Kursplan för
Molekylära drivkrafter 2: Växelverkan och dynamik
Molecular Driving Forces 2: Interactions and Dynamics
KFKF01, 7,5 högskolepoäng, G2 (Grundnivå, fördjupad)
Gäller för: Läsåret 2012/13
Beslutad av: Utbildningsnämnd 2
Beslutsdatum: 2012-04-04
Allmänna uppgifter
Huvudområde: Teknik.
Obligatorisk för: B2
Undervisningsspråk: Kursen ges på svenska
Syfte
Syftet med kursen är att ge studenterna en inblick i hur
intermolekylära interaktioner styr makroskopiska systems statiska
och dynamiska egenskaper.
Mål
Kunskap och förståelse
För godkänd kurs skall studenten
- kunna ge en molekylär beskrivning av orsakerna till
transportfenomenet diffusion.
- kunna förklara begreppen aktiveringsenergier och detaljerad
balans och deras betydelse i olika sammanhang, så som
reaktionskinetik, proteinveckning och katalys.
- kunna beskriva och klassificera vilka olika molekylära
egenskaper som ger upphov till den intermolekylära
interaktionen.
- med utgångspunkt i den elektriska potentialen kunna diskutera
diverse fenomen, så som elektrokemiska jämvikter och
jonsolvatisering.
- kunna använda och förstå bakgrunden till några olika
termodynamiska modeller som framtagits för att beskriva
makroskopiska fenomen så som fasomvandlingar, blandningsluckor,
azeotroper, fördelningsjämvikter och jonlösningars
ickeidealitet.
- visa fundamental förståelse av den viktigaste fysiken för
biopolymerer, så som kooperativ sekundärstrukturbildning,
adsorption, biokatalys, kooperativ ligandbindning och hydrofob
interaktion.
- kunna beskriva de viktigaste egenskaperna hos vatten så som
vätebindningsstruktur, densitetens temperaturberoende, principen
för den hydrofoba effekten och vattens betydelse för
termodynamiken i biokemiska processer.
- kunna beskriva principerna för några
molekylsimuleringsmetoder.
Färdighet och förmåga
För godkänd kurs skall studenten
- kunna beräkna olika bidrag till interaktionen mellan två
molekyler, så som mono- och dipolmoment samt
dispersionskrafter.
- med hjälp av enkla gittermodeller kunna modellera några olika
fenomen så som fasövergångar, destillation, blandningsluckor,
sekundärstrukturbildning i proteiner och adsorption på ytor.
- praktiskt och teoretiskt kunna uppskatta olika bidrag till
löslighet, så som solvatisering enligt Born-ekvationen och
jon-joninteraktionen enligt Debye-Hückelteorin.
- kunna uppskatta effekten av diffusion i biokemiskt relevanta
problemställningar, såsom diffusion genom geler och
diffusionskontrollerad reaktionskinetik.
- kunna skriva enkla men fullständiga
laborationsredogörelser.
Värderingsförmåga och förhållningssätt
För godkänd kurs skall studenten
- kunna diskutera biologiskt relevanta frågeställningar
utifrån de grundläggande modeller som ges på kursen.
- kunna värdera giltigheten hos de modeller som ges på
kursen.
Kursinnehåll
Kursen visar hur intermolekylär växelverkan ger upphov till
struktur på mikroskopisk och mesoskopisk nivå samt hur den
kvalitativt kan förklara och förutsäga materiens makroskopiska
egenskaper. Detta ger en molekylär förklaring till stora delar av
termodynamiken och makroskopiska transportprocesser samt ger de
verktyg som behövs för att man skall kunna förutsäga hur
molekylära manipulationer påverkar ett (bio)materials
makroskopiska egenskaper.
Särskild vikt läggs vid egenskaper hos biopolymerer, så som
proteiner och DNA-molekyler. Två hela föreläsningar ägnas åt
vattens egenskaper och unika betydelse för solvatisering av och
interaktionen mellan såväl små som stora (bio)molekyler.
Vidare behandlar kursen molekylers rörelse i vätskor
(diffusion) och ger därmed den molekylära grunden för
makroskopiska transportprocesser och reaktionskinetiken för
enzymer.
Innehållsmässigt består kursen av följande moment:
- Beskrivning av fasjämvikter med Bragg-Williamsmodellen.
- Beskrivning av kooperativa processer, däribland ligandbindning
till proteiner och helixbildning i polymerer. I samband med detta
introduceras bindningspolynomformalismen för hantering av
komplicerade jämvikter.
- Klassisk elektrostatik och intermolekylär växelverkan k med
tillämpningar på bl.a. adsorption, vätskor, elektrolytlösningar
och elektrokemiska jämvikter.
- Beskrivning av egenskaper hos flytande vatten och vatten som
lösningsmedel, inklusive den hydrofoba effekten.
- Mikroskopisk beskrivning av diffusion, inkluderande bl.a.
Brownsk rörelse och kinetisk gasteori.
- Fundamental beskrivning av reaktionskinetik:
aktiveringstillsånd, Eyrings- och Arrhenius ekvationer samt
diffusionskontrollerade hastighetskonstanter.
- Numeriska beräknings- och simuleringsmetoder: finita
elementmetoden, molekyldynamik-, stokastisk- och Monte
Carlosimuleringar.
Kursen innehåller laborationer som illustrerar de olika
egenskaper som bidrar till molekylers löslighet, diffusion i gaser
samt bestämning av några molekylära egenskaper: däribland
dipolmoment och laddning. Den sista laborationen är en
demonstration av olika simuleringsmetoder.
Kursens examination
Betygsskala: TH
Prestationsbedömning: Examination sker genom en skriftlig tentamen. För slutbetyg krävs också att kursens fyra obligatoriska laborationer är godkända.
Antagningsuppgifter
Förutsatta förkunskaper: FMAA01 Endimensionell analys, FMA420 Linjär algebra, KFKA05 Molekylära drivkrafter 1: Termodynamik
Begränsat antal platser: Nej
Kursen överlappar följande kurser: KFK080, KFK090
Kurslitteratur
- Dill, K and Bromberg, S: Molecular driving forces. Statistical thermodynamics in Chemistry, Physics, Biology and Nanoscience. 2nd edition. Garland Publishing Inc 2010. ISBN: 9780815344308.
Kontaktinfo och övrigt
Kursansvarig: Kristofer Modig, kristofer.modig@bpc.lu.se
Hemsida: http://www.cmps.lu.se/bpc/teaching/