Università degli Studi di Perugia

Prova orale.

Da definire.

1. Che cosa è la dinamica di reazione?
Dalla cinetica alla dinamica di reazione. Richiami di teoria cinetica dei gas: distribuzione delle velocità di Maxwell-Boltzman.Reazioni elementari e reazioni complesse. Dalle sezioni d?urto reattive alle costanti di velocità di reazione.

2. Superfici di energia potenziale
Calcoli di superfici di energia potenziale. L?approssimazione di Born-Oppenheimer. Tipi di superfici di energia potenziale. Moto sulla superficie di energia potenziale. Superfici adiabatiche e non-adiabaticità nelle reazioni chimiche.

3. Collisioni molecolari
Lo scattering come sonda della dinamica molecolare di reazione.
?Full-collisions?: collisioni (bimolecolari) elastiche, inelastiche e reattive.
?Half-collisions?: collisioni molecola-fotone (fotodissociazione).
SCATTERING ELASTICO: Sezioni d?urto elastiche e Potenziali Intermolecolari isotropi.
SCATTERING INELASTICO: Sezioni d?urto inelastiche e Potenziali Intermolecolari anisotropi. Processi di trasferimento di energia e anisotropia del potenziale.
Cenni ad informazioni sui potenziali intermolecolari da proprietà macroscopiche della materia e da proprietà spettroscopiche.
SCATTERING REATTIVO: Sezioni d?urto reattive e Dinamica di Reazione. Distribuzioni angolari e di velocità dei prodotti nel sistema del laboratorio e nel sistema del centro di massa. Distribuzioni di popolazione rotazionali e vibrazionali dei prodotti. Meccanismi di reazione: strappamento (?harpooning?), rimbalzo, e complesso a lunga vita. Stereodinamica delle reazioni chimiche.

4. Tecniche sperimentali
Descrizione delle tecniche sperimentali usate nello studio della dinamica di reazione e di fotodissociazione ed esempi.
TECNICHE SPETTROSCOPICHE risolte nel tempo (pump-probe) in flusso: Chemi-luminescenza infrarossa; metodi spettroscopici laser (Laser Induced Fluorescence - LIF, Resonant Enhanced Multi-Photon Ionization - REMPI, Infrared (IR) absorption).
TECNICHE A FASCI MOLECOLARI INCROCIATI con rivelazione (a) ?universale? a spettrometria di massa via ionizzazione con elettroni o fotoni VUV e analisi in tempo di volo, (b) spettroscopica (LIF, REMPI, assorbimento IR), (c) ?Ion-imaging?, (d) ?Hydrogen atom Rydberg tagging?.
DINAMICA DI REAZIONE IN TEMPO REALE con tecniche spettroscopiche al femto-secondo (Femto-Chimica).

5. Calcoli di dinamica di reazione su superfici di energia potenziale
Dalla superficie di energia potenziale alla dinamica di reazione. Calcoli di traiettorie quasiclassiche (QCT) e calcoli quantistici di dinamica di reazione su superfici di energia potenziale. Probabilità di reazione e sezioni d?urto integrali e differenziali. Correlazioni fra la topologia delle superfici di energia potenziale e la dinamica di reazione. Specificità nel rilascio e selettività nel consumo di energia nelle reazioni chimiche. Regole di Polanyi. Confronti esperimento-teoria (calcoli quantistici esatti e calcoli QCT su superfici di energia potenziale ab initio) per sistemi reattivi sia semplici che complessi (dalle reazioni H+H2 e F+H2 alle reazioni poliatomiche).
Oltre l'approssimazione di Born-Oppenheimer: Effetti non-adiabatici nella dinamica di reazioni bimolecolari. Effetti tunnel e di risonanza nelle reazioni chimiche.

6. Dinamica delle reazioni di fotodissociazione
Dallo spettro di assorbimento alla fotodissociazione di molecole con selezione di stato quantico. Chimica fotoselezionata: accesso alla regione dello stato di transizione. Tipi di processi di fotodissociazione. Identità dei prodotti e canali elettronici di foto-frammentazione. Scattering come sonda della dinamica molecolare di fotodissociazione: SPETTROSCOPIA DI FOTOFRAMMENTAZIONE. Sezioni d'urto di fotodissociazione. Distribuzioni vibrazionali e rotazionali dei prodotti. Distribuzioni angolari dei fotoframmenti e correlazioni vettoriali. Anisotropia delle distribuzioni angolari dei fotoframmenti e tempi di vita delle molecole eccitate. Fotodissociazione di singoli stati quantici. I vari livelli delle sezioni d'urto di fotodissociazione.
Fotodissociazione in tempo reale con tecniche spettroscopiche al femtosecondo.
Rilevanza dei processi di fotodissociazione nella chimica dell'atmosfera ed oltre. Esempi: La fotodissociazione dell?ossigeno molecolare, dell'ozono, dell'acqua, della formaldeide, dell'acetaldehyde, di composti aromatici, etc.

7. Ulteriori tecniche di indagine in dinamica di reazione e fotodissociazione
Controllo vibrazionale delle reazioni chimiche: Reagenti selezionati in stato quantico e chimica bond-selective e state-specific. Estensione alle reazioni in fase liquida.
Investigazione diretta dello stato di transizione di una reazione con tecniche a fasci molecolari e spettroscopiche al femto-secondo (Femtochimica), e mediante spettroscopia di fotoelettroni di ioni negativi.

