semplici, le leggi dei gasi, equazione di stato dei gas perfetti, miscele di gas, concentrazione delle soluzioni, preparazione di soluzioni per pesata e per diluizione, proprietà colligative, equilibrio chimico, legge di azione di massa, calcolo della K e della composizione all'equilibrio, equilibri complessi, principio di Le Chatelier, autoprotolisi dell'acqua e Kw, calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi forti, titolazioni acido forte-base forte, calcolo del pH e della Ka e Kb di acidi e basi deboli, calcolo del pH di acidi poliprotici, grado di dissociazione acida, idrolisi, soluzioni tampone ed equazione di Henderson-Hasselbach, equilibri eterogenei, prodotto di solubilità, calcolo della solubilità, effetto dello ione comune, reazioni redox e loro bilanciamento, celle galvaniche, relazione tra energia libera e potenziale, equazione di Nernst, potenziali standard di riduzione, elettrolisi. LABORATORIO. Una parte del corso, di tipo teorico (2h), prevede: i) nozioni delle titolazioni acido-base e descrizione delle principali tecniche sperimentali utilizzate in laboratorio. Le attività pratiche di laboratorio (28 h) prevedono esercitazioni individuali comprendenti tecniche di base: pesata, filtrazione, cristallizzazione, preparazioni di soluzioni a titolo noto, sintesi di composti inorganici semplici. Le applicazioni di tali operazioni riguarderanno le seguenti esercitazioni: preparazione di soluzioni a concentrazione stabilita e misura del pH con indicatori. Equilibri di idrolisi. Preparazione di soluzioni tampone. Proprietà anfotere di idrossidi metallici. Studio dei potenziali di riduzione di diversi elementi. Determinazione del grado di purezza di un sale impuro (NaCl). Elettrolisi di una soluzione di KI; elettrolisi dell’acqua. Esperienza di cinetica. Verranno forniti elementi su come stilare efficaci relazioni di laboratorio e su come utilizzare un corretto lessico.

Gli elementi, composti chimici, formule. La costante di Avogadro e il concetto di mole. Nucleo, isotopi e radioattività. La teoria atomica: gli spettri atomici, l’atomo di Bohr, gli atomi multielettronici. Il sistema periodico e le proprietà periodiche degli elementi. Concetti fondamentali sul legame chimico: teoria di Lewis e geometria delle molecole mediante il modello VSEPR. Teorie del legame covalente. Legame ionico e metallico. Le forze intermolecolari, gli stati della materia e le loro proprietà principali. Le soluzioni e le loro proprietà: solubilità, tensione di vapore, pressione osmotica. Le reazioni chimiche e l’equazione chimica: bilanciamento di una reazione. I fondamenti della termodinamica chimica: entalpia, entropia ed energia libera. I principi dell’equilibrio chimico; la costante di equilibrio e il suo significato; spostamento dell’equilibrio. Gli equilibri acido-base. Equilibri eterogenei. Elettrochimica: le reazioni redox e gli stati di ossidazione; i potenziali standard e l’equilibrio delle reazioni redox; celle galvaniche ed elettrolitiche La cinetica chimica: velocità e ordine di una reazione; energia di attivazione; meccanismi di reazione; catalisi.

Stechiometria: Il modulo di Esercitazioni di Stechiometria si svolge nell’ambito del corso di Chimica Generale e Inorganica e consiste pertanto nella risoluzione, anche numerica, di problemi di base relativi ad argomenti trattati nel corso teorico. In particolare: unità di misura ed elementi di statistica, classificazione dei composti, numero di ossidazione e nomenclatura, moli e numero di Avogadro, formula minima e formula molecolare, calcoli percentuali, bilanciamento di reazioni non redox, resa di reazione, introduzione alla metrica della chimica verde e calcoli di economia atomica, reagente limitante, classificazione delle reazioni chimiche e previsione dei prodotti di reazione di reazioni semplici, le leggi dei gasi, equazione di stato dei gas perfetti, miscele di gas, concentrazione delle soluzioni, preparazione di soluzioni per pesata e per diluizione, proprietà colligative, equilibrio chimico, legge di azione di massa, calcolo della K e della composizione all'equilibrio, equilibri complessi, principio di Le Chatelier, autoprotolisi dell'acqua e Kw, calcolo del pH di soluzioni di acidi e basi forti, titolazioni acido forte-base forte, calcolo del pH e della Ka e Kb di acidi e basi deboli, calcolo del pH di acidi poliprotici, grado di dissociazione acida, idrolisi, soluzioni tampone ed equazione di Henderson-Hasselbach, equilibri eterogenei, prodotto di solubilità, calcolo della solubilità, effetto dello ione comune, reazioni redox e loro bilanciamento, celle galvaniche, relazione tra energia libera e potenziale, equazione di Nernst, potenziali standard di riduzione, elettrolisi. Laboratorio: Una parte del corso, di tipo teorico (2h), prevede: i) nozioni delle titolazioni acido-base e descrizione delle principali tecniche sperimentali utilizzate in laboratorio. Le attività pratiche di laboratorio (28 h) prevedono esercitazioni individuali comprendenti tecniche di base: pesata, filtrazione, cristallizzazione, preparazioni di soluzioni a titolo noto, sintesi di composti inorganici semplici. Le applicazioni di tali operazioni riguarderanno le seguenti esercitazioni: preparazione di soluzioni a concentrazione stabilita e misura del pH con indicatori. Equilibri di idrolisi. Preparazione di soluzioni tampone. Proprietà anfotere di idrossidi metallici. Studio dei potenziali di riduzione di diversi elementi. Determinazione del grado di purezza di un sale impuro (NaCl). Elettrolisi di una soluzione di KI; elettrolisi dell’acqua. Esperienza di cinetica. Verranno forniti elementi su come stilare efficaci relazioni di laboratorio e su come utilizzare un corretto lessico.

