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Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche
Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche - Sede Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche

Contenuti Insegnamento: Chimica fisica e spettroscopia molecolare

Corso di studio: SCIENZE CHIMICHE (D.M. 270/04) (offerta formativa anno 2017)
  • CFU: 12
  • SSD: CHIM/02

Obiettivi formativi

Chimica fisica e spettroscopia molecolare -modulo A Il corso intende fornire agli studenti le conoscenze avanzate della spettroscopia molecolare rotazionale, vibrazionale ed elettronica sia di assorbimento che di emissione. Chimica fisica e spettroscopia molecolare -modulo B Fornire conoscenze avanzate della chimica quantistica finalizzate alla comprensione della formazione del legame chimico, proprietà e reattività molecolare.

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 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

A Teoria dei gruppi: simmetria delle molecole, rappresentazioni matriciali, piccolo e grande teorema dell’ortogonalità, tavole dei caratteri. Interazione radiazione-materia: teoria perturbativa dipendente dal tempo, regola d’oro di Fermi, momento di transizione, teoria di Einstein dell’emissione spontanea. Spettroscopia rotazionale: trattazione classica e quantistica della rotazione, regole di selezione, intensità delle transizioni, determinazione dei parametri geometrici e del momento di dipolo permanente. Spettroscopia vibrazionale: livelli energetici vibrazionali, oscillatore armonico ed effetti anarmonici, regole di selezione vibrazionali, spettri vibro-rotazionali delle molecole biatomiche. Vibrazioni nelle molecole poliatomiche, i modi normali, simmetria dei modi normali, regole di selezione. Spettroscopia elettronica: classificazione degli stati elettronici di molecole biatomiche e poliatomiche, regole di selezione, assorbimento, fattori di Frank-Condon, fluorescenza, fosforescenza. B Lezioni frontali: Richiami all’Hamiltoniano multielettronico e principali approssimazioni introdotte. Determinante di Slater. Il metodo di Hartree-Fock (HF) e il ciclo self-consistent field. Definizione ed esempi di set base. Principali aspetti pratici e tecnici del metodo HF. La correlazione elettronica, cenni a metodi post-HF. Introduzione alla teoria del funzionale della densità (DFT). Approfondimenti: matrice densità e reattività chimica. Distribuzione di carica. Calcolo di osservabili e confronto con dati sperimentali. Descrittori teorici nel metodo delle relazioni quantitative struttura-proprietà. Introduzione alle esercitazioni: Preparazione dell’input, analisi dell’output. Uso di strumenti di grafica molecolare per la visualizzazione delle molecole. Esercitazioni: 1) Analisi conformazionale. 2) Calcolo di proprietà strutturali, elettroniche e vibrazionali di molecole in fase gas e 3) in fase condensata. 4) Predizione di osservabili (es. pKa, etc…)

Testi di riferimento

A Appunti del docente. P.W. Atkins, R. S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli. W. Struve, Fundamentals of Molecular Spectroscopy, Wiley. I. Baraldi, L’Assorbimento: Introduzione alla spettroscopia elettronica delle molecole poliatomiche. Bonomia University Press B C. J. Cramer Essentials of Computational Chemistry –Theory and Models, Wiley 2004. F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 2007. A.R. Leach Molecular Modelling. Principles and Applications. Addison Wesley Longman 2001 M. Bortoluzzi Approccio qualitative alla Chimica Computazionale Aracne, 2009

Metodi Didattici

A: Lezioni frontali (uso di diapositive e lavagna) ed esercitazioni numeriche e di laboratorio che prevedono la partecipazione attiva degli studenti. 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. Gli studenti lavoratori non frequentanti devono contattare il docente, che fornirà indicazioni su specifici argomenti integrativi da studiare sui libri di testo.

Verifica dell'apprendimento

Il voto finale è la media pesata della valutazione conseguita nel modulo A e B. A L'apprendimento verrà valutato attraverso una prova di esame scritta costituita da 3 esercizi numerici relativi agli argomenti trattati durante il corso. Allo studente sarà permesso l’utilizzo degli appunti di lezione. La durata della prova è di 3 ore. Tale prova di esame sarà valutata con un punteggio in trentesimi, con eventuale lode. Nell’attribuzione del punteggio di questa prova verrà valutato il livello delle conoscenze teoriche acquisite (50%), della capacità di applicare le conoscenze acquisite (30%), dell’autonomia di giudizio (10%) e delle abilità comunicative (10%). B: La verifica finale dell’apprendimento prevede un colloquio che consiste nella discussione dei risultati ottenuti in una delle esercitazioni effettuate in classe (a scelta del docente). Durante il colloquio verranno valutate a) le conoscenze acquisite relativamente all’argomento dell’esercitazione in discussione (fino al 30% del voto finale), b) le capacità di risolvere autonomamente problemi analoghi (40%), c) le capacità critiche (20%), e d) le capacità comunicative maturate dallo studente (10%).

Risultati attesi

A e B Conoscenza e capacità di comprensione Tramite lezioni in aula, quiz ed approfondimenti lo studente acquisisce la conoscenza della spettroscopia molecolare rotazionale, vibrazionale ed elettronica sia di assorbimento che di emissione, dei metodi quanto-meccanici per lo studio di molecole, dei modelli interpretativi e degli strumenti per la comprensione e predizione di proprietà molecolari. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Tramite le esercitazioni al computer, coadiuvate dal materiale didattico fornito e ricerca bibliografica, acquisisce gli strumenti per a) reinterpretare in modo formale le conoscenze acquisite in ambito spettroscopico in corsi precedenti e per pianificare esperimenti spettroscopici per ottenere informazioni molecolari dall'analisi di campioni macroscopici; b) definire autonomamente protocolli quantomeccanici per il calcolo di proprietà di molecole in diverse fasi. Autonomia di giudizio Lo studente sarà in grado di leggere e comprendere testi di base ed avanzati e di affrontare con successo la letteratura scientifica, migliorare le proprie capacità di valutazione critica dei risultati ottenuti e delle approssimazioni fatte, scegliere i metodi più appropriati per il problema in esame Abilità comunicative Lo studente acquisisce il linguaggio tecnico-specialistico che gli permetterà di dialogare con specialisti e di tradurre concetti anche complessi in un linguaggio comprensibile al non-specialista ma garantendo la correttezza delle informazioni fornite. Le relazioni scritte e il colloquio finale abilitano a presentare i dati in modo efficace, a discuterli sulla base delle approssimazioni fatte, a esprimere i concetti con linguaggio appropriato e conciso e a sostenere un contradditorio. Capacità di apprendimento Le attività descritte permetteranno allo studente di acquisire gli strumenti metodologici necessari per potere approfondire specifici argomenti di spettroscopia e di chimica quantistica avanzata.