Nazwa pola Komentarz Nazwa (w języku polskim oraz angielskim) Jednostka oferująca przedmiot Liczba punktów ECTS 5 Sposób zaliczenia Egzamin Język wykładowy Polski Określenie, czy przedmiot Jednorazowo może być wielokrotnie zaliczany Skrócony opis Podstawy Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Nauki o Materiałach Introduction to Organic, Bioorganic Chemistry and Materials Science CBMiM PAN W ramach wykładów przedstawiane są podstawy termodynamiki i kinetyki chemicznej przy czym zakłada się, że Doktoranci mieli już możliwość zetknięcia sie z poruszanymi zagadnieniami podczas studiów. Ograniczony czas wykładu pozwala na przedstawienie podstaw termodynamiki formalnej umożliwiających wprowadzenie wielkości termodynamicznych i zależności termodynamicznych istotnych z p-tu widzenia praktykującego chemika. Wielkości, na które położony jest nacisk to potencjał termodynamiczny, który charakteryzuje równowagę chemiczną. Doktoranci uczą się (przypominają sobie) jak wyznaczać wielkości termodynamiczne i jak wyznaczone wielkości wykorzystać do opisu równowagi chemicznej. W części dotyczącej kinetyki chemicznej przypomniane są podstawowe zależności kinetyczne oraz przedstawione metody badań i sposoby wyznaczania równań kinetycznych. Pokazany jest sposób analizy reakcji złożonych. Omówione są teorie kinetyczne oraz pokazane jest jak w tych teoriach wykorzystuje się wielkości termodynamiczne. Omawiany jest też sposób wykorzystania parametrów z teorii kinetycznych do badań mechanizmów reakcji. W części z zakresu tematyki bioorganicznej wykład stanowi omówienie podstawowych klas związków występujących w organizmach żywych i ich struktury chemicznej i właściwości biologicznych. W zakresie podstaw chemii organicznej zostaną omówione wszystkie ważniejsze pojęcia i teorie pozwalające zrozumieć naturę związku organicznego, zależności między strukturą a właściwościami oraz jego reaktywność, takie jak: teorie, rodzaje, charakterystyki i wielkości fizykochemiczne określające wiązanie chemiczne; reaktywność wiązań chemicznych; grupy funkcyjne; efekty steryczne i elektronowe indukcyjne i mezomeryczne; inne pojęcia jak np. elektroujemność, tautomeria, aromatyczność, polarność, polaryzacja, polaryzowalność, itp. W zakresie podstaw chemii polimerów zostaną omówione podstawowe pojęcia i definicje związane z chemią polimerów i makrocząsteczek, różnice między właściwościami polimerów i związków małocząsteczkowych oraz chemiczne struktury makrocząsteczek naturalnych i syntetycznych. Podkreślona zostanie też wybitna rola makrocząsteczek w funkcjonowaniu organizmów żywych oraz materiałów polimerowych we współczesnej cywilizacji człowieka. Przedstawiony zostanie rozwój nauki o polimerach w ujęciu historycznym. Wskazane zostaną rosnące problemy związane z masowym wykorzystaniem polimerów syntetycznych oraz sposoby ich wyeliminowania. 1
Pełny opis (do 1.000 znaków) Przedmiot wykładany jest w dwóch częściach- pierwsza obejmuje podstawy termodynamiki chemicznej, która ze względu na ograniczony czas wykładu (2 godz.) obejmuje zwięzłe przedstawienie w postaci prezentacji podstawowych pojęć i zależności między wielkościami termodynamicznymi. -Na wstępie (w celu łatwiejszego śledzenia wykładu) w postaci diagramu przedstawione są współzależności między różnymi pojęciami i zagadnieniami termodynamicznymi. -Wprowadzone są pojęcia: układu termodynamicznego, termodynamicznej funkcji stanu, różnych rodzajów przemian termodynamicznych -Omówione są zasady termodynamiki -Omówione są właściwości termodynamicznych funkcji stanu ze zwróceniem uwagi na funkcje stanowiące tzw. potencjał termodynamiczny, opisujące równowagę chemiczną a więc najbardziej