Argomenti del corso: Struttura e proprietà dei composti organici Introduzione generale al legame chimico. Legame chimico covalente, ionico e covalente polare: proprietà e geometria. Formule di struttura di Lewis e cariche formali, formule di risonanza. Gruppi funzionali, proprietà fisiche e nomenclatura. Gruppi funzionali e loro influenza sulle proprietà fisiche e chimiche (acidità e basicità) Acidi e basi in chimica organica. Pka delle molecole organiche. Basi coniugate e fattori di stabilità. Equilibri acido-base. Interazioni inter- and intra molecolari e loro effetto su proprietà e reattività. Nomenclatura IUPAC dei composti organici Isomeria, analisi conformazione e stereochimica. Isomeria: definizione e classificazione. Stereoisomeria. Isomeri conformazionali e configurazionali. Analisi conformazionale dei composti aciclici e ciclici. Conformazioni degli alcani ed energie relative, conformazioni dei cicloalcani, tensione angolare e tensione torsionale. Isomeria cis, trans nei cicloalcani. Chiralità e analisi configurazionale: diastereomeria ed enantiomeria. Configurazione E o Z negli alcheni. Regole di assegnazione delle priorità. Enantiomeri e attività ottica. Piani di simmetria. Assegnazione della configurazione assoluta R o S. Risonanza e delocalizzazione della carica, Carbocationi e carbanioni. Effetti induttivo e mesomero. Nucleofili ed elettrofili. Reazioni radicaliche e stabilità dei radicali. Gruppi funzionali e loro reattività-1 Alcani, alcheni e alchini: Reattività degli idrocarburi. Reattività degli alcheni. Addizione elettrofila ai doppi legami, meccanismo di reazione. Regola di Markovnikov e reazioni regioselettive. Diagrammi di energia, stati di transizione, intermedi di reazione. Idratazione di alcheni. Addizione radicalica di HBr. Addizione elettrofila e idrogenazione catalitica. Reazioni degli alcheni: Addizione di bromo e stereochimica. Ossidazione e riduzione di alcheni. Epossidazione e meccanismo concertato. Reazioni stereospecifiche. Ossidrilazione. Idrogenazione catalitica. Idroborazione-ossidazione. Alchini: IUPAC, sintesi e reattività. Tautomeria cheto-enolica. Alogenuri alchilici: Alogenuri alchilici: sintesi e reattività. Sostituzione nucleofila unimolecolare e bimolecolare (SN1, SN2). Effetti del substrato, del nucleofilo (relazione basicità e nucleofilo), del gruppo uscente e del solvente. Reazione di eliminazione mono-e bimolecolare. Competizione con SN. Alcoli: proprietà chimico-fisiche. Acidità e basicità, formazione di alcossidi. Sintesi per riduzione. Ossidazione. Disidratazione. Trasformazioni in alogenuri alchilici. Gruppi funzionali e loro reattività-2 Eteri: proprietà, sintesi e scissione. Epossidi. Apertura dell'anello epossidico in ambiente acido e basico con stereochimica. Tioli: acidità e basicità; reattività, ossidazione-riduzione. Ammine: sintesi, reattività, alchilazione, riduzione di ammidi. Aldeidi e chetoni: struttura, proprietà e preparazione. Addizione nucleofila al carbonile. Addizione di acqua, alcoli con formazione di acetali. Addizione nucleofila di ammine, amminazione riduttiva. Addizione di reattivi di Grignard al carbonile. Riduzione e ossidazione. Tautomeria e reazioni di condensazione. Acidi carbossilici e reazioni di sostituzione nucleofila acilica: Acidità del gruppo carbossilico, preparazione e reazioni. Derivati degli acidi carbossilici: Sintesi di derivati (cloruri acilici, anidridi, esteri, tioesteri, ammidi). Idrolisi, alcolisi. Ammidi: amminolisi, mesomeria e tautomeria. Fosfati acilici. Riduzione di derivati di acidi carbossilici e addizione di Grignard. Tautomeria cheto-enolica ed enolizzazione. Acidità degli idrogeni in alfa al carbonile. Condensazione aldolica, Claisen, Dieckmann. Reazione di Michael Gruppi funzionali e loro reattività-3/ Benzene: aromaticità, nomenclatura e proprietà. Reattività del benzene: sostituzione elettrofila aromatica: alogenazione, nitrazione, solfonazione, alchilazione e acilazione. Effetti dei sostituenti sulla disostituzione: attivazione e orientazione. Ossidazione in posizione benzilica. Riduzione del nitrobenzene. Benzeni trisostituiti ed effetti dei sostituenti. Fenoli e ammine aromatiche. Sostituzione nucleofila aromatica. Reazioni radicaliche. Amminoacidi e peptidi: classificazione e proprietà acido-base. Definizione di zwitterione e punto isoelettrico. Legame peptidico, mesomeria e proprietà. Zuccheri: Proiezioni di Fischer, notazione D,L, carbonio anomerico e reazione di glicosidazione. Definizione di epimero. Monosaccaridi ciclici, mutarotazione. Riduzione ad alditoli. Ossidazione, esteri ed eteri. Disaccaridi: lattosio, saccarosio, maltosio. Polisaccaridi. I lipidi: acidi grassi, cere e triacilgliceroli. Saponificazione dei grassi. Fosfolipidi e membrana cellulare. Steroidi.

