Course Syllabus
Obiettivi
Fornire allo studente gli strumenti di base della termodinamica e della cinetica chimica per la comprensione e la modellazione di sistemi e processi biochimici.
Conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
- la natura della Termodinamica e il concetto di rappresentazione termodinamica della realtà fisica
- le prime tre leggi della Termodinamica
- il concetto di spontaneità in termini di entropia e di energia libera
- il concetto di equilibrio e la derivazione non fenomenologica della costante di equilibrio
- il concetto di velocità in una reazione chimica e sue applicazioni
- il concetto cinetico di meccanismo di reazione
- la derivazione dell’equazione di Michaelis-Menten in termini di cinetica chimica
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- calcolare le variazioni di grandezze termodinamiche
- applicare il criterio di spontaneità in termini di energia libera
- utilizzare dati sperimentali per dedurre una legge di velocità e calcolare la relativa costante di velocità
- verificare un meccanismo di reazione
Autonomia di giudizio.
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- applicare correttamente e in modo critico le leggi della Termodinamica
Abilità comunicative.
Saper affrontare semplici problemi di termodinamica e cinetica, esponendo oralmente con proprietà di linguaggio il procedimento applicato ed i risultati ottenuti
Capacità di apprendimento
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante gli aspetti termodinamici dei processi biologici
Contenuti sintetici
Termodinamica: Energia e prima legge. Entropia, seconda e terza legge. Energia libera ed equilibrio. Equilibrio chimico .
Cinetica: leggi e meccanismo delle reazioni discontinue.
Programma esteso
Descrizione dei sistemi macroscopici. Natura della termodinamica. Rappresentazione termodinamica della realtà fisica. Variazione dello stato di un sistema. Lavoro e calore.
Energia e prima legge della termodinamica. Prima legge della termodinamica. La misura del calore come variabile di stato. Entalpia. Capacità termica. Variazioni di entalpia. Variazione di entalpia nelle trasformazioni di fase. Stati di aggregazione della materia.
Entropia, seconda e terza legge della termodinamica. Processi spontanei. Seconda legge della termodinamica. Criterio di spontaneità in termini di entropia. Degenerazione di uno stato ed entropia. Equazione di Boltzmann. Esempi di processi spontanei: equilibrio termico; equilibrio di fase. Terza legge della termodinamica. Entropia residua.
Energia libera ed equilibrio. Energia libera di Gibbs ed energia libera di Helmholtz. Criterio di spontaneità in termini di energia libera. Sistemi con un solo componente: l’equilibrio di fase. Sistemi con più componenti: equilibrio di mescolamento; soluzioni ideali e reali; stati standard. Potenziale chimico e sua dipendenza dalla composizione. Equilibrio di reazione: la costante di equilibrio; variazioni di energia libera standard; dipendenza di ΔG e K dalla temperatura. Equilibri chimici in sistemi di interesse biologico: le interazioni idrofobiche.
Sistemi lontano dall’equilibrio. Fenomeni di trasporto. Cenni di termodinamica dei sistemi lontani dall’equilibrio.
Cinetica e meccanismo delle reazioni discontinue. Velocità di reazione. Legge di velocità, costante di velocità ed ordine di reazione. Equazioni cinetiche per reazioni di vario ordine. Determinazione sperimentale dell'ordine di reazione e della velocità di reazione. Stadi elementari e meccanismo di reazione. Relazione tra costante di equilibrio e costante di velocità. Costruzione di un meccanismo di reazione. Dipendenza della costante di velocità di una reazione elementare dalla temperatura; equazione di Arrhenius. Relazione tra costante di velocità ed energia di attivazione. Catalisi enzimatica; derivazione dell’equazione di Michaelis-Menten; inibizione competitiva e non-competitiva; inibizione da substrato.
Prerequisiti
Prerequisiti: Semplici nozioni di Fisica (Energia e sue forme). Semplici concetti matematici (significato di derivata e integrale, differenziali). Conoscenze di stechiometria.
Propedeuticità specifiche: nessuna.
Propedeuticità generali: lo studente può sostenere gli esami del terzo anno dopo aver superato tutti gli esami del primo anno di corso
Modalità didattica
Le lezioni frontali e le esercitazioni numeriche saranno tenute, se possibile, in presenza in aula.
Se dovesse perdurare l'emergenza Covid-19 le lezioni frontali e le esercitazioni numeriche, si svolgeranno in
modalità mista: parziale presenza e lezioni videoregistrate sincrone (https://unimib.webex.com/
L'insegnamento è tenuto in lingua italiana.
Materiale didattico
Appunti delle lezioni.
Testi suggeriti:
- Atkins, De Paula “Chimica Fisica Biologica 1”, Zanichelli 2007
- Pitea, “ Elementi di Chimica Fisica”, dispense
- Prigogine, Kondepudi, Termodinamica, Bollati Boringhieri, 2002
- Roussel, “A Life Scientist’s Guide to Physical Chemistry”, Cambridge, 2012
- E. Tiezzi, “Verso una fisica evolutiva”, Donzelli 2006
- M-W Ho, “The rainbow and the worm”, World Scientific 1998
- E. Schrödinger, “Che cos'è la vita?”, Adelphi 1995
- E. Tiezzi, “Tempi storici, tempi biologici”, Donzelli 2005
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale.
All'inizio dell'esame orale, saranno sottoposte allo studente alcune domande a risposta multipla come iniziale verifica di quanto appreso. Le risposte dovranno essere sempre motivate e ricollegate a concetti più ampi.
Ulteriori domande di approfondimento saranno poste sugli argomenti trattati a lezione, con particolare riguardo all'energia libera e all'equilibrio chimico (per la parte di termodinamica) e alle leggi cinetiche (per la parte di cinetica).
