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Alfonso PEDONE
Professore Associato
Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche - Sede Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche
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Insegnamento: Chimica fisica e spettroscopia molecolare
Scienze chimiche (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Chimica fisica e spettroscopia molecolare - modulo A
Questo modulo dà le conoscenze e le competenze necessarie ad interpretare (a livello avanzato) spettri molecolari vibrazionali ed elettronici, sia di assorbimento che di emissione (fluorescenza e fosforescenza).
Dà agli studenti i fondamenti teorici per analizzare, comprendere e fare proprie le spettroscopie vibrazionali ed elettroniche, e la consapevolezza di quali informazioni estrarre da esse ed a quale scopo (anche pratico e non di ricerca).
Si rimanda alla lettura dei "risultati di apprendimento" per una più completa comprensione degli obiettivi formativi.
Orario di ricevimento: in linea di massima, dovrei essere disponibile qualsiasi giorno feriale SU RICHIESTA tramite email, telefonata (salvo imprevisti); giorno di preferenza: Mercoledì dalle 15:00 alle 17:00.
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Chimica fisica e spettroscopia molecolare - modulo B
Questo modulo dell’insegnamento si propone di fornire agli studenti conoscenze approfondite di chimica quantistica finalizzate alla comprensione della reattività molecolare e delle relazioni struttura-proprietà. Per una più completa comprensione degli obiettivi formativi, si rimanda alla lettura dei risultati di apprendimento attesi a seguito dello svolgimento del presente percorso formativo.
Orario di ricevimento: Martedì ore 16-18 o su richiesta tramite e-mail.
Prerequisiti
Chimica fisica e spettroscopia molecolare - modulo A e B
Conoscenze di base della meccanica quantistica. Conoscenza dei campi spettrali relativi a transizioni diverse. Conoscenza del peso statistico nell'occupazione dei livelli quantistici (statistica di Boltzmann). Conoscenza del concetto di massa atomica e di massa e composizione isotopica. Conoscenza dell'analisi statistica dei dati sperimentali mediante medie e varianze e dei parametri della retta di regressione lineare.
Programma del corso
Modulo A
1 CFU (8 ore)
Introduzione al corso.
Spettroscopia molecolare, interazione radiazione-materia, teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo, regola aurea di Fermi, teoria di Einstein di emissione spontanea e stimolata, trasformata di Fourier e spettroscopie in trasformata di Fourier.
1 CFU (8 ore)
Elementi minimi di spettroscopia rotazionale.
Introduzione alla spettroscopia vibrazionale di base: trattazione classica e quantistica, oscillatore armonico ed anarmonico, scattering Rayleigh e Raman, regole di selezione, coordinate normali di vibrazione.
2 CFU (16 ore)
Simmetria delle molecole. Relazione tra simmetria molecolare e gruppo di simmetria puntuale.
Teoria dei gruppi (puntuali): carattere di un'operazione di simmetria, rappresentazioni riducibili ed irriducibili, formule di riduzione, interpretazione della tabella dei caratteri.
Spettroscopia vibrazionale da un punto di vista della teoria dei gruppi: interpretazione dei modi normali per simmetria, attribuzione dei modi in spettroscopia infrarossa e Raman.
1 CFU (8 ore)
Spettroscopia elettronica: classificazione degli stati elettronici di molecole biatomiche e poliatomiche, regole di selezione, assorbimento, fattori di Frank-Condon e accoppiamento vibrazionale, spettroscopia vibronica, fluorescenza, fosforescenza. Applicazione agli spettri di composti di coordinazione: diagrammi di Tanabe-Sugano.
1 CFU (10 ore)
Esperienze di laboratorio presso il LADAC: spettro vibronico dello iodio gassoso, spettroscopia di fluorescenza della cumarina, spettroscopia infrarossa di etanolo in solvente protico e non protico, spettroscopia infrarossa di leganti organici coordinati e non coordinati a ione metallico.
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Modulo B
1 CFU (8 ore). Introduzione ai metodi ab-initio per lo studio di sistemi chimici. Richiami all’Hamiltoniano multielettronico. Approssimazioni di Born-Oppenheimer e superficie di energia potenziale. Il metodo Hartree-Fock (HF). Il metodo del campo autoconsistente (LCAO). Definizione ed esempi di set base.
