CHIMICA FISICA II E LABORATORIO A - L

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. 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 delle molecole. Conoscerà inoltre le basi della cinetica chimica e delle principali metodologie per lo studio teorico e sperimentale delle reazioni chimiche.

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

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

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

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)

  Concetti di Fisica e Matematica di base

Frequenza lezioni

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)

  come da regolamento didattico

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  Come da regolamento didattico

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.
  • Applicazione ad alcuni sistemi semplici. Particella in una buca di potenziale unidimensionale. Particella in una buca di potenziale tridimensionale. Effetto tunnel. Oscillatore armonico ed anarmonico. Rotatore rigido.
  • L’atomo di idrogeno.
  • Gli atomi polielettronici. Metodi approssimati per la risoluzione dell’equazione di Schroedinger: cenni ai metodi perturbativi; il metodo variazionale. L’atomo di elio. 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: applicazione alle molecole di etilene, butadiene, ciclobutadiene, benzene. Energia di delocalizzazione. Calcolo delle distribuzioni di carica per un sistema π. Ordine di legame π e totale - Relazione fra ordine di legame e lunghezza di legame. 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-materia. Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo. Teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo (cenni). Regole di selezione per transizioni radiative. Popolazione degli stati e distribuzione di Boltzmann. Spettroscopie convenzionali e non-convenzionali. Approssimazione di Born-Oppenheimer per le spettroscopie. Molecole biatomiche: separazione dei modi vibrazionali e rotazionali.
  • 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. Lo spettro di fotoelettroni di CO. Spettri degli idruri degli elementi del VI gruppo. Spettri di fotoelettroni di benzeni sostituiti.
  • 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

  • La 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: sfera di collisione, sezione d’urto, energia degli urti e fattore sterico. 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)

  Il corso è articolato in una serie di esperimenti di laboratorio come riportato nella sezione PROGRAMMAZIONE

Testi di riferimento

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 1)
  • D.A. McQuarrie, J.D. Simon - Chimica Fisica- Un approccio molecolare, Zanichelli
  • G.K.Vemulapalli - Chimica Fisica - Edises
  • P.W.Atkins, J. de Paula - Chimica Fisica – Zanichelli
  • J.M. Hollas, Modern spectroscopy - Wiley
  • Appunti, lucidi delle lezione e ulteriore materiale didattico fornito dal docente

  Si sottolinea che lo studente è libero di utilizzare, in aggiunta o in altenativa ai testi proposti, qualunque altro testo di chimica fisica e di spettroscopia molecolare di livello universitario.

• 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)

  L'esame, integrato con quello di laboratorio (modulo 2), 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.

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)

  Esami di profitto a fine corso

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• CHIMICA FISICA II E LABORATORIO (Mod. 2)
  • Descrivere le procedure di laboratorio atte alla verifica della legge di Stern Volmer
  • Quale è la relazione tra la bagnabilità della superficie e la composizione chimica della stessa?
  • Cosa si intende per transizione permessa?
  • Descrivere per mezzo di un diagramma a blocchi la strumentazione utilizzata per l'indagine spettroscopica IR