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 2019/20
Beslutad av: Programledning B/K
Beslutsdatum: 2019-03-29
Allmänna uppgifter
Huvudområde: Teknik.
Obligatorisk för: B2, K2
Valfri för: N4-nbm, N4-m
Undervisningsspråk: Kursen ges på svenska
Syfte
Kursen avser att ge studenten en god grund för fortsatta
studier inon kemisk separation och analys, reaktionsteknik,
läkemedelskemi, molekylär bioteknik och nanovetenskap genom att
ge insikter i hur intermolekylära interaktioner styr makroskopiska
systems statiska och dynamiska egenskaper.
Mål
Kunskap och förståelse
För godkänd kurs skall studenten
- visa insikt i hur olika molekylära egenskaper ger upphov till
den intermolekylära interaktionen och hur dessa
styr makroskopiska beteenden, som t.ex. fasseparation,
icke-idealitet och lösningsmedelsegenskaper.
- visa insikt i den molekylära bakgrunden till dynamik i kemiska
system, som diffusion och reaktionskinetik.
Färdighet och förmåga
För godkänd kurs skall studenten
- kunna analysera en frågeställning och utföra relevanta
beräkningar med hjälp av de modeller och ekvationer som
presenteras i kursen.
- med hjälp av miniräknare och dator kunna utföra vanliga
numeriska operationer.
- kunna utföra kemiska laborationer på ett noggrant och säkert
sätt samt handha vanlig laborativ utrustning.
- kunna skriva enkla och fullständiga laborationsredogörelser
enligt givna instruktioner med korrekt presentation av data och
feluppskattningar.
Värderingsförmåga och förhållningssätt
För godkänd kurs skall studenten
- kunna diskutera vardagsfenomen, så som fasseparation mellan
olja och vatten, utifrån kursens innehåll.
- 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 fas- och fördelningsjämvikter samt
icke-idealitet med Bragg-Williamsmodellen, däribland destillation,
blandningsluckor och fördelningsjämvikter. Specifikt beskrivs
även Henrys konstant, aktivitetskoefficienter och
fördelningskoefficienter med denna modell.
- Beskrivning av kooperativa processer, t.ex. helixbildning i
polymerer.
- Ligandbidningsformalism för kopplade jämvikter och
beskrivning av hämning och kooperativitet i t.ex.
biomolekyler.
- Klassisk elektrostatik och intermolekylär växelverkan mellan
molekyler i dielektriska media, inklusive Gauss lag, Coulombs lag,
dipolmoment och dispersionskrafter. Jonsolvatisering
(Bornekvationen) beräkningar med Poisson-Boltzmanns ekvation och
Debye-Hückelteori. Kursen behandlar även effekten av dielektriska
gränsytor. Detta tillämpas 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. Detta inkluderar effekten
av diffusion i biokemiskt relevanta problemställningar, såsom
diffusion genom geler och diffusionskontrollerad
reaktionskinetik.
- Fundamental beskrivning av reaktionskinetik:
aktiveringstillsånd, Eyrings- och Arrhenius ekvationer samt
diffusionskontrollerade hastighetskonstanter.
- Numeriska beräknings- och simuleringsmetoder: finita
elementmetoden, molekyldynamik-, stokastisk- och Monte
Carlosimuleringar.
- Tre laborationer som behandlar (1) fördelningsjämvikt och
jonsolvatisering, (2) molekylära egenskaper, som volym,
dipolmoment, laddning och polariserbarhet samt (3) gasdiffusion.
Minst en fullständlig laborationsrapport inklusive statistisk
analys och felfortplantning med hjälp av Monte Carlometoden.
- Vid laborationerna tränas spektrofotometrisk
absorbansmätning, konduktansmätning, arbete med gastuber samt
användning av densiometer och refraktometer.
- En datorlaboration behandlar modellering av destillation och
aktivitetsfaktorer med Bragg-Williamsmodellen.
- Numeriska problem, såsom integrering, derivering,
ekvationslösning samt passning till räta linjens ekvation löses
både med räknare och dator.
Kursens examination
Betygsskala: TH - (U,3,4,5) - (Underkänd, Tre, Fyra, Fem)
Prestationsbedömning: Skriftlig tentamen, laborationer och en inlämningsuppgift. Slutbetyget baseras på den skriftliga tentamen.
Om så krävs för att en student med varaktig funktionsnedsättning ska ges ett likvärdigt examinationsalternativ jämfört med en student utan funktionsnedsättning, så kan examinator efter samråd med universitetets avdelning för pedagogiskt stöd fatta beslut om alternativ examinationsform för berörd student.
Delmoment
Kod: 0116. Benämning: Tentamen.
Antal högskolepoäng: 6,5. Betygsskala: TH. Prestationsbedömning: Skriftlig tentamen.
Kod: 0216. Benämning: Laborationer och inlämningsuppgift.
Antal högskolepoäng: 1. Betygsskala: UG. Prestationsbedömning: För betyg G skall varje laboration utföras och redovisas enligt anvisningarna, vilket kan innebära skriftligt eller muntligt, på svenska eller engelska. För godkänt skall de skriftliga rapporterna vara enkla men korrekta och koncisa, ha lämplig struktur samt innehålla en relevant diskussion av resultaten. Delmomentet omfattar: I kursen ingår tre "våta" laborationer, en demonstrationslaboration i datorsimulering samt en obligatorisk inlämningsuppgift.
Antagningsuppgifter
Förkunskapskrav:
- Minst 5 högskolepoäng inom kurserna FMAA05 Endimensionell analys
Förutsatta förkunskaper: FMAB30 Flerdimensionell analys, FMAA20 Linjär algebra med introduktion till datorhjälpmedel, 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 Science, 2010, ISBN: 9780815344308.
Kontaktinfo och övrigt
Kursansvarig: Kristofer Modig, kristofer.modig@bpc.lu.se
Hemsida: http://www.cmps.lu.se/bpc/education/
Övrig information: Viss undervisning kan komma att ske på engelska. Viss rapportering kan krävas på engelska.