1 CFU (8 ore). La correlazione elettronica. Cenni a metodi post-HF. Principali aspetti pratici e tecnici del metodo HF. I calcoli HF: aspetti pratici. Costruzione del file di input. Guida alla lettura dell’output.
1CFU (8 ore), Matrice densità e reattività chimica. Distribuzione di carica. Calcolo di osservabili e confronto con dati sperimentali. Metodi per la determinazione delle cariche atomiche. Descrittori teorici nel metodo delle relazioni quantitative struttura-proprietà.
1 CFU (8 ore). La dipendenza dell’energia da densità elettronica. Teoria del funzionale della densità (DFT). Approssimazioni LSDA, GGA e MGGA. Funzionali ibridi. Uso di strumenti di grafica molecolare per la visualizzazione delle molecole e della loro reattività.
1 CFU (10 ore). Esercitazioni al computer: calcolo di proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali di molecole in fase gas e in fase condensata.
1 CFU (10 ore). Esercitazioni al computer: calcolo diretto e indiretto di osservabili (es: potenziale di riduzione, pka etc…)
Metodi didattici
Modulo A: Lezioni frontali (uso di diapositive e lavagna) ed esercitazioni numeriche e di laboratorio che prevedono la partecipazione attiva degli studenti e l'uso di appropriati strumenti.
Il docente del corso farà uso di strumenti informatici anonimizzati (e.g. Mentimeter, Wooclap, ...) per rendere più interattiva la lezione e ricevere feedback più immediato da parte degli studenti.
La frequenza alle lezioni frontali non è obbligatoria, tuttavia il docente la raccomanda sentitamente. A maggior ragione è raccomandata la frequenza alle esercitazioni di laboratorio: in particolare, alcuni argomenti di queste esercitazioni (incluse alcune osservazioni più tecniche emerse nello svolgimento di queste) saranno oggetto della prova d'esame scritta.
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Modulo B
Lezioni frontali, esercitazioni in aula, lettura guidata di articoli scientifici forniti dal docente e discussione collegiale. Seminari volti ad illustrare applicazioni specifiche. Testi consigliati, articoli scientifici e materiale didattico (in lingua inglese) reso disponibile online prima delle lezioni. Le esercitazioni al computer comprendono l’esecuzione dell’esperimento e la stesura di una breve relazione; la discussione collegiale dei risultati ottenuti fungerà da auto-verifica in itinere del grado di conoscenza/comprensione raggiunto.
Qualora l’emergenza Covid lo rendesse necessario le lezioni, le lezioni verranno svolte a distanza e le esercitazioni saranno assicurate tramite l’utilizzo del laboratorio di calcolo virtuale.
Gli studenti lavoratori non frequentanti devono contattare il docente, che fornirà indicazioni su specifici argomenti integrativi da studiare sui libri di testo.
Testi di riferimento
Modulo A
Appunti del docente / slides di lezione.
P. W. Atkins, R. S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli.
D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Chimica Fisica un approccio molecolare, Zanichelli
B. S. Tsukerblat, Group Theory in Chemistry and Spectroscopy, Dover
W. Struve, Fundamentals of Molecular Spectroscopy, Wiley.
I. Baraldi, L’Assorbimento: Introduzione alla spettroscopia elettronica delle molecole poliatomiche. Bonomia University Press
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Modulo B
C. J. Cramer Essentials of Computational Chemistry –Theory and Models, Wiley 2004.
F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 2007.
M. Bortoluzzi Approccio qualitativo alla Chimica Computazionale, Aracne, 2009
Verifica dell'apprendimento
Il voto finale del corso di Chimica Fisica e Spettroscopia Molecolare sarà la media pesata della valutazione conseguita nel modulo A (Spettroscopia Molecolare) e B (Chimica Fisica).
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Modulo A
L'apprendimento del Modulo A sarà valutato attraverso una prova di esame finale scritta.
Lo studente che volesse migliorare il voto della prova scritta può svolgere anche una ulteriore prova orale (opzionale) col docente su tutto il programma del modulo.
