LABORATORIO DI CHIMICA FISICA II
cod. 16810

Anno accademico 2017/18
3° anno di corso - Primo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Chimica fisica (CHIM/02)
Field
Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche
Tipologia attività formativa
Caratterizzante
66 ore
di attività frontali
6 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in ITALIANO

Modulo dell'insegnamento integrato: CHIMICA FISICA II E LABORATORIO

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, elementi di simmetria, gruppi 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, Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press.
- F. A. Cotton, La Teoria dei gruppi in Chimica, Tamburini Ed. 1975.
- D. P. Shoemaker, C. W. Garland, J. P. Nibler, Experiments in Physical Chemistry, McGraw-Hill 1996.

Metodi didattici

Lezioni frontali, 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.

Altre informazioni

La partecipazione alle esperienze è obbligatoria. La partecipazione alle lezioni frontali e alle esercitazioni verrà monitorata raccogliendo le firme: sarà obbligatorio aver partecipato ad almeno il 90% delle ore di lezione (frontali+esercitazioni) per poter ottenere la frequenza.
Chi, alla fine del corso, non avrà partecipato a tutte le esperienze e/o non avrà frequentato almeno il 90% delle lezioni (frontali+esercitazioni), non otterrà la frequenza e non potrà sostenere l’esame e dovrà rifrequentare il corso in un anno successivo.
Ogni studente deve presentarsi preparato alle esperienze di laboratorio (il docente può riservarsi di negare la partecipazione a studenti che si presentino impreparati). Inoltre ogni studente deve tenere un quaderno di laboratorio (con fogli non removibili e pagine numerate – ne basta uno piccolo), da redigere a penna durante il corso delle esperienze, dove vengono riportate le procedure e i dati ottenuti. Questo quaderno deve venire firmato dal docente o dall’esercitatore alla fine di ogni esperienza.
Inoltre, relativamente ad ogni esperienza, ogni studente deve redigere una relazione, in cui viene riassunta l’esperienza e i concetti alla base di essa, vengono presentati, elaborati e discussi i dati acquisiti e spiegate le conclusioni. Le relazioni devono contenere il nome dello studente, il gruppo di appartenenza e l’anno accademico, e le pagine devono essere numerate. Possono essere redatte a mano (in buona grafia) oppure dattiloscritte e devono essere consegnate in formato cartaceo.
L’insieme delle relazioni deve essere consegnato (da parte di chi ha ottenuto la frequenza), insieme a copia del quaderno di laboratorio, almeno una settimana prima dell’esame e comunque non più tardi della fine di Settembre dell'anno accademico in questione. In caso di mancata consegna dei documenti entro la data indicata, lo studente non sarà ammesso all’esame e dovrà rifrequentare il Laboratorio l’anno successivo.
Il docente si riserva di “respingere” le relazioni che ricevano un giudizio insufficiente, dando la possibilità allo studente di integrare/migliorare il contenuto.
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.