8. Dinamica di reazione gas-superficie solida, gas-superficie liquida e in fase liquida (cenni).

9. Esperienze di laboratorio. Durante il corso gli studenti avranno l'opportunità di prendere contatto fisico diretto, attraverso due esperienze di gruppo, con:
(a) la tecnica dei fasci molecolari incrociati con rivelazione a spettrometria di massa a quadrupolo con ionizzazione a bombardamento di elettroni ed analisi in tempo di volo (dei reagenti e dei prodotti) per lo studio della dinamica di una reazione chimica.
(b) la tecnica sperimentale LIF (Laser-Induced-Fluorescence) e REMPI (Resonance-Enhanced-Multi-Photon-Ionization) mediante laser pulsato tunabile a colorante per la caratterizzazione degli stati quantici interni (roto-vibrazionali) di una molecola o un radicale e degli stati spin-orbita di un atomo in fascio molecolare.

Costanti di velocità. Sezioni d'urto differenziali e integrali di reazione. Superfici di energia potenziale. Dinamica delle collisioni molecolari (elastiche, inelastiche, reattive). Metodi sperimentali: tecniche a fasci molecolari e spettroscopiche laser. Dinamica di reazione e di fotodissociazione. Calcoli dinamici su superfici di energia potenziale. Confronti teoria-esperimento. Femto-chimica. Esperienze di laboratorio (in gruppi).

Lezioni frontali (7 CFU) e n. 2 esperienze di laboratorio di gruppo con relazione (1 CFU). Totale 8 CFU.

1. Tutorials in Molecular Reaction Dynamics, (ed. M. Brouard & C. Vallance), Royal Society of Chemistry Publishing (2010).
2. Molecular Reaction Dynamics, R. D. Levine, Cambridge University Press (2005).
3. Chemical Kinetics and Reaction Dynamics, P. Houston, McGraw-Hill (2001).
4. Photodissociation Dynamics, R. Schinke, Cambridge Monographs on Atomic, Molecular and Chemical Physics, Cambridge University Press (1993).

Gli studenti del primo anno del corso di Laurea Magistrale in Scienze Chimiche che seguiranno il corso di DINAMICA DELLE REAZIONI CHIMICHE apprenderanno i concetti base della dinamica molecolare di reazione e di fotodissociazione sia dal punto di vista teorico che sperimentale. Grazie alle conoscenze di base di tipo chimico-fisico che gli studenti hanno già acquisito nei corsi del triennio e nel primo semestre della Laurea Magistrale, essi potranno agevolmente affrontare i concetti teorici e le tecniche sperimentali che sono alla base di una descrizione e comprensione di come avvengono le reazioni chimiche e fotochimiche a livello atomico/molecolare. Si prevede che lo studente apprenda la connessione fra la cinetica classica e la dinamica molecolare di reazione, i concetti di superficie di energia potenziale di reazione, la descrizione classica e quantistica dei processi reattivi passando attraverso lo studio anche di processi elastici ed inelastici, come si ottengono dal punto di vista sperimentale informazioni sulla dinamica molecolare, come si interpretano i risultati degli esperimenti di dinamica molecolare, quale è il loro significato e quali sono le loro implicazioni per una comprensione moderna e dettagliata della reattività chimica, sia dal punto di vista fondamentale che in campi di interesse pratico che vanno dalla chimica dell'atmosfera a quella delle combustioni, all'astrochimica, alle interazioni gas-superficie. Gli studenti apprenderanno numerose tecniche sperimentali moderne basate su fasci molecolari e varie spettroscopie laser.

Il corso inizierà verso l'inizio di marzo 2014 e terminerà verso la fine di maggio 2014, in date da definire.

Il corso di DINAMICA DELLE REAZIONI CHIMICHE si compone di 7 crediti di lezioni frontali (per un totale di 49 ore) e di 1 credito di laboratorio (per un totale di 12 ore). Le attività didattiche del corso si terranno dalle 11 alle 13 in Aula H dei giorni lunedì, mercoledì e venerdì di ogni settimana per un arco di settimane compreso fra l'inizio di marzo e la fine di maggio 2014. Le due esperienze di gruppo di laboratorio si svolgeranno in 3 o 4 pomeriggi da concordare con gli studenti.
Vedi anche ORARIO delle LEZIONI all'albo del Dipartimento.

Nell'ambito delle ore di programmazione complessiva (circa 70 ore) un certo numero di ore (7 o 8) saranno dedicate ad attività di supporto alla didattica. Inoltre il docente sarà a disposizione degli studenti, per ulteriore attività di supporto alla didattica, dalle ore 16 alle ore 17 degli stessi giorni in cui si tengono le lezioni, o in aula H o nella piccola biblioteca del terzo piano del Dipartimento di Chimica o nel suo ufficio.

Facoltativa, ma altamente raccomandata.

Dipartimento di Chimica, Via Elce di Sotto, 8, Perugia. Aula H.

Dalle 15 alle 16 di ogni giorno in cui sono tenute le lezioni di Chimica Fisica 1 (lunedì, mercoledì, giovedì, venerdì). Assistenza agli studenti sarà fornita anche dopo la fine del corso con orario simile nello studio del docente.

Aula A oppure piccola biblioteca del 3° piano oppure ufficio del docente.