Obiettivi formativi
Applicazione di alcuni concetti chiave della quanto-meccanica.
Familiarizzazione con alcune tecniche spettroscopiche (assorbimento UV-visibile-NIR-IR; FT-IR; Raman).
Interpretazione dei dati spettroscopici e loro utilizzo per ricavare parametri molecolari.
Prerequisiti
Conoscenza dei concetti di base della quantomeccanica, della Fisica I e II e della Matematica I e II.
Contenuti dell'insegnamento
Modello della particella nella scatola di potenziale. Applicazione a molecole organiche pi-coniugate.
Cenni sulla trasformata di Fourier. Interferometro di Michelson. Spettrofotometro FT-IR.
Spettri rotovibrazionali di molecole biatomiche.
Teoria dei gruppi: definizione di gruppo, gruppi di simmetria, elementi di simmetria, rappresentazioni riducibili e irriducibili. Riduzione delle rappresentazioni. Connessione con la quantomeccanica.
Definizione dei modi normali di vibrazione, simmetria dei modi normali di vibrazione (con esempi). Uso della simmetria per la valutazione di integrali importanti in quantomeccanica. Regole di selezione per la spettroscopia IR. Spettroscopia Raman e sue regole di selezione. Previsione dell’attività IR e Raman su molecole di diversa simmetria.
Approssimazione di Born-Oppenheimer.
Metodo di Huckel: approssimazioni, risoluzione del problema e calcolo di cariche atomiche, ordini di legame, momenti di dipolo. Regola del 4n+2; uso della simmetria.
Programma esteso
Esperienze di laboratorio
- Spettri elettronici di coloranti organici coniugati.
Registrazione dello spettro di assorbimento visibile-NIR di coloranti organici di lunghezza crescente. Interpretazione dei risultati sulla base del modello della particella nella scatola di potenziale. Struttura vibronica degli spettri.
- Spettro roto-vibrazionale di HCl.
Registrazione dello spettro IR di un campione gassoso tramite spettrofotometro FT-IR. Interpretazione dello spettro vibro-rotazionale. Effetti di stiramento centrifugo, anarmonicità, l’accoppiamento vibro-rotazionale. Il potenziale di Morse. Overtones. Struttura rotazionale della transizione fondamentale: ramo R e ramo P. Effetto isotopico.
Prove a diversa risoluzione spettrale e uso della tecnica di apodizzazione.
Utilizzo delle frequenze sperimentali per ricavare parametri molecolari dell'HCl.
- Spettri infrarossi e Raman di sali inorganici aventi anioni di diversa simmetria.
Registrazione degli spettri IR e Raman di campioni solidi. Interpretazione degli spettri tramite la teoria dei gruppi.
- Calcolo della struttura elettronica di un idrocarburo insaturo mediante il metodo Hückel (esercizio al PC).
L'esercizio consiste nel risolvere la struttura elettronica pi-greco di un idrocarburo insaturo utilizzando il metodo di Hückel. Oltre alle energie degli stati, anche gli ordini di legame, le cariche atomiche nette e il momento di dipolo dello stato fondamentale verranno ricavati. Mediante l'uso della teoria dei gruppi, si individueranno le specie di simmetria degli orbitali molecolari e quindi le simmetrie di stato fondamentale e degli stati eccitati.
Si esaminerà quindi la possibile attività ottica delle corrispondenti transizioni elettroniche dallo stato fondamentale e si calcoleranno i corrispondenti momenti di dipolo di transizione.
Bibliografia
- P. W. Atkins, Meccanica quantistica molecolare, Zanichelli.
Metodi didattici
Lezioni frontali (in presenza e in diretta streaming), esercitazioni ed esperienze di laboratorio.
Modalità verifica apprendimento
L'apprendimento viene verificato in base alla partecipazione alle esperienze ed esercitazioni, alla valutazione dei report consegnati (e corrispondenti note di laboratorio) e in base ad un esame orale. Quest'ultimo viene svolto insieme all'esame del corso di Chimica Fisica II.
Tutti i dettagli sullo svolgimento dell'esame sono riportati sulla pagina Elly del corso.
Altre informazioni
La partecipazione alle esperienze è obbligatoria.
Chi, alla fine del corso, non ha partecipato a tutte le esperienze, non potrà sostenere l'esame e dovrà rifrequentare il laboratorio l'anno successivo.
Relativamente ad ogni esperienza, ogni studente (da solo o in gruppo) deve redigere una relazione, in cui viene riassunta l'esperienza e i concetti alla base di essa, vengono elaborati i dati acquisiti e spiegate le conclusioni.
Ogni studente (da solo o in gruppo) dovrà quindi redigere una relazione per ognuna delle esperienze di laboratorio. Un'ulteriore esperienza verrà effettuata al computer (da soli o con i membri del proprio gruppo).
La consegna delle relazioni, attraverso l'invio per posta elettronica di un file pdf alla titolare del corso di Laboratorio di Chimica Fisica 2, Prof.ssa Francesca Terenziani, dovrà avvenire almeno due settimane prima dell'esame e comunque entro e non oltre il 24 settembre 2021.
In caso di mancata consegna delle relazioni in tempo debito, lo studente dovrà rifrequentare il Laboratorio l'anno successivo e non sarà ammesso all'esame.
L'esame orale finale (a cui si accede solo avendo partecipato a tutte le esperienze e avendo consegnato i report in tempo debito) viene sostenuto insieme a Chimica Fisica II.