TEORIA: Applicazione della teoria quanto-meccanica alla descrizione di sistemi multielettronici. Vengono introdotti gli elementi che stanno alla base dei programmi di calcolo della struttura elettronica di sistemi chimici, poi utilizzati nelle esercitazioni al calcolatore. In particolare viene discusso il problema della risoluzione dell'equazione di Schrödinger elettrostatica per atomi multielettronici e molecole nell'approssimazione di Born-Oppenheimer: sono trattate le problematiche relative agli autovalori ed autovettori dell'atomo di elio ottenuti con il metodo variazionale, metodo di Huckel, principio di anti-simmetria e determinanti di Slater per sistemi con più elettroni, approssimazione di Hartree-Fock, metodo LCAO, proprietà spettroscopiche rotazionali, vibrazionali ed elettroniche. Il corso si conclude con esercitazioni all’uso di programmi per la risoluzione dell’equazione di schrodinger per sistemi molecolari di interesse per il laboratorio di chimica fisica. LABORATORIO: Nella parte introduttiva saranno analizzati gli aspetti fondamentali dell'uso delle tecniche spettroscopiche con particolare riferimento agli spettrofotometri dispersivi e a trasformata di Fourier. Successivamente saranno ripresi i fondamenti delle spettroscopie rotazionale e roto-vibrazionale: a) richiamo delle equazioni dei livelli energetici e delle transizioni permesse di un rotatore rigido e di un oscillatore armonico; b) effetti dovuti alla distorsione centrifuga e all’anarmonicità. Infine saranno determinate le costanti rotazionali B, B0 e B1, e i relativi momenti di inerzia e le distanze di legame delle molecole HCl e CO. Nella parte finale dell’esercitazione sarà illustrato come determinare il coefficiente di estinzione molecolare della molecola CO attraverso gli spettri vibrazionali registrati a varie pressioni. Nelle lezioni introduttive sarà descritto il metodo dei minimi quadrati e la determinazione della retta di regressione lineare (calcolo della pendenza, dell’intercetta e del coefficiente di correlazione). Saranno eseguite delle esercitazioni sull’applicazione del metodo attraverso l’uso di un foglio di calcolo excel. Infine sarà illustrato agli studenti come redigere in modo efficace relazioni scientifiche e il quaderno di laboratorio e sarà illustrato come utilizzare il materiale didattico per un ulteriore approfondimento.

