CHIMICA FISICA II E LABORATORIO M - Z

Obiettivi formativi

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  Il corso si propone di fornire le conoscenze chimico-fisiche di base per la comprensione del legame chimico, della spettroscopia molecolare e della cinetica chimica. Obiettivi formativi specifici: alla fine del corso lo studente sarà in grado di comprendere i principi di base dei metodi quantomeccanici e spettroscopici e delle loro applicazioni alla determinazione della struttura elettronica e geometrica dei sistemi molecolari semplici. Conoscerà inoltre le leggi e teorie di base della cinetica chimica nonchè le principali metodologie per lo studio teorico e sperimentale delle reazioni chimiche.

  Inoltre, in riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce a acquisire le seguenti competenze trasversali:

  • Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): arrivare alla conoscenza delle ragioni della crisi della fisica classica e dell'origine della meccanica quantistica; conoscenza dei fondamenti della meccanica quantistica e i principi che governano la struttura elettronica degli atomi e delle molecole; conoscenza dei principi di base dell'interazione luce-materia.
  • Conoscenza e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): applicazione delle conoscenze acquisite per la descrizione dei legami chimici (introduzione alle nanoscienze), per la spettroscopia molecolare, processi fotofisici e femtochimica.
  • Autonomia di giudizio (making judgements): raccogliere ed interpretare i dati rilevanti, capacità di ragionamento critico, capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
  • Abilità comunicative (communication skills): capacità di descrivere sia in forma scritta che in forma orale, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.
  • Capacità di apprendere (learning skills): aver sviluppato le competenze necessarie per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.
• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  Il corso ha l’obiettivo di offrire allo studente conoscenze specifiche nel campo della Chimica Fisica.

  La formazione è finalizzata principalmente allo sviluppo di conoscenze riguardanti i principi teorici di base da trasferire al livello tecnico/pratico, per mezzo di esperienze di laboratorio opportunamente congegnate.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  Lezioni frontali svolte con proiettore e alla lavagna; esercitazioni.

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  L'insegnamento è strutturato su tre diversi livelli:

  1- Lezioni frontali per l'introduzione alle esperienze di laboratorio

  2- Attività di laboratorio

  3- Esercitazioni al PC per il trattamento e l'interpretazione dei dati sperimentali

Prerequisiti richiesti

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  Matematica, Fisica generale 1, Fisica generale 2, Chimica fisica 1

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  Conoscenza di matematica, fisica e chimica corrispondenti ai contenuti dei corsi dei semestri precedenti

Frequenza lezioni

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  Obbligatoria (almeno 60% di presenze)

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  Obbligatoria. Le presenze verranno registrate ad ogni lezione, turno di laboratorio o esercitazione.

  Non potranno sostenere l'esame gli studenti con una frequenza in laboratorio inferiore al 70 %

Contenuti del corso

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  I – La descrizione quantistica della struttura di atomi e molecole.

  Crisi della fisica classica e nascita della teoria quantistica. Postulati della meccanica quantistica. Funzioni d’onda e operatori. Equazione di Schroedinger. Particella in una buca di potenziale. Oscillatore armonico ed anarmonico. Rotatore rigido. L’atomo di idrogeno. Metodi approssimati per la risoluzione dell’equazione di Schroedinger: cenni ai metodi perturbativi; il metodo variazionale. L’atomo di elio. Momento angolare di spin e stati con diversa molteplicità di spin. Principio variazionale e teoria di campo medio per atomi con più elettroni. Approssimazione orbitalica. Metodo di Hartree-Fock del campo autocoerente. Energia di correlazione. Teoria dell’elettrone indipendente per gli atomi complessi. Principio di Pauli. Aufbau.

  Il legame chimico e le molecole biatomiche. Approssimazione di Born-Oppenheimer. Il metodo degli orbitali molecolari e applicazione alla molecola ione idrogeno. Integrali di sovrapposizione, coulombiano e di scambio e loro contributo alla stabilità del legame chimico. Orbitali molecolari di legame e di antilegame. Molecole biatomiche con più di un elettrone. Struttura elettronica nello schema MO. Orbitali σ e π - Applicazione del metodo di aufbau per gli orbitali molecolari - Configurazione elettronica e proprietà di molecole biatomiche omonucleari.

  Molecole poliatomiche. Il metodo di Huckel. Energia di delocalizzazione. Calcolo delle distribuzioni di carica per un sistema π. Estensione del metodo di Hückel a composti contenenti eteroatomi. Evidenze sperimentale dell’esistenza degli orbitali molecolari. Cenni alla struttura elettronica dei solidi.

  II - Interazione radiazione-materia e spettroscopia molecolare.

  Principi di base di spettroscopia molecolare. Interazione radiazione elettromagnetica-materia e cenni alla teoria perturbativa dipendente dal tempo. Approssimazione di Born-Oppenheimer per le spettroscopie.

  Spettroscopia Rotazionale. Livelli energetici rotazionali e spettri rotazionali di molecole diatomiche. Cenni alla classificazione delle molecole da un punto di vista rotazionale e relativi spettri: rotatori lineari, simmetrici oblati e prolati, sferici, asimmetrici.

