Insegnamento DINAMICA DELLE REAZIONI CHIMICHE
| Nome del corso di laurea | Scienze chimiche |
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| Codice insegnamento | GP004050 |
| Curriculum | Chimica fisica |
| Docente responsabile | Piergiorgio Casavecchia |
| Docenti |
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| Ore |
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| CFU | 8 |
| Regolamento | Coorte 2019 |
| Erogato | Erogato nel 2019/20 |
| Erogato altro regolamento | |
| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche |
| Settore | CHIM/02 |
| Anno | 1 |
| Periodo | Secondo Semestre |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | Cinetica chimica e dinamica di reazioni chimiche: costanti di velocità; sezioni d'urto differenziali e integrali. Superfici di energia potenziale. Dinamica delle collisioni molecolari (elastiche, inelastiche, reattive). Metodi sperimentali: tecniche a fasci molecolari con rivelazione a spettrometria di massa e a spettroscopia laser. Lasers in dinamica di reazione. Le tecniche LIF, REMPI, VMI (velocity map imaging), e H-atom Rydberg tagging. Potenziali intermolecolari e loro determinazione da sezioni d'urto integrali e differenziali elastiche e inelastiche. Dinamica di reazioni bimolecolari semplici e complesse: reazioni a 3-atomi (H+H2, F+H2, Cl+H2, N(2D)+H2), a 4-atomi (OH+H2, OH+CO), poliatomiche multicanale (O+idrocarburi insaturi). Calcoli dinamici quasiclassici e quantistici di dinamica di reazione su superfici di energia potenziale: confronti teoria-esperimento. Dinamica di fotodissociazione (spettroscopia di foto-frammentazione); applicazioni a sistemi semplici (HX, H2O, O3, SH) e complessi (molecole poliatomiche). Dinamica di reazione in tempo reale (femto-chemistry). Esperienze di laboratorio (in gruppo). |
| Testi di riferimento | 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. Mark Brouard, Reaction Dynamics, Oxford Science Publications (1998). |
| Obiettivi formativi | 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. |
| Prerequisiti | Per poter comprendere i contenuti trattati e gli obiettivi di apprendimento e' utile che lo studente abbia seguito (nel primo semestre) e superato l'esame di Scienze Molecolari Applicate. Inoltre e' importante che lo studente segua contemporaneamente il corso di Spettroscopia Molecolare. |
| Metodi didattici | Lezioni frontali (7 CFU) e n. 2 esperienze di laboratorio di gruppo con relazione scritta individuale (1 CFU). Totale 8 CFU. |
| Altre informazioni | Attivita' di didattica integrativa: 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 (stanza 24). |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L'esame complessivo prevede una valutazione della relazione di laboratorio (15%), una valutazione dei problemi numerici assegnati a casa (15%) ed una prova orale (70%). La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 45-60 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacita' di comprensione raggiunta dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma del corso. La prova orale consentira' inoltre di verificare la capacita' di comunicazione dell'allievo con proprieta' di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione sugli stessi argomenti a contenuto teorico. I problemi numerici assegnati a casa e la relazione dell'attivita' di laboratorio sono finalizzate a verificare la capacita' di applicare correttamente le conoscenze teoriche, la capacita' di comprensione delle problematiche proposte e la capacita' di comunicare in modo scritto. |
| Programma esteso | 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'acetaldeide, 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) Sistemi da vuoto (basso, alto e ultra-alto vuoto): Sistemi di pompaggio e di misurazione del vuoto. Spettrometria di massa a quadrupolo con ionizzazione ad impatto elettronico e spettrometria di massa a tempo di volo. (b) 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. Caratterizzazione (misura ed analisi) della distribuzione in velocità di un fascio supersonico di gas nobile. |