Corso di laurea in Chimica per la manifattura sostenibile

Padronanza delle nozioni apprese negli insegnamenti di base di matematica (in particolare algebra lineare ed analisi) e fisica (meccanica ed elettromagnetismo)

Fornire gli strumenti formali e concettuali per la comprensione della complessità chimica attraverso l'apertura verso l'approccio quantomeccanico alla chimica

Gli studenti dovranno acquisire le seguenti capacità (dettaglio secondo i descrittori di Dublino):

 

A: CONOSCENZA E CAPACITA’ DI COMPRENSIONE	conoscenza dei principi della meccanica quantistica per la descrizione delle proprietà elettroniche di atomi e molecole; conoscenza delle spettroscopie vibrazionali ed elettroniche e dei relativi principi teorici
B: CAPACITA’ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE	capacità di risolvere esercizi inerenti la struttura elettronica e le proprietà vibrazionali di atomi e molecole capacità di interpretare i dati derivanti da osservazioni sperimentali in un quadro teorico appropriato
C: AUTONOMIA DI GIUDIZIO	Valutare criticamente i risultati di calcoli ed esperimenti e determinare l'accettabilità degli stessi in base alle conoscenze chimico-fisiche acquisite
D: ABILITA' COMUNICATIVE	padronanza nell’impiego del lessico specialistico della chimica-fisica e capacità di esporre con efficacia e linearità i concetti chiave dell'insegnamento

 

1. Richiami di matematica e di algebra lineare.
2. Teoria dei Gruppi. Elementi e operazioni di simmetria, ordine di un gruppo. Simmetria dei moti di traslazione, rotazione e vibrazione delle molecole.
3. Introduzione alla meccanica quantistica (MQ). L’inadeguatezza della meccanica classica a scala atomica: corpo nero; effetto fotoelettrico; diffrazione di elettroni e dualismo onde/particelle; spettri atomici di emissione. Lo spettro dell’atomo di idrogeno. Il principio di indeterminazione di Heisenberg.
4. L’equazione d’onda quantistica e l’equazione di Schröedinger (EdS). L’EdS come problema agli autovalori. Postulati della meccanica quantistica e loro significato. Funzione d’onda e probabilità. Requisiti della funzione d’onda.
5. La MQ applicata a sistemi semplici: (a) particella nella scatola (mono- e tri-dimensionale); (b) l'oscillatore armonico (e le vibrazioni delle molecole); (c) il rotatore rigido.
6. I metodi approssimati e la teoria delle perturbazioni. Esempi per oscillatore anarmonico e gli atomi di H e di He. Il metodo variazionale (lineare e non): nessi con l’algebra lineare e con l’uso del calcolatore. Il metodo LCAO e la molecola di H₂.
7. Struttura atomica. L’atomo di idrogeno: EdS; separazione delle variabili; soluzione esplicita della parte in φ. Autovalori e autovettori, degenerazione e rappresentazione grafica. Nodi e superfici nodali. Orbitali atomici (AO). Momento angolare e nesso con il rotatore rigido. Significato dei numeri quantici l e m. Lo Spin. Schema dei livelli e spettroscopia dell’atomo di H. La rappresentazione delle funzioni d’onda. Atomi polielettronici: aufbau e costruzione del sistema periodico. Configurazioni, stati e simboli di termine. Il principio di antisimmetria e il determinante di Slater.
8. La molecola H₂⁺. Impostazione dell’EdS e approssimazione di Born-Oppenheimer. Il metodo LCAO e gli orbitali molecolari dell'H₂⁺.
9. Semplici molecole biatomiche omo- (H₂, Li₂, B₂, C₂, N₂, O₂, F₂) ed etero-nucleari (CO, HF ed NaCl). Ibridazione: metano, etilene ed acetilene. Il metodo di Hückel. Sistemi coniugati e delocalizzazione elettronica. Molecole aromatiche: il benzene.
10. L’interazione materia-radiazione. Lo studio sperimentale dell’interazione materia-radiazione. Lo spettro elettromagnetico e le principali tecniche spettroscopiche.
11. Spettri rotazionali di molecole biatomiche. Numero, disposizione ed intensità delle bande. Effetto della temperatura (distribuzione di Boltzmann).
12. Spettri vibrazionali: approfondimenti sulla base dei modelli sviluppati nella prima parte. Introduzione alla spettroscopia Raman.
13. Spettri elettronici. Principio di Franck-Condon e struttura vibronica. Cromofori. Fluorescenza e fosforescenza.

L’attività di laboratorio si focalizzerà sull’applicazione pratica dei concetti di spettroscopia discussi nelle lezioni in aula.

L'insegnamento prevede 56 ore di lezioni frontali e 16 ore di esperienze di laboratorio (queste ultime con frequenza obbligatoria). L’insegnamento si svolgerà con modalità interattive volte a stimolare il coinvolgimento degli studenti.

La prova d’esame intende verificare le conoscenze di base acquisite dallo studente sui principi e sui metodi della meccanica quantistica e le capacità, incluse quelle di ragionamento critico, nell’applicarle alla descrizione della struttura (configurazione elettronica, legami, geometria, ecc.) e delle proprietà chimico-fisiche (stabilità, proprietà elettriche, proprietà chimiche, spettroscopia, ecc.) di atomi e molecole.

L’esame consiste in una prova scritta strutturata in una serie di domande a risposta aperta e di esercizi numerici sugli argomenti dell’insegnamento. Ad ogni domanda e/o esercizio viene attribuito un punteggio parziale (in trentesimi) che tiene conto della sua specifica difficoltà, sia in termini di conoscenze richieste che di tempo necessario per la risposta. Il voto finale è dato dalla somma dei punteggi parziali, fino ad un massimo di 30/30 e lode.

Eventuali esercitazioni al di fuori dell'orario ufficiale delle lezioni su espressa richiesta degli studenti

Materiali didattici di riferimento:

- Peter Atkins, Julio de Paula, James Keeler, "Chimica Fisica", sesta edizione, 2020, Zanichelli, ISBN: 9788808620521

- Slides presentate a lezione.

 

Testi consigliati per approfondimenti:

- G. K. Vemulapalli, "Chimica fisica", 1995, Edises, ISBN: 8879590529.

- D. A. McQuarrie. J. D. Simon, "Chimica fisica: un approccio molecolare", 2000, Zanichelli, ISBN: 9788808176400. (N.B. questo testo non è più in catalogo ma risulta disponible presso la biblioteca di Chimica).