Per il chimico del XXI secolo lo strumento informatico è diventato un complemento fondamentale del lavoro in laboratorio. Nel corso vengono descritti i software e i database di più comune utilizzo nel campo della chimica. In primo luogo si descrive l’uso delle risorse bibliografiche elettroniche e dei database con esempi pratici relativi ai dati di natura spettroscopica e strutturale. In seguito, per sottolineare il carattere tridimensionale delle molecole viene approfondito il tema della grafica molecolare e della modellazione in silico dei sistemi chimici. Infine vengono utilizzati i software di calcolo quantomeccanico per predire e interpretare proprietà di natura chimica quali distanze ed energie di legame, energie di reazione e di combustione e calcolare spettri vibrazionali molecolari, Le variabili aleatorie e gli indicatori statistici. Dipendenza ed indipendenza statistica e relative implicazioni. Le distribuzioni di probabilità (normale, t di Student, F di Fisher, Chi quadrato, Poisson, binomiale, uniforme) ed il loro utilizzo. Il test statistico (struttura, finalità, errori alfa e beta). Test parametrici e non parametrici (introduzione ai vari test ed esempi relativi al loro uso). Correlazione tra variabili e autocorrelazione. ANOVA. Applicazione dei test a situazioni reali per prendere decisioni in laboratorio basate sulla significatività statistica. Approcci sperimentali per valutare la significatività di effetti. Esercitazioni con e senza calcolatore.

Le variabili aleatorie e gli indicatori statistici. Dipendenza ed indipendenza statistica e relative implicazioni. Le distribuzioni di probabilità (normale, t di Student, F di Fisher, Chi quadrato, Poisson, binomiale) ed il loro utilizzo. Il test statistico (struttura, finalità, errori alfa e beta). Test parametrici e non parametrici (introduzione ai vari test ed esempi relativi al loro uso). Correlazione tra variabili e autocorrelazione. ANOVA. Applicazione dei test a situazioni reali per prendere decisioni in laboratorio basate sulla significatività statistica e per la validazione di metodi analitici. Approcci sperimentali per valutare la significatività di effetti. Introduzione alla pianificazione sperimentale, analisi del problema, piani fattoriali completi a due livelli. Esercitazioni con e senza calcolatore.

Per il chimico del XXI secolo lo strumento informatico è diventato un complemento fondamentale del lavoro in laboratorio. Nel corso vengono descritti i software e i database di più comune utilizzo nel campo della chimica. In primo luogo si descrive l’uso delle risorse bibliografiche elettroniche e dei database con esempi pratici relativi ai dati di natura spettroscopica e strutturale. In seguito, per sottolineare il carattere tridimensionale delle molecole viene approfondito il tema della grafica molecolare e della modellazione in silico dei sistemi chimici. Infine vengono utilizzati i software di calcolo quantomeccanico per predire e interpretare proprietà di natura chimica quali distanze ed energie di legame, energie di reazione e di combustione e calcolare spettri vibrazionali molecolari

Equilibri in soluzione (acido-base, complessazione, precipitazione, redox); il coefficiente di attività; le determinazioni volumetriche (calcolo della curva di titolazione, sistemi indicatore, le titolazioni più importanti). Metodi quantitativi: validazione del metodo, cenni sui parametri da valutare per la validazione dei metodi, rappresentazione dei risultati (media, scarto tipo, intervallo di confidenza e test statistici), limite critico, LOD, LOQ, metodo della retta di taratura, metodo dello standard interno, metodo delle aggiunte multiple, metodo dell'aggiunta singola. Laboratorio: Breve lezione in aula di introduzione alle esperienze di laboratorio. Esercitazioni in laboratorio individuali e/o di gruppo, comprendono: - Esperienza sull’ effetto della forza ionica sull’equilibrio - Titolazioni complessometriche e di ossidoriduzione - Utilizzo di kit rapidi ed analisi spettrofotometrica per il rilevamento di ioni di interesse in campioni di acqua - Esperienza sulla precipitazione frazionata