Nella prova finale, per quanto possibile, lo studente verrà valutato sulla base dei seguenti criteri:
1) conoscenza e capacità di comprensione ;
2) capacità di collegare i diversi concetti;
3) autonomia di ragionamento;
4) capacità di utilizzare correttamente il linguaggio scientifico
Orario di ricevimento
Ricevimento: su appuntamento, previa e-mail al docente.
Aims
Provide the student with the basic tools of thermodynamics and chemical kinetics for understanding and modeling biochemical systems and processes.
Knowledge and understanding:
At the end of the course the student knows:
- the nature of Thermodynamics and the concept of thermodynamic representation of physical reality
- the first three laws of Thermodynamics
- the concept of spontaneity in terms of entropy and free energy
- the concept of equilibrium and the non-phenomenological derivation of the equilibrium constant
- the concept of reaction rate and its applications
- the kinetic concept of reaction mechanism
- the derivation of the Michaelis-Menten equation in terms of chemical kinetics
Ability to apply knowledge and understanding:
At the end of the course the student is able to:
- calculate the variations of thermodynamic quantities
- apply the criterion of spontaneity in terms of free energy
- use experimental data to deduce a reaction rate law and calculate the relative rate constant
- verify a reaction mechanism
Making judgements.
At the end of the course the student is able to:
- apply the laws of Thermodynamics correctly and critically
Communication skills.
Knowing how to deal with simple problems of thermodynamics and kinetics, exposing orally with the properties of language the procedure applied and the results obtained
Learning skills
Be able to apply the acquired knowledge to different contexts from those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning the thermodynamic aspects of biological processes
Contents
To provide the student with the basic tools of thermodynamics and chemical kinetics for the understanding and modeling of biochemical systems and processes.
Detailed program
Description of macroscopic systems. Nature of thermodynamics. Thermodynamic representation of physical reality. Changing the status of a system. Work and heat.
Energy and the first law of thermodynamics. First law of thermodynamics. The measurement of heat as a state variable. Enthalpy. Thermal capacity. Enthalpy variations. Enthalpy variation in phase transformations. State of aggregation of the matter.
Entropy, second and third law of thermodynamics. Spontaneous processes. Second law of thermodynamics. Criterion of spontaneity in terms of entropy. Degeneration of a state and entropy. Boltzmann equation. Examples of spontaneous processes: thermal equilibrium; phase equilibrium. Third law of thermodynamics. Residual entropy.
Free energy and equilibrium. Gibbs free energy and Helmholtz free energy. Criterion of spontaneity in terms of free energy. Systems with only one component: phase equilibrium. Systems with multiple components: mixing equilibrium; ideal and real solutions; standard states. Chemical potential and its dependence on the composition. Reaction equilibrium: the equilibrium constant; variations of free standard energy; dependence of ΔG and K on temperature. Chemical equilibria in systems of biological interest: hydrophobic interactions.
Systems far from equilibrium. Transport phenomena. Elements of thermodynamics of systems far from equilibrium.
Kinetics and mechanism of discontinuous reactions. Reaction velocity. Speed law, velocity constant and reaction order. Kinetic equations for reactions of various order. Experimental determination of the reaction order and reaction velocity. Elementary stages and reaction mechanism. Relationship between equilibrium constant and velocity constant. Construction of a reaction mechanism. Dependency of the velocity constant of an elementary reaction from the temperature; Arrhenius equation. Relationship between velocity constant and activation energy. Enzyme catalysis; derivation of the Michaelis-Menten equation; competitive and non-competitive inhibition; substrate inhibition.
Prerequisites
Background: simple notions of Physics (Energy and its forms). Simple mathematical concepts (meaning of derivative and integral, differential). Knowledge of stoichiometry.
Specific prerequisites: none.
General prerequisites: Students can take the exams of the third year after having passed all the exams of the first year of the course.
Teaching form
Lectures and numerical exercises will be held in the classroom.
If the Covid-19 emergenct will continue, lectures and numerical exercises will take place in mixed mode: partial presence and synchronous on-line lessons (https://unimib.webex.com/
Teaching language: italian.
Textbook and teaching resource
Notes of the lessons.
Recommended textbooks:
- Atkins, De Paula “Chimica Fisica Biologica 1”, Zanichelli 2007
- Pitea, “ Elementi di Chimica Fisica”, dispense
- Prigogine, Kondepudi, Termodinamica, Bollati Boringhieri, 2002
- Roussel, “A Life Scientist’s Guide to Physical Chemistry”, Cambridge, 2012
- E. Tiezzi, “Verso una fisica evolutiva”, Donzelli 2006
- M-W Ho, “The rainbow and the worm”, World Scientific 1998
- E. Schrödinger, “Che cos'è la vita?”, Adelphi 1995
- E. Tiezzi, “Tempi storici, tempi biologici”, Donzelli 2005
Semester
First semester
Assessment method
The assessment of learning takes place with a final oral examination, no ongoing tests are planned.
At the beginning of the oral exam, several multiple-choice questions will be submitted to the student as an initial verification of what has been learned. The answers must always be motivated and linked to broader concepts.
Further in-depth questions will be asked on the topics covered in class, with particular regard to free energy and chemical equilibrium (for the thermodynamic part) and to the kinetic laws (for the kinetic part).
In the final examination, as far as possible, the student will be evaluated on the basis of the following criteria:
1) knowledge and ability to understand;
2) ability to connect different concepts;
3) reasoning autonomy;
4) ability to correctly use scientific Language
Office hours
Contact: on demand, upon request by mail to lecturer.
Key information
Staff
-
Giorgio Moro