La prova d'esame scritta è costituita da un certo numero di esercizi numerici di teoria dei gruppi (1) e di interpretazione dei diagrammi di Tanabe-Sugano (1-2) di complessi metallici, seguiti da un numero variabile di domande di teoria a risposta chiusa (15-20).
L'esercizio di teoria dei gruppi richiede l'individuazione del gruppo di simmetria di una molecola e l'attribuzione dei vari modi normali di vibrazione della stessa in spettroscopia infrarossa e Raman.
Gli esercizi sui diagrammi di Tanabe-Sugano richiedono una comprensione approfondita degli stessi e di predire il numero di transizioni elettroniche osservate.
Le domande di teoria a risposta chiusa (quiz) riguardano tutto il programma e servono in parte a valutare la comprensione di base degli argomenti ed in parte ad applicarla a situazioni diverse, appena accennate nel corso.
Alcune domande di teoria servono altresì a saggiare la comprensione dell'attività svolta nel laboratorio.
La durata massima della prova scritta è di 3 ore.
Tale prova di esame scritta sarà valutata con un punteggio in trentesimi.
Nell’attribuzione del punteggio della prova scritta verrà valutato il livello delle conoscenze teoriche acquisite (60%), della capacità di applicare le conoscenze acquisite (30%), dell’autonomia di giudizio (10%).
Una eventuale lode sarà riservata a chi farà un esame orale (opzionale) all'altezza.
L'esame orale sarà un colloquio volto a saggiare le competenze e la capacità di ragionamento derivante dallo studio degli argomenti del modulo A.
Nell’attribuzione del punteggio della prova orale verrà valutato il livello delle conoscenze teoriche acquisite (30%), della capacità di applicare le conoscenze acquisite (30%), dell’autonomia di giudizio (20%) e delle abilità comunicative (20%).
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Modulo B
La verifica finale dell’apprendimento prevede un colloquio che consiste nella discussione di un argomento a scelta o dei risultati ottenuti in una delle esercitazioni effettuate in classe. Durante il colloquio verranno valutate a) le conoscenze acquisite (fino al 35% del voto finale), b) le capacità di risolvere autonomamente problemi analoghi (35%), c) le capacità critiche (20%), e d) le capacità comunicative maturate dallo studente (10%).
Risultati attesi
Moduli A e B
- Conoscenza e capacità di comprensione.
Lo studente conoscerà approfonditamente la spettroscopia molecolare rotazionale, vibrazionale ed elettronica sia di assorbimento che di emissione, nei loro fondamenti teorici e nelle loro applicazioni principali;
conoscerà i metodi quanto-meccanici per lo studio di proprietà molecolari;
conoscerà le approssimazioni effettuate nella definizione dei modelli adottati.
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione.
Lo studente reinterpreterà in modo formale le conoscenze acquisite in ambito spettroscopico in corsi precedenti e sarà in grado di pianificare/proporre esperimenti spettroscopici per ottenere informazioni molecolari dall'analisi di campioni macroscopici;
saprà definire autonomamente protocolli quantomeccanici per il calcolo di proprietà di molecole isolate e interagenti in fase vapore e in fase condensata;
sarà in grado di discutere ed analizzare i risultati ottenuti nel contesto delle approssimazioni fatte.
- Autonomia di giudizio.
Lo studente saprà valutare in autonomia i metodi quantistici più appropriati per il problema in esame;
saprà valutare in autonomia e criticamente i risultati ottenuti;
saprà sostenere una discussione costruttiva sui concetti appresi.
- Abilità comunicative.
Lo studente saprà utilizzare efficacemente il linguaggio scientifico in forma scritta ed orale esprimendo i concetti con linguaggio appropriato e conciso;
saprà presentare i dati ottenuti in modo corretto, chiaro e sintetico e sostenere un contradditorio argomentando in modo critico.
- Capacità di apprendimento.
Lo studente saprà utilizzare in autonomia e in modo adeguato le conoscenze ed i metodi per provvedere autonomamente a un adeguato e continuo aggiornamento delle proprie competenze di chimica-fisica e di spettroscopia molecolare