Introduzione alle tecniche cromatografiche: teoria dei piatti teorici, teoria delle velocità, equazione di Van Deemter, parametri per la valutazione della bontà della separazione cromatografica: efficienza, risoluzione, scodatura, larghezza e asimmetria dei picchi. Meccanismi di separazione cromatografica: adsorbimento, ripartizione, scambio ionico, esclusione dimensionale. Cromatografia liquida e gascromatografia. Strumentazione HPLC: pompe, sistemi di introduzione del campione, colonne, rivelatori. Strumentazione GC: sistemi di introduzione del campione, colonne, rivelatori. Introduzione alle tecniche spettroscopiche di assorbimento ed emissione atomica. Assorbimento atomico a fiamma, fornetto di grafite, plasma accoppiato induttivamente. Strumentazione utilizzata: lampada a catodo cavo e a scarica senza elettrodi, sistema di atomizzazione, introduzione del campione, monocromatori, rivelatori. Interferenze spettrali, chimiche, effetto della matrice. Spettroscopia UV-vis: legge di Lambert-Beer e sue deviazioni, componenti strumentali Spettrofotometria di fluorescenza a raggi X : principi di funzionamento, cenni sulla strumentazione e campi di applicazione. Diffrazione di raggi X da polvere per l'analisi quali/quantitativa di fasi cristalline: principi di funzionamento, cenni sulla strumentazione e campi di applicazione.

Accenni di termodinamica e cinetica delle reazioni chimiche. Introduzione alla catalisi. Principi della chimica industriale. Proprietà di gas e liquidi. Bilanci di materia ed energia. Problematiche dell’energia e della sostenibilità. Concetto di green chemistry. Efficiency, atom economy e E -factor con esempi. Risorse rinnovabili. Risorse non rinnovabili. Materie prime. Petrolio. Gas naturale. Carbone. Biomasse lignocellulosiche. Esempi di processi chimici tradizionali nella sintesi di prodotti chimici di base e alternative green. Chimica delle formulazioni: introduzione, utilizzo di tensioattivi, dispersioni, emulsioni e stabilità dei sistemi dispersi. Esempi applicativi nell'industria dei detergenti, cosmesi e cementi.