przydatne w pracy chemika - Przedstawienie sposobów obliczania potencjału termodynamicznego (standardowej entalpii swobodnej) oraz innych funkcji termodynamicznych (entalpii i entropii standardowej; Podanie przykładów obliczeń - Wyprowadzenie jednego najważniejszych równań: G o = -RTlnK; pokazanie sposobów jego wykorzystania do znajdowania położenia równowagi reakcji w oparciu o efekty cieplne oraz odwrotnie. - Przedstawienie zależności stałej równowagi od temperatury, (izobara Van t Hoffa) ; Przykłady obliczeń - Pojęcie potencjału chemicznego, roztwory idealne i rzeczywiste; pojęcie aktywności termodynamicznej -Wskazanie na możliwość obliczeń wielkości termodynamicznych w oparciu o molekularną interpretacja entropii, stałej równowagi, potencjału termodynamicznego itd. - Pokazanie związku między kinetyką a termodynamiką. Druga część wykładów dotycząca podstaw kinetyki chemicznej (również 2 godz.) obejmuje: -Przedstawienie podstawowych pojęć dotyczących szybkość reakcji i równań kinetycznych -Krótkie omówienie metod badania szybkości reakcji - Omówienie metod wyznaczania rzędu reakcji oraz stałej szybkości reakcji i przedstawienie równań kinetycznych zerowego, pierwszego, drugiego rzędu - Wprowadzenie pojęć i omówienie (na przykładach) reakcji złożonych; pokazanie sposobu analizy reakcji złożonych -Przedstawienie zależność stałej szybkości reakcji od temperatury (równanie Arrheniusa)i możliwości wykorzystania tej zależności -Omówienie teorii kinetycznych, wprowadzenie zależności termodynamicznych do kinetyki chemicznej -Przedstawienie na przykładach w jaki sposób teorie kinetyczne (parametry aktywacji) umożliwiają badanie mechanizmów reakcji -Pokazanie w jaki sposób można wpływać na parametry kinetyczne (katalizatory, efekt izotopowy, efekt solny) Kwasy nukleinowe budowa monomerów i oligomerów DNA i RNA, cechy helisy DNA, kod genetyczny i reguły parowania, przepływ informacji genetycznej (replikacja, transkrypcja, translacja). Podstawy chemii bioorganicznej obejmować będą następujące zagadnienia :aminokwasy, peptydy i białka struktura 2
aminokwasów, geometria wiązania peptydowego, wiązania disiarczkowe, struktura białek, funkcje białek (katalizatory, przenoszenie sygnałów, strukturalne), podstawowe wiadomości o enzymach. Węglowodany struktura liniowa i cykliczna cukrów prostych, izomeria optyczna, anomery, wiązania glikozydowe, konformacja pierścieni piranozowych i furanozowych, di- i polisacharydy na przykładzie sacharozy, laktozy, celulozy, glikogenu, oligosacharydy jako modyfikacje potranslacyjne białek. Lipidy i błony biologiczne struktura i nazewnictwo kwasów tłuszczowych, typy lipidów (fosfolipidy, glikolipidy, cholesterol), błony biologiczne - dwuwarstwy lipidowe, liposomy, micele. Steroidy struktura, funkcje, podstawowe hormony płciowe. Podstawy chemii organicznej obejmują następujące zagadnienia: - Związki organiczne jako elementy materii zbudowane z wielu wiązań chemicznych - Wiązania chemiczne,orbitale atomowe i cząsteczkowe, hybrydyzacja orbitali -Skale elektroujemności dla atomów -Model planetarny budowy atomu Rutherforda-Bohra oraz typy wiązań chemicznych oparte na modelu atomu Bohra -Charakterystyczne wiązania chemiczne wybranych grup atomów -Grupy funkcyjne -Orbitale atomowe -Równanie Schrödingera i funkcja falowa, funkcja wlasna, orbital -Konfiguracja elektronowa atomów i typy orbitali atomowych -Zasady obowiązujące przy określaniu konfiguracji elektronowej atomów (reguła Hunda i zasada wyłączności Pauliego) -Orbital cząsteczkowy (wiązanie kowalencyjne) -Metoda orbitali molekularnych (MO lub LCAO MO) -Metoda wiązań walencyjnych (VB) -Orbitale molekularne sigma -Orbitale molekularne pi -Typy