CHIMICA FISICA II E LABORATORIO A - L

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1 DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIMICHE Corso di laurea in Chimica Anno accademico 2016/ anno CHIMICA FISICA II E LABORATORIO A - L 12 CFU - 2 semestre Docenti titolari dell'insegnamento GIOVANNI MARLETTA - Modulo - CHIM/02-6 CFU gmarletta@unict.it Edificio / Indirizzo: Edificio 1 - Dipartimento di Scienze Chimiche - Viale A.Doria 6 - Catania Telefono: Orario ricevimento: Mercoledì ore Giovedì NUNZIO TUCCITTO - Modulo - CHIM/02-6 CFU n.tuccitto@unict.it Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Scienze Chimiche, Edificio 1, Cittadella Universitaria, Viale A. Doria n 6 Telefono: Orario ricevimento: Dalle 16:00 alle 18:00 Tutti i Martedì e Giovedì lavorativi. E' gradita la prenotazione via OBIETTIVI FORMATIVI Il corso si propone di fornire le conoscenze chimico-fisiche di base per la comprensione dei modelli teorici della struttura atomica e del legame chimico, della spettroscopia molecolare e della cinetica chimica. Alla fine del corso lo studente sarà in grado di comprendere e maneggiare 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. 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 Conoscenza delle nozioni di base di Termodinamica. Nozioni di base di Chimica Generale. Nozioni di

2 Matematica: nozioni di base sulle funzioni reali e complesse (campo di esistenza, derivabilità, integrabilità); capacità di sviluppare ed usare semplici derivate e risolvere semplici integrali; comprensione dell'uso di equazioni differenziali del 1 e del 2 ordine. Conoscenze di base di Fisica Generale, includenti nozioni di meccanica classica, di elettricità, magnetismo ed ottica. Concetti di Fisica e Matematica di base FREQUENZA LEZIONI Frequenza obbligatoria. Sono ammesse assenze nei limiti definiti dal vigente Regolamento Didattico di Ateneo. Come da regolamento didattico CONTENUTI DEL CORSO I 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. L equazione di Schroedinger applicata 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.

3 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. 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 poliatomiche da un punto di vista rotazionale e relativi spettri. 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 vibrorotazionali 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 UV-Vis in assorbimento. Spettroscopia di fotoelettroni. Lo spettro di fotoelettroni di CO. Spettro. 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 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 - Reazioni oscillanti. 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. Il corso è articolato in una serie di esperimenti di laboratorio come riportato nella sezione PROGRAMMAZIONE TESTI DI RIFERIMENTO P.W.Atkins - Chimica Fisica - Zanichelli, Bologna, D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Chimica Fisica: un approccio molecolare, Zanichelli, Bologna, Appunti e Dispense delle Lezioni

4 2. Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e 3. J.R.taylor - Introduzione All'Analisi Degli Errori PROGRAMMAZIONE DEL CORSO * Argomenti Riferimenti testi 1 * Postulati della meccanica quantistica e funzioni d'onda e operatori 2 * Equazione di Schrodinger e sue applicazioni a sistemi semplici: Particella in una buca di potenziale unidimensionale. Particella in una buca di potenziale tridimensionale. Effetto tunnel. Oscillatore armonico ed anarmonico. Rotatore rigido.. cap.4 D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Chimica Fisica: un approccio molecolare - Cap.11 P.W.Atkins - Chimica Fisica cap.2 e 3 D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.12 - P.W.Atkins Chimica Fisica 3 * Trattazione quantistica dell atomo di idrogeno. Cap.6 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.13 - P.W.Atkins Chimica Fisica 4 * Trattazione quantistica di atomi polielettronici. Cap.8 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.13 - P.W.Atkins Chimica Fisica 5 * Trattazione quantistica del legame chimico in molecole diatomiche e poliatomiche. Cap D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.14 - P.W.Atkins Chimica Fisica 6 * Cenni alla struttura elettronica dei solidi. Appunti di lezioni. 7 * Principi di base di spettroscopia molecolare. Interazione radiazione-materia. Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo. Teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Regole di selezione per transizioni radiative. 8 * Popolazione degli stati e distribuzione di Boltzmann. Spettroscopie convenzionali e nonconvenzionali. Approssimazione di Born- Oppenheimer per le spettroscopie. Molecole biatomiche: separazione dei modi vibrazionali e rotazionali. Cap.6 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.13 - P.W.Atkins Chimica Fisica Cap.13 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.16 - P.W.Atkins Chimica Fisica

5 9 * Spettroscopie rotazionali e vibrazionali Cap.13 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.16 - P.W.Atkins Chimica Fisica 10 * Spettroscopia elettronica Cap.13 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.17 - P.W.Atkins Chimica Fisica 11 * Stati elettronici eccitati e processi fotofisici. Cap.15 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.17 - P.W.Atkins Chimica Fisica 12 * Leggi di velocità delle reazioni chimiche. Leggi cinetiche semplici e costanti cinetiche. Integrazione di equazioni cinetiche semplici. 13 * Meccanismi di reazione.. 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 d Cap.28 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.24 e 25 - P.W.Atkins Chimica Fisica Cap.29 e 30 - D. A. McQuarrie, J. D. Simon, Cap.26 e 27 - P.W.Atkins Chimica Fisica * Argomenti Riferimenti testi 1 Introduzione del corso Dispense 2 Sicurezza in laboratorio Dispense 3 Analisi dei dati sperimentali e cenni di teoria degli errori J.R.taylor - Introduzione All'Analisi Degli Errori 4 Linee guida per la stesura delle relazioni Dispense 5 Cinetica di iodurazione dell acetone Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e 6 Cinetica di idrolisi dell acetato di etile Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e 7 Verifica della legge di stern-volmer Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e 8 Spettri ft-ir di composti carbonilici in fase solida e liquida Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e 9 Spettro elettronico di assorbimento dello I2 Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e

6 10 Spettro elettronico di assorbimento di polieni coniugati Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e 11 Calcolo dell energia libera di superficie Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e 12 Isoterme di langmuir-blodgett Chimica fisica, Libro di Julio De Paula e * 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 Gli studenti possono trovare il materiale didattico sul sito Studium relativo al corso. Gli studenti, in accordo con il programma e con le tipologie di esperienze svolte nel corso, possono servirsi del supporto di qualsiasi testo ritengano opportuno. VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO a) Compito scritto, con semplici esercizi di calcolo su argomenti del corso, propedeutico all'ammissione all'esame orale. b) Esame orale. Esami di profitto a fine corso DATE DEGLI APPELLI 1a Sessione 2016/ /06/ /06/ esame riservato a studenti fuoricorso 20/07/2017 2a Sessione 2016/2017

7 07/09/ /09/ esame riservato a studenti fuoricorso 06/10/2017 3a Sessione 2016/ /02/ /03/2018 Per le date di esame fare riferimento a quanto riportato nel Mod.1 PROVE IN ITINERE Sarà effettuata una prova in itinere - Risposta a domande aperte e risoluzione di semplici esercizi di calcolo su argomenti del corso. La valutazione dei risultati è finalizzata all'autovalutazione degli studenti e non sarà considerata ai fini della votazione dell'esame finale. PROVE DI FINE CORSO Non è prevista una prova di fine corso. ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI 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