Introduzione al corso. Definizione generale di Green Chemistry. Descrizione dei principali indicatori (green metrics: atom economy, e-factor, mass index, reaction mass efficiency, stoichiometric factor, mass recovery parameter) di efficacia e prestazioni ambientali di una sintesi organica. GRUPPI PROTETTIVI: Introduzione all’uso di gruppi protettivi in sintesi organica. Gruppi protettivi per i principali gruppi funzionali: introduzione e rimozione. Ortogonalità dei gruppi protettivi. Orbitali molecolari applicati alla reattività delle molecole organiche. HOMO e LUMO.Chemoselettività in reazioni di riduzione ed ossidazione. Uso di borano, DIBAL;reazione di idrogenolisi; riduzioni con metallo disciolto; riduzione di Birch. Ossidazione di Swern. Ossidazione con TEMPO. ENOLI, ENOLATI, ADDIZIONI CONIUGATE E CONDENSAZIONI Enoli ed enolati. Enolati di composti carbonilici e di derivati di acidi carbossilici. Eliminazione E1cB. Reattività ione enolato e alfa-alogenazione. Natura della base e regioselettività nella formazione di ioni enolato. Enol eteri e silil enol eteri. Alchilazione di enolati. Alchilazione di aldeidi usando enammine ed azaenolati. Alchilazione di composti beta-dicarbonilici e decarbossilazione. Controllo cinetico e termodinamico nella formazione e alchilazione di enolati. Composti alfa-beta insaturi: addizione di Michael e addizione diretta. Fattori che influenzano la reazione di Michael. Nucleofili hard e soft. Reazione di sostituzione coniugata. Cenni a organometallici del rame. Accettori di Michael e donatori di Michael. Enolati da composti dicarbonilici come donatori. Enoli, enammine, silil enol eteri e nitrocomposti come donatori di Michael. Reazioni di Darzens e Henry. Condensazione aldolica incrociata: utilizzo di equivalenti enolici (litio enolati, silil enol eteri, aza-enolati). Reazioni di Mannich, di Knoevenagel, di Reformatski. Reazione aldoliche intramolecolari e anellazione di Robinson. Condensazione di Claisen diretta e incrociata. Esteri reattivi non enolizzabili. Condensazione di Dieckmann. REAGENTI DI FOSFORO E ZOLFO Reazione di Wittig. Ilidi di fosfonio. Stereoselettività. Utilizzo degli ilidi di fosfonio o alchilfosfonati come equivalenti enolici in reazioni di condensazione. Ilidi di solfonio e solfossonio. Stereoselettività E/Z. Lo zolfo e i suoi composti (struttura e reattività). Stabilizzazione di carbanioni. Tioacetali. Ditiani e loro utilizzo come acilanioni equivalenti. Idrolisi e desolforazione dei ditiani. REAZIONI PERICICLICHE Reazione di Diels Alder. Dieni e Dienofili. Stereochimica delle reazioni di Diels Alder. Regola Endo. Prodotto cinetico e termodinamico della reazione di Diels Alder.Approccio con gli orbitali molecolari. Influenza di solvente e catalisi con acidi di Lewis.Reazioni intramolecolari. Regioselettività nelle reazioni di Diels Alder. Reazioni elettrocicliche: cicloaddizioni [2+2] per via termica e fotochimica. Cicloaddizioni 1,3 dipolari. Reazioni sigmatropiche: riarrangiamento di Claisen. CARBENI Diazometano. Carbeni: struttura, preparazione e reattività. Sintesi di ciclopropani. Reazione di Simmons Smith. Inserzione di carbeni in legami C-H. Reazione di metatesi di alcheni. Ring closing metathesis. Catalizzatori ed esempi. REAGENTI ORGANOMETALLICI E REAZIONI DI CROSS-COUPLING Introduzione alla chimica organometallica. Sintesi di reattivi organometallici tramite addizione ossidativa, transmetallazione e scambio metallo-alogeno. Addizione ossidativa. Eliminazione riduttiva. Inserzione di legante/migratoria. Beta eliminazione. Litio, magnesio e rame. Il palladio, reattività e complessi di Pd(0) e Pd(II). Riduzione in situ di Pd(II) a Pd(0). Reazione di Heck. Ciclo catalitico.Regioselettività e stereochimica delle reazioni di Heck. Reazioni di cross-coupling. Ciclo catalitico generico. Reazione di Suzuki. Ciclo catalitico e attivazione del boro. Esempi per formazione biarili, dieni e arilalcheni. Cenni a reazione di Stille e Negishi. Reazione di Sonogashira. COMPOSTI AROMATICI Sali di diazonio e loro reattività, reazioni di formilazione, cenni a reattività di fenoli e ammine aromatiche, reazioni di sostituzione nucleofila aromatica. CENNI ALLA RETROSINTESI Breve storia della chimica organica di sintesi, includendo contributi provenienti da generi diversi. Approccio retrosintetico. Definizioni ed esempi di sintoni e reagenti. Analisi retrosintetica di derivati aromatici usando sostituzioni elettrofile e nucleofile. Analisi retrosintetica con esempi. Mezzi di reazione alternativi e sistemi bifasici. Scelta dei solventi, mezzi di reazione non convenzionali, sistemi di reazione bifasici, sistemi bifasici fluorosi, reazioni di ossidazione e riduzione in mezzi non convenzionali. Prodotti da fonti naturali rinnovabili. Bioeconomia circolare. Carboidrati e loro prodotti da fermentazione, acido lattico, indaco, riboflavina, trasformazioni chimiche e chemoenzimatiche di carboidrati in prodotti di chimica fine e building-blocks, oli e grassi, biodiesel, polimeri biodegradabili da fonti naturali. Introduzione alla spettroscopia NMR. MODULO DI LABORATORIO: introduzione sulla sicurezza, indicatori di efficacia e prestazioni ambientali. Introduzione alle esperienze di laboratorio. 1. Reazione tipo Grignard in acqua 2. Sintesi del biodiesel 3. Condensazione aldolica senza solvente 4. Sintesi del glicerolo carbonato 5. Reazione di Friedel-Crafts con grafite 6. Epossidazione con dimetildiossirano preparato in situ. Le reazioni saranno analizzate con i parametri introdotti nelle lezioni teoriche.

Fondamenti di Termodinamica Classica. Premesse ai principi della Termodinamica: dalle proprietà microscopiche dei sistemi chimici alle proprietà macroscopiche, sistema e ambiente, processi reversibili e irreversibili, stato di equilibrio termodinamico, equazioni di stato e funzioni di stato. Zeresimo principio: equilibrio termico. Teoria cinetica dei gas, equazione di stato dei gas perfetti ed equazioni che descrivono il comportamento dei gas reali. Le costanti critiche. Il primo principio: lavoro, calore, energia interna ed entalpia. Calori specifici e capacità termiche. Il primo principio in azione: la termochimica. Il secondo principio: entropia ed energia libera di Gibbs. Condizioni di spontaneità di una reazione chimica. Le equazioni fondamentali per un sistema chiuso. Il terzo principio: entropie ed energie libere standard. Il potenziale chimico. Il passaggio da sistema chiuso a sistema aperto. Le sostanze pure: potenziale chimico e condizioni di equilibrio di fase, il concetto di varianza, i diagrammi di fase. Il punto critico. I miscugli omogenei: grandezze di mescolamento, grandezze molari parziali e potenziali chimici. I miscugli eterogenei: condizioni di equilibrio di fase e regola della fasi. Le reazioni chimiche: le grandezze standard di reazione e le costanti di equilibrio. L’influenza delle variabili fisiche sullo spostamento dell’equilibrio. Proprietà dei miscugli ideali e non: attività e coefficienti di attività. Proprietà colligative. Cinetica Chimica Relazione tra cinetica e termodinamica. Definizione di velocità ed ordine di reazione. Leggi cinetiche e integrazione. Determinazione dell’ordine di reazione e della costante cinetica. Stadio determinante la velocità di reazione e approssimazione dello stato stazionario. Velocità di reazione e temperatura: legge di Arrhenius. Relazione tra costante di equilibrio e costante cinetica. Meccanismi delle reazioni chimiche. Cinetica enzimatica.