hybrydyzacji -Rodzaje dysocjacji wiązania kowalencyjnego -Cechy wiązania kowalencyjnego: długość wiązania, energia dysocjacji wiązania, energia wiązania, polarność wiązania, polaryzacja wiązania, polaryzowalność wiązania, moment dipolowy wiązania, grupy, cząsteczki -Twardość/miękkość atomów, kwasów i zasad -Struktura i właściwości fizyczne cząsteczek - Siły oddziaływań międzycząsteczkowych:wiązanie jonowe, Wiązania kowalencyjne a słabe oddziaływania międzycząsteczkowe, -Międzycząsteczkowe wiązania słabsze niż kowalencyjne: Oddziaływanie typu dipol-dipol, Wiązanie wodorowe, Siły van der Waalsa, Związki addycyjne, -Kompleksy donor-akceptror (Kompleksy, w których akceptorem jest metal a donorem olefina lub związek aromatyczny, Kompleksy, w których akceptorem jest związek organiczny, Kompleksy eterów koronowych z jonami metali. Kryptandy i kryptaty, Związki inkluzyjne, Katenany i rotaksany 3
-Kataliza przeniesienia międzyfazowego ( phase-transfer catalysis, PTC) -Typy rozpuszczalników -Koncepcje kwasowości Lewisa i Bronsteda -Stałe kwasowości i zasadowości, ph, pka, pkb -Pojęcia nukleofila i elektrofila, -Efekty steryczne i elektronowe indukcyjne i mezomeryczne -Tautomeria, -Aromatyczność i antyaromatyczność -Stosowane symbole graficzne w chemii organicznej W ramach podstaw chemii polimerów omówione zostaną następujące zagadnienia: -Polimery i makrocząsteczki podstawowe definicje - Różnice między związkami małocząsteczkowymi a wielkocząsteczkowymi kiedy cząsteczka staje się makrocząsteczką? -Wybrane parametry charakteryzujące polimery - lepkość, średnie masy molowe i funkcje rozrzutu mas molowych makrocząsteczek; metody pomiaru. - Jak wielkie są makrocząsteczki? -Biomakrocząsteczki i polimery naturalne: struktury, ich rola w organizmach żywych. -Polimery syntetyczne: struktury i typowe zastosowania -Polimery (bio)degradowalne. -Synteza polimerów - podział procesów polimeryzacji. -Nauka o polimerach rys historyczny. Literatura P. W. Atkins Chemia fizyczna, PWN, 2007 P.W. Atkins i inni Chemia fizyczna: Zbiór zadań z rozwiązaniami, PWN 2009 H. Buchowski, W. Ufnalski Podstawy termodynamiki. Wykłady z chemii fizycznej 1994. 1998 S. K. Upaghyay Chemical Kinetics and Reaction Dynamics, Anamaya Publishers, 2007 M. Bełtowska-Brzezinska Podstawy kinetyki chemicznej skrypt do wykładów UAM, 2009; Chemia Bioorganiczna J. Berg, J. Tymoczko, L. Stryer PWN wyd. 5, 2005. Zwięzły kurs chemii org., A. Zwierzak, Chemia organiczna, J. Mc Murry, Reactions, mechanisms and structure, J. March Chemia Polimerów, red.: Z. Florjańczyk, S. Penczek, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Tom I: Makrocząsteczki i metody ich otrzymywania (1995) Tom II: Podstawowe polimery syntetyczne i ich zastosowania (1997) Tom III: Polimery naturalne i polimery o specjalnych właściwościach (1998) G. Odian, Principles of Polymerization, Wiley-Interscience, 4th edition, Hoboken 2004 Macrogalleria: http://pslc.ws/mactest/maindir.htm oraz, dla zainteresowanych doktorantów, rozszerzony wykaz literatury w zestawie przeźroczy stanowiących podstawę wykładu Efekty uczenia się 1. Doktorant zapoznaje się (przypomina sobie i systematyzuje) wcześniej zdobytą wiedzę) z podstawowych zależności z w zakresie termodynamiki i kinetyki chemicznej. 4
