Insegnamento CHIMICA FISICA 2
| Nome del corso di laurea | Chimica |
|---|---|
| Codice insegnamento | 55009212 |
| Curriculum | Comune a tutti i curricula |
| Docente responsabile | Fausto Elisei |
| CFU | 12 |
| Regolamento | Coorte 2016 |
| Erogato | Erogato nel 2018/19 |
| Erogato altro regolamento | |
| Anno | 3 |
| Periodo | Primo Semestre |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Tipo attività | Attività formativa integrata |
| Suddivisione |
CHIMICA FISICA 2
| Codice | 55044306 |
|---|---|
| CFU | 6 |
| Docente responsabile | Fausto Elisei |
| Docenti |
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| Ore |
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| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche |
| Settore | CHIM/02 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | Spettroscopia rotazionale, vibrazionale ed elettronica. Insiemi statistici e leggi di distribuzione. Funzione di ripartizione dei gas perfetti: fattori traslazionale, rotazionale, vibrazionale, elettronico e nucleare. Funzioni termodinamiche dei gas e di loro miscele. Potenziale chimico. Costante di equilibrio. |
| Testi di riferimento | P. W. Atkins and J. de Paula, Physical Chemistry, Oxford University Press |
| Obiettivi formativi | Questo modulo prevede lo svolgimento di lezioni frontali aventi l’obiettivo principale di introdurre lo studente allo studio della spettroscopia molecolare (MO, IR e UV-Vis), al fine di determinare proprietà molecolari quali la lunghezza di legame, la costante di forza e le proprietà di stati elettronici. Nella seconda parte del corso la termodinamica statistica verrà utilizzata per predire le proprietà termodinamiche di un sistema puro, la costante di equilibrio e la costante di velocità di processi reattivi. Si prevede che alla fine del corso gli studenti abbiano acquisito le conoscenze di base della spettroscopia e della termodinamica statistica. In particolare, lo studente dovrà conoscere l’approssimazione di Born-Oppenheimer, conoscere il modello del rotatore rigido, conoscere l’effetto di distorsione centrifuga, conoscere il modello dell’oscillatore armonico, conoscere i modi normali vibrazionali, conoscere l’effetto di anarmonicità, conoscere il potenziale di Morse, conoscere il principio di Franck-Condon, conoscere le principali regole di selezione, conoscere una configurazione e il suo peso statistico, conoscere la funzione di probabilità, conoscere il modello dell’insieme rappresentativo di Gibbs, conoscere la funzione di partizione canonica, conoscere la funzione di distribuzione di Boltzmann, conoscere le funzioni di distribuzione quantistiche di Bose-Einstein e Fermi-Dirac, conoscere il modello dello stato di transizione. Le principali capacità di applicare le conoscenze acquisite saranno: interpretare uno spettro MO, IR e UV-Vis, determinare le proprietà molecolari dagli spettri MO, IR e UV-Vis, calcolare le proprietà termodinamiche di un sistema gassoso ideale, calcolare la costante di equilibrio in fase gassosa, calcolare la costante di velocità di un processo reattivo, svolgere esercizi numerici semplici sugli argomenti trattati, utilizzare gli argomenti trattati negli insegnamenti successivi. |
| Prerequisiti | Al fine di saper comprendere le tematiche affrontate nel corso lo studente deve avere le conoscenze di base di Chimica Generale ed Inorganica, di Termodinamica classica, di Spettroscopia atomica e di Analisi Matematica per quanto concerne l'uso delle derivate e degli integrali e la descrizione delle serie. |
| Metodi didattici | Lezioni frontali in aula con proiezioni di diapositive. Alcune lezioni saranno dedicate al ripasso ed all'approfondimento delle tematiche affrontate, altre allo svolgimento di applicazioni numeriche. |
| Altre informazioni | Frequenza non obbligatoria ma fortemente raccomandata |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | Consistono in una prova scritta, seguita da una orale. La prova scritta servirà ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione degli argomenti trattati durante il corso ed avrà la durata massima di quattro ore, durante le quali lo studente dovrà risolvere esercizi numerici sugli argomenti trattati. Seguirà una prova orale cui avranno accesso gli studenti che avranno superato la prova scritta con una votazione pari o superiore a 18/30. La data della prova orale viene concordata con gli studenti il giorno della prova scritta e resa pubblica nella bacheca del corso di laurea. Tale prova servirà a chiarire criticità emerse dalla prova scritta ed a verificare le capacità di comunicazione dello studente con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione sugli argomenti trattati a lezione. Al voto finale concorreranno l'esito della prova sia scritta che orale, oltre alla valutazione delle attività di laboratorio svolte nel modulo di Laboratorio di Chimica Fisica 2. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