Modulo di Fondamenti di Microbiologia: - Struttura e funzioni della cellula batterica - La locomozione microbica -Le strutture di superficie e le inclusioni cellulari - La struttura del DNA e la sua replicazione - Principi di biologia molecolare dei microrganismi - Genetica dei microrganismi - La nutrizione microbica - Effetti ambientali sulla crescita microbica - La coltura di microrganismi in laboratorio - La crescita microbica - Il metabolismo microbico - Esempi di prodotti e processi microbici a basso impatto ambientale - Substrati rinnovabili per la crescita dei microrganismi e la produzione di metaboliti di interesse industriale. Modulo di Fondamenti di Biochimica - Proteine: gli aminoacidi: caratteristiche chimiche e struttura. Livelli di organizzazione delle proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria e strutture sopramolecolari. I fattori che determinano la struttura secondaria e terziaria delle proteine. Il processo di folding. Il sistema GroEL:GroES. Esempi di relazione struttura-funzione in proteine: la mioglobina e l'emoglobina e il trasporto di ossigeno. Teoria della co-operatività. - Lipidi: classificazione, struttura e proprietà. - Carboidrati: classificazione; struttura e funzione; glicoproteine. - Enzimi: struttura e classificazione degli enzimi. Coenzimi e cofattori. Teoria della catalisi. Cinetica enzimatica. Inibizione enzimatica. Regolazione dell'attività enzimatica. Esempi di proteine catalitiche. -Aspetti termodinamici del metabolismo: i fosfo-composti ad alto contenuto energetico. L'ATP e le razioni di trasferimento di gruppi fosfato. Le reazioni di ossido riduzione nei sistemi biologici: il NAD(P) e il FAD. - Metabolismo dei carboidrati: Glicolisi. Fermentazione alcolica e omolattica. Regolazione della glicolisi. Degradazione del glicogeno. Gluconeogenesi. Processi ossidativi: ossidazione del piruvato, ciclo dell'acido citrico. Regolazione del ciclo dell’acido citrico. Meccanismo catalitico nella piruvato deidrogenasi. - Ossidazioni biologiche: Catena respiratoria: trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa. FoF1 ATP sintasi: struttura e meccanismo catalitico. - Metabolismo dei lipidi: trasporto e attivazione. Il processo della beta-ossidazione. Corpi chetonici. Biosintesi di acidi grassi: acido grasso sintasi. Sintesi di colesterolo - Metabolismo degli aminoacidi. Ossidazione degli amminoacidi e ciclo dell’urea. - Metabolismo dei nucleotidi. Sintesi delle basi puriniche. Sintesi delle basi pirimidiniche. Formazione dei deossiribonucleotidi. Degradazione dei nucleotidi. -Fotosintesi Modulo di Chimica e Biotecnologie Applicate Green Food Processing: concetti, strategie e strumenti; Sottoprodotti industria alimentare; Trattamento ad alta pressione; Omogeneizzazione ad alta pressione; Tecnologia a microonde; Tecnologia ad ultrasuoni per la lavorazione, la conservazione e l'estrazione; Campo elettrico pulsato (PEF); Trattamento con fluidi in condizioni supercritiche (CO2); Tecnologia dell’ozono; Radiazioni ionizzanti; Plasma freddo; Applicazioni industriali con enzimi e bioreattori.