2. Poznaje w jaki sposób badać równowagę chemiczną i jak wykorzystać zależności termodynamiczne do interpretacji zaobserwowanych efektów reakcji (np. rodzaj otrzymanych produktów, wydajności, efekty cieplne) 3. Poznaje jak wykorzystać zależności kinetyczne do planowania i interpretacji reakcji chemicznych oraz do badań mechanizmów reakcji chemicznej. 4. Zaznajamia się z podstawowymi klasami związków występujących w organizmie, ich strukturą chemiczną i funkcjami biologicznymi. 5. Zapoznaje się z podstawowymi pojęciami i teoriami w zakresie chemii organicznej, 6.Rozumie zależności pomiędzy wiązaniem chemicznym, budową cząsteczki złożoną z wielu różnych wiązań chemicznych a jej właściwościami fizykochemicznymi 7.Zapoznaje się z różnymi rodzajami silnych i słabych oddziaływań międzycząsteczkowych 8.Potrafi samodzielnie projektować nowe cząsteczki o zadanych właściwościach 9.Uzyskuje podstawową wiedzę o polimerach i makrocząsteczkach jako odrębnej klasie związków chemicznych 10.Potrafi wyjaśnić rolę polimerów w funkcjonowaniu organizmów żywych i współczesnej cywilizacji, łącznie z historycznym rozwojem nauki o polimerach jako nowoczesnej dyscypliny naukowej. 11.Potrafi opisać metody syntezy jak i przedstawić struktury chemiczne najważniejszych polimerów naturalnych i syntetycznych. 12.Poznaje zasadnicze różnice między właściwościami związków małocząsteczkowych i wielkocząsteczkowych. Metody i kryteria oceniania Praktyki zawodowe w ramach Wykład kończy się egzaminem w formie pisemnej. Oceny wystawiane są w oparciu o kryterium punktowe, przy czym pozytywna ocena wystawiana jest po uzyskaniu minimum 50% maksymalnej ilości możliwych do zdobycia punktów. Nie dotyczy 5
Nazwa pola Cykl dydaktyczny, w którym przedmiot jest realizowany Sposób zaliczenia w cyklu Forma(y) i liczba godzin zajęć oraz sposoby ich zaliczenia Imię i nazwisko koordynatora/ów cyklu Imię i nazwisko osób prowadzących grupy zajęciowe Atrybut (charakter) Efekty uczenia się, zdefiniowane dla danej formy zajęć w ramach Metody i kryteria oceniania danej formy zajęć w ramach Metody dydaktyczne Literatura Semestr I Egzamin Prof. Włodzimierz Stańczyk Komentarz 20 godzin Dr hab. Melania Bednarek, Prof. Piotr Bałczewski, Prof. Barbara Nawrot, Prof. Andrzej Duda Obligatoryjny 1. Doktorant zapoznaje się (przypomina sobie i systematyzuje) wcześniej zdobytą wiedzę) z podstawowych zależności z w zakresie termodynamiki i kinetyki chemicznej. 2. Poznaje w jaki sposób badać równowagę chemiczną i jak wykorzystać zależności termodynamiczne do interpretacji zaobserwowanych efektów reakcji (np. rodzaj otrzymanych produktów, wydajności, efekty cieplne) 3. Poznaje jak wykorzystać zależności kinetyczne do planowania i interpretacji reakcji chemicznych oraz do badań mechanizmów reakcji chemicznej. 4.Poznaje strukturę kwasów nukleinowych i ich monomerów, umie zdefiniować zasady przekazywania informacji genetycznej, poznaje reakcje syntezy enzymatycznej DNA i RNA, umie nazwać podstawowe procesy, w które zaangażowane są kwasy nukleinowe. W chemii białek poznaje strukturę aminokwasów, wie, jaka jest struktura polipeptydu i jaka jest geometria wiązania peptydowego, zna strukturę I, II, III i IV-rzędową białek i oddziaływań stabilizujących strukturę białek. Umie zdefiniować pojęcie izomerii optycznej na przykładzie cukrów prostych, zna strukturę podstawowych cukrów prostych, dwucukrów i polisacharydów. Poznaje strukturę fosfolipidów i dwuwarstw, które tworzą. Zna strukturę podstawowych steroidów i umieć określić, jaką funkcję spełniają w organizmie. 5.Doktorant zapoznaje się z podstawowymi pojęciami i teoriami w zakresie chemii organicznej, 6.Rozumie zależności pomiędzy wiązaniem chemicznym, budową cząsteczki złożoną z wielu różnych wiązań chemicznych a jej właściwościami fizykochemicznymi 7.Zapoznaje się z różnymi rodzajami silnych i słabych oddziaływań międzycząsteczkowych 8.Potrafi samodzielnie projektować nowe cząsteczki o zadanych właściwościach Wykład kończy się egzaminem. Studenci (doktoranci) otrzymują pełny zakres pytań dotyczących wymaganej wiedzy. Wykład interaktywny Jak wyżej 6
7