CHIMICA FISICA II E LABORATORIO M - Z

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1 DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIMICHE Corso di laurea in Chimica Anno accademico 2017/ anno CHIMICA FISICA II E LABORATORIO M - Z 12 CFU - 2 semestre Docenti titolari dell'insegnamento CRISTINA SATRIANO - Modulo - CHIM/02-6 CFU csatriano@unict.it Edificio / Indirizzo: Edificio 1/Dipartimento di Scienze Chimiche. Viale Andrea Doria, Catania. Telefono: Orario ricevimento: per appuntamento LUISA D'URSO - Modulo - CHIM/02-6 CFU ldurso@unict.it Edificio / Indirizzo: Edificio 1/ Via Andrea Doria, 6 Telefono: Orario ricevimento: Tutti i giorni previo appuntamento via . OBIETTIVI FORMATIVI 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 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. L obiettivo dell attività di Laboratorio è quello di sviluppare le capacità di osservazione e analisi attraverso procedure sperimentali mirate alla determinazione di parametri chimico-fisici. PREREQUISITI RICHIESTI Matematica, Fisica generale 1, Fisica generale 2, Chimica fisica 1 Conoscenza della Chimica Fisica di base

2 FREQUENZA LEZIONI Obbligatoria (almeno 60% di presenze) Obbligatoria con le deroghe stabilite dal regolamento didattico del CdL in Chimica CONTENUTI DEL CORSO 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.

3 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. Cinetica mediante la spettrometria UV-Vis: iodurazione dell acetone Cinetica conduttometrica: idrolisi dell acetato di etile Spettroscopia di Fluorescenza: verifica della legge di Stern-Volmer Ru(bpy)3]Cl2 con quencher (Q) fenotiazina Spettroscopia FT-IR: spettri FT-IR di composti carbonilici in fase solida, liquida e gassosa. Spettri elettronici: assorbimento dello I 2 Spettri elettronici: assorbimento di polieni coniugati Angolo di contatto: calcolo dell energia libera di superficie Spettroscopia UV-Vis: Fotodegradazione di contaminanti organici mediante l utilizzo di nanoparticelle di biossido di titanio TESTI DI RIFERIMENTO 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 Atkins De Paula - Chimica Fisica - Zanichelli

4 PROGRAMMAZIONE DEL CORSO * Argomenti Riferimenti testi 1 * Introduzione alla meccanica quantistica Paula, R. Friedman - QUANTA, MATTER, AND CHANGE: A MOLECULAR APPROACH TO PHYSICAL CHEMISTRY -W.H. FREEMAN AND COMPANY New York. 2 * L equazione di Schrödinger e la particella contenuta in una scatola 3 * L oscillatore armonico, il rotatore rigido, l'atomo idrogenoide 4 * I metodi di approssimazione: metodo variazionale e teoria perturbativa Paula, R. Friedman - QUANTA, MATTER, AND CHANGE: A MOLECULAR APPROACH TO PHYSICAL CHEMISTRY -W.H. FREEMAN AND COMPANY New York. Paula - PHYSICAL CHEMISTRY 9th Ed Paula - PHYSICAL CHEMISTRY 9th Ed 5 * Gli atomi polielettronici Paula - PHYSICAL CHEMISTRY 9th Ed 6 * Il legame chimico: molecole biatomiche e poliatomiche 7 * La teoria dei gruppi: sfruttamento delle simmetrie approccio molecolare - Zanichelli;D.A. Mc.Quarrie, J.D. Simon CHIMICA FISICA un approccio molecolare - Zanichelli/P. Atkins, J. de Paula - PHYSICAL CHEMISTRY 9th Ed P. Atkins, J. de Paula - PHYSICAL CHEMISTRY 9th Ed 8 * La spettroscopia molecolare Atkins, J. de Paula - Chimica fisica - Zanichelli; J.M. Hollas, MODERN SPECTROSCOPY - Wiley 9 * Cinetica Chimica Atkins, J. de Paula - Chimica fisica - Zanichelli * Argomenti Riferimenti testi

5 1 Cinetica chimica mediante la spettrometria UV-Vis 2 Cinetica chimica conduttometrica 3 Spettroscopia di Fluorescenza e dimostrazione in laboratorio della legge di Stern Volmer 4 Spettroscopia FT-IR: spettri FT-IR di composti carbonilici 5 Spettri elettronici: assorbimento dello I2 6 Spettri elettronici: assorbimento di polieni coniugati, esempio di Quantum Box 7 Angolo di contatto: calcolo dell energia libera di superficie 8 Fotodegradazione di contaminanti organici mediante l utilizzo di nanoparticelle di biossido di titanio * Conoscenze minime irrinunciabili per il superamento dell'esame. N.B. La conoscenza degli argomenti contrassegnati con l'asterisco è condizione necessaria ma non sufficiente per il superamento dell'esame. Rispondere in maniera sufficiente o anche più che sufficiente alle domande su tali argomenti non assicura, pertanto, il superamento dell'esame. MATERIALE DIDATTICO Verranno fornite agli studenti le presentazioni ppt degli argomenti trattati durante le lezioni frontali VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO Scritto ed orale. Esame orale e discussione della tesina di laboratorio contenente almeno 3 relazioni (a scelta dello studente) sulle esercitazioni svolte durante il corso.

6 Le relazioni per l esame orale possono essere spedite via o consegnate direttamente al docente una settimana prima della data dell appello. DATE DEGLI APPELLI 2a sessione: 20/06/2018 (ore 9:30) e 18/07/2018 (ore 9:30) 3a sessione: 10/09/2018 (ore 9:30) e 3/10/2018 (ore 9:30) 2a sessione: 20/06/2018 e 18/07/2018 3a sessione: 10/09/2018 e 3/10/2018 PROVE IN ITINERE Nessuna prova PROVE DI FINE CORSO L'esame, integrato per gli studenti della Laurea in Chimica con l'esame di Laboratorio di Chimica Fisica II, viene condotto per verificare (a) l'acquisizione dei concetti di base della meccanica quantistica e della loro applicazione ai problemi di interesse chimico; (b) la capacità dello studente di esporre i concetti in modo chiaro, usando adeguatamente il linguaggio tecnico-scientifico, (c) la capacità di affrontare problemi chimici usando gli strumenti formali della meccanica quantistica; (d) per la parte di laboratorio la capacità di estrarre informazione dall'analisi di dati. L'esame prevede una pre-selezione sulla base di una prova scritta atta a valutare se lo studente conosce i concetti di base, seguita da prova orale per gli studenti ammessi. La prova orale è costituita da una domanda relativa ad un'esperienza di laboratorio e ulteriori domande su argomenti del corso teorico. Per superare l'esame lo studente deve dimostrare una padronanza minima della materia in termini sia di contenuti che di abilità espressive. Presentazione della tesina ed esame orale ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI - 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

7 - Modi normali di vibrazione nessuna