Green Food Processing: concetti, strategie e strumenti Sottoprodotti industria alimentare Trattamento ad alta pressione Omogeneizzazione ad alta pressione Tecnologia a microonde Tecnologia ad ultrasuoni per la lavorazione, la conservazione e l'estrazione Campo elettrico pulsato (PEF) Trattamento con fluidi in condizioni supercritiche (CO2) Tecnologia dell’ozono Radiazioni ionizzanti Plasma freddo Applicazioni industriali con enzimi e bioreattori

- Proteine: gli aminoacidi: caratteristiche chimiche e struttura. Livelli di organizzazione delle proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria e strutture sopramolecolari. I fattori che determinano la struttura secondaria e terziaria delle proteine. Il processo di folding. Il sistema GroEL:GroES. Esempi di relazione struttura-funzione in proteine: la mioglobina e l'emoglobina e il trasporto di ossigeno. Teoria della co-operatività. - Lipidi: classificazione, struttura e proprietà. - Carboidrati: classificazione; struttura e funzione; glicoproteine. - Enzimi: struttura e classificazione degli enzimi. Coenzimi e cofattori. Teoria della catalisi. Cinetica enzimatica. Inibizione enzimatica. Regolazione dell'attività enzimatica. Esempi di proteine catalitiche. -Aspetti termodinamici del metabolismo: i fosfo-composti ad alto contenuto energetico. L'ATP e le razioni di trasferimento di gruppi fosfato. Le reazioni di ossido riduzione nei sistemi biologici: il NAD(P) e il FAD. - Metabolismo dei carboidrati: Glicolisi. Fermentazione alcolica e omolattica. Regolazione della glicolisi. Degradazione del glicogeno. Gluconeogenesi. Processi ossidativi: ossidazione del piruvato, ciclo dell'acido citrico. Regolazione del ciclo dell’acido cictrico. Meccanismo catalitico nella piruvato deidrogenasi. - Ossidazioni biologiche: Catena respiratoria: trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa. FoF1 ATP sintasi: struttura e meccanismo catalitico. - Metabolismo dei lipidi: trasporto e attivazione. Il processo della beta-ossidazione. Corpi chetonici. Biosintesi di acidi grassi: acido grasso sintasi. Sintesi di colesterolo - Metabolismo degli aminoacidi. Ossidazione degli amminoacidi e ciclo dell’urea. - Metabolismo dei nucleotidi. Sintesi delle basi puriniche. Sintesi delle basi pirimidiniche. Formazione dei deossiribonucleotidi. Degradazione dei nucleotidi. -Fotosintesi

- Struttura e funzioni della cellula batterica Morfologia strutturale e dimensioni della cellula batterica La membrana cellulare: struttura, funzione, Sistemi di trasporto Struttura della parete cellulare dei batteri Gram-positivi e Gram-negativi La colorazione di Gram - La locomozione microbica Flagelli, Motilità per scivolamento, Chemiotassi, fototassi e altre tassie -Le strutture di superficie e le inclusioni cellulari Fimbrie, pili, capsule, materiali di riserva, inclusioni citoplasmatiche, vescicole gassose, le endospore - La struttura del DNA e la sua replicazione - Principi di biologia molecolare dei microrganismi La sintesi e il processamento dell’RNA, la sintesi delle proteine - Genetica dei microrganismi La trasformazione La trasduzione generalizzata e specializzata I plasmidi La coniugazione I ceppi Hfr e la mobilitazione del cromosoma - La nutrizione microbica: tipi di nutrizione tra i batteri - Effetti ambientali sulla crescita microbica Temperatura, pH, ossigeno - La coltura di microrganismi in laboratorio I terreni di coltura complessi, selettivi e/o differenziali e sterilizzazione in autoclave La tecnica asettica (isolamento in coltura pura). Identificazione di un ceppo batterico tramite metodi biochimici. - La crescita microbica La scissione binaria. Il ciclo di crescita di una popolazione batterica (la curva di crescita) Le colture in continuo: il chemostato La misurazione diretta della crescita microbica e i metodi indiretti. - Il metabolismo microbico: La glicolisi, la respirazione e la catena di trasporto degli elettroni, la forza proton-motrice, la respirazione aerobia e anaerobia, le fermentazioni, il ciclo dell’acido citrico. L’anabolismo: biosintesi dei monomeri chiave. Biosintesi del peptidoglicano. - Esempi di prodotti e processi microbici a basso impatto ambientale (biotensioattivi e altri metaboliti secondari, enzimi degradativi). - substrati rinnovabili per la crescita dei microrganismi e la produzione di metaboliti di interesse industriale. Integrazione della dimensione di genere: durante le lezioni del corso, saranno proposti momenti di approfondimento dedicati ad alcune scienziate che hanno segnato tappe fondamentali, o il cui contributo allo sviluppo della microbiologia è stato a lungo sottovalutato o poco riconosciuto (tra cui, ad esempio Angelina Fannie Hesse, Mary Hunt, Margaret Pitt). Questi contenuti mirano a sensibilizzare le studentesse e gli studenti sull’importanza dell’inclusione, della parità di genere e dell’equità nella scienza.