  Spettroscopia vibrazionale. Spettri vibrazionali di molecole biatomiche e regole di selezione secondo il modello dell’oscillatore armonico. Applicazione del modello dell’oscillatore anarmonico - Modi normali di un sistema poliatomico e spettri vibrazionali. Spettri vibro-rotazionali di molecole bi- e triatomiche.

  Spettroscopia elettronica. Transizioni elettroniche in molecole biatomiche e poliatomiche. Regole di selezione. Principio di Franck-Condon e transizioni vibroniche. Spettroscopia di fotoelettroni. Gli stati elettronici eccitati. Processi fotofisici. Coefficienti di Einstein, emissione spontanea ed emissione stimolata. Spettroscopia di fluorescenza.

  I laser e la spettroscopia laser. Processi fotochimici.

  III – Cinetica Chimica.

  Velocità delle reazioni chimiche. Leggi cinetiche semplici e costanti cinetiche. Integrazione di equazioni cinetiche semplici. Dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura. Meccanismi di reazione. Reazioni elementari. Reazioni consecutive e parallele. Principio del bilancio dettagliato. Approssimazione dello stato stazionario. Reazioni complesse. Cinetica enzimatica. La dinamica delle reazioni. Teoria degli urti. Teoria dello stato di transizione. Lo studio sperimentale degli urti molecolari. Distribuzione angolare e delle velocità dei prodotti di reazione. Meccanismi di rimbalzo, di stripping e con formazione di complesso. Superfici di energia potenziale. Lo studio delle reazioni ultraveloci: femtochimica.

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  Contenuti: Sicurezza in laboratorio, Analisi ed interpretazione dei dati sperimentali con cenni alla teoria degli errori, Cinetica chimica, Introduzione alla spettroscopia, Introduzione alla termodinamica delle superfici ed interfacce

  Esperienze di laboratorio: Cinetica della iodurazione dell'acetone, Cinetica di idrolisi dell’acetato di etile, Verifica della legge di Stern-Volmer, Spettri FT-IR di composti carbonilici in fase solida
  e liquida, Spettro elettronico di assorbimento dello iodio, Spettro elettronico di assorbimento di polieni coniugati, Calcolo dell’ energia libera di superficie, Isoterme di Langmuir, Spettroscopia di fluorescenza dell'antracene

Testi di riferimento

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  1. Dispense e lucidi delle lezioni fornite dal docente

  2. P. Atkins, J. de Paula, R. Friedman - QUANTA, MATTER, AND CHANGE: A MOLECULAR APPROACH TO PHYSICAL CHEMISTRY -W.H. FREEMAN AND COMPANY New York.D.A.
  3. Mc.Quarrie, J.D. Simon – CHIMICA FISICA un approccio molecolare - Zanichelli
  4. P. Atkins, J. de Paula - PHYSICAL CHEMISTRY 9th Ed- W.H. FREEMAN AND COMPANY New York / P.W. Atkins, J. de Paula - Chimica fisica - Zanichelli
  5. J.M. Hollas, MODERN SPECTROSCOPY - Wiley
• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  1. Appunti e Dispense delle Lezioni
  2. Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e Peter Atkins, Zanichelli
  3. J.R.taylor - Introduzione All'Analisi Degli Errori

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  Scritto ed orale.

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  L'esame, integrato con il modulo 1, è teso ad accertare (a) l'acquisizione dei concetti di base del corso e la capacità di collegarli tra loro e con gli esperimenti svolti in laboratorio; (b) la capacità di esporre chiaramente i concetti usando usando adeguatamente il linguaggio scientifico, (c) la capacità di utilizzare e interpretare quantitativamente i dati sperimentali applicando i concetti e le metodologie acquisiti durante il corso.

  L'esame prevede una pre-selezione, costituita da una prova scritta atta a valutare l'acquisizione dei concetti di base minimi riguardanti le tre sezioni del programma, e la capacità di applicarli alla risoluzione di semplici problemi, di tipologia analoga a quelli svolti durante il corso. La prova orale verterà sia sulla discussione di un'esperienza di laboratorio che su argomenti del corso teorico.

  Sono richieste 3 relazioni sulle esperienze svolte in laboratorio, a scelta dello studente.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  - Determinazione della lunghezza di legame di una molecola biatomica dallo spettro rotazionale

  - Determinazione del simbolo di termine molecolare per una data configurazione elettronica

  - Calcolo dell'energia di stabilizzazione di un poliene coniugato utilizzando il Metodo di Huckel

  - Modi normali di vibrazione

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  Tutti gli argomenti possono essere oggetto di verifica. Tutte le esperienze svolte in laboratorio possono essere oggetto di verifica, a prescindere da quali relazioni siano state presentate.

  Esempio 1: descrivere la legge di Arrhenius e come è stata verificata in laboratorio

  Esempio 2: come avete determinato sperimentalmente l'ordine di una reazione

  Esempio 3: descrivere e interpretare lo shift della frequenza di vibrazione del legame C=O nei composti analizzati

  Esempio 4: come determinare sperimentalmente l'energia di dissociazione di una molecola biatomica

  Esempio 5: come determinare una lunghezza di legame di un poliene coniugato