| Programma esteso | SPETTROSCOPIA. Introduzione generale. Radiazione elettromagnetica. Dipoli elettrici. Spettro elettromagnetico. Quantizzazione dell'energia rotazionale, vibrazionale ed elettronica. Numeri quantici. Transizione. Assorbimento. Emissione stimolata. Emissione spontanea. Regole di selezione. Probabilità di transizione e momento di transizione. Distribuzione di Boltzman. Intensità della transizione. Spettro. Spettrometri e loro componenti. Legge di Lambert-Beer. Larghezza di riga. Effetto Doppler. Effetto del tempo di vita. Effetto collisionale. Spettroscopia rotazionale. Introduzione. Momenti di inerzia. Livelli di energia rotazionale. Transizioni rotazionali. Spettri rotazionali. Spettroscopia vibrazionale. Introduzione. Modi normali vibrazionali. Livelli di energia vibrazionale. Oscillatore armonico. Potenziale di Morse. Energia di dissociazione spettroscopica e termodinamica. Transizioni vibrazionali. Regole di selezione. Determinazione dell'energia di dissociazione. Spettri vibrazionali. Transizioni e spettri vibro-rotazionali. Spettroscopia UV-Vis. Introduzione. Approssimazione di Born-Oppenheimer e principio di Frank-Condon. Struttura vibrazionale dello spettro di assorbimento. Spettri elettronici di molecole poliatomiche. Spettri di assorbimento di biomolecole. Cammini di disattivazione di stati elettronici eccitati. Tecniche di indagine in condizioni stazionarie e risolte nel tempo. TERMODINAMICA STATISTICA. Distribuzione statistica. Funzione di distribuzione e funzione probabilità. Configurazioni. Peso. Principio di uguale probabilità a priori. Configurazione dominante. Approssimazione di Stirling. Proprietà termodinamiche. Metodo di Gibbs dell'insieme rappresentativo. Ipotesi ergodica e uguale probabilità a priori. Insieme micro canonico: distribuzione molecolare, entropia, energia interna, pressione, temperatura e potenziale chimico. Insieme canonico: distribuzione di Boltzman, metodo dei moltiplicatori indipendenti, funzione di partizione molecolare, funzione di partizione canonica, energia interna, entropia, pressione, capacità termica molare, quantità termodinamiche per l'insieme canonico. Insieme gran canonico: funzione di partizione gran canonica, entropia, pressione, numero di moli, prodotto PV. Statistiche di Boltzman, Fermi-Dirac e Bose-Einstein. Funzioni di partizione di particelle distinguibili e particelle indistinguibili. Gas monoatomico ideale: funzione di partizione traslazionale, funzione di partizione elettronica e proprietà termodinamiche. Gas biatomico ideale: approssimazione dell'oscillatore armonico, funzione di partizione vibrazionale, funzione di partizione elettronica, funzioni termodinamiche. Gas poliatomico ideale: funzioni di partizione traslazionale, rotazionale (molecole lineari, non lineari, sferiche e simmetriche), vibrazionale ed elettronica, funzioni termodinamiche, rotazione impedita. Applicazioni alla descrizione dell'equilibrio chimico. Applicazioni alla determinazione della costante di velocità. Applicazioni alla risoluzione di esercizi numerici riepilogativi. |
LABORATORIO DI CHIMICA FISICA 2
| Codice | 55044406 |
|---|---|
| CFU | 6 |
| Docente responsabile | Anna Spalletti |
| Docenti |
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| Ore |
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| Attività | Caratterizzante |
| Ambito | Discipline chimiche inorganiche e chimico-fisiche |
| Settore | CHIM/02 |
| Tipo insegnamento | Obbligatorio (Required) |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | Cinetica chimica: velocità di reazione; equazioni cinetiche e costanti di velocità; teorie delle collisioni e dello stato di transizione; reazioni complesse; tecniche sperimentali. Fotochimica: decadimento stati elettronici eccitati; misura di rese quantiche; tecniche stazionarie e pulsate. Esercitazioni di laboratorio |
| Testi di riferimento | P. W. Atkins and J. de Paula, Chimica Fisica, Zanichelli (5a Ed. Italiana) |
| Obiettivi formativi | Lo studente acquisirà familiarità con le più importanti nozioni sulla cinetica chimica e fotochimica, capacità di risolvere problemi numerici su queste discipline e conoscenza delle più utilizzate tecniche sperimentali (classiche e più avanzate). In particolare, saranno perseguiti i seguenti obiettivi formativi: