CHIMICA FISICA II E LABORATORIO M - Z

Modulo 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.

Lezioni frontali svolte con proiettore e alla lavagna; esercitazioni.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus

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

Obbligatoria (almeno 60% di presenze). Esenzioni motivate parziali o totali dalla frequenza, oltre a quelle previste dall'art. 27 del Regolamento Didattico di Ateneo, possono essere riconosciute dal Consiglio di Corso di Studi dietro presentazione di istanza motivata e riconosciuta tale dal Consiglio.

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. 

1. Dispense e lucidi delle lezioni fornite dal docente

2. P. Atkins, J. de Paula - PHYSICAL CHEMISTRY 9th Ed- W.H. FREEMAN AND COMPANY New York / P.W. Atkins, J. de Paula, J. Keeler - Chimica fisica (6a edizione) - Zanichelli
3. Mc.Quarrie, J.D. Simon – CHIMICA FISICA un approccio molecolare -  Zanichelli
4. 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.
5. J.M. Hollas, MODERN SPECTROSCOPY - Wiley

Scritto ed orale. La prova finale consiste in un esame scritto (il giorno dell’esame è quello indicato sul calandario ufficiale), basato su esercizi analoghi a quelli affrontati in aula durante il corso, ed in un colloquio orale (data e luogo saranno indicate dal docente) basato su tutti gli argmomenti del programma. Gli studenti durante l'esame scritto potranno usare la tavola periodica e la calcolatrice, ma non telefoni-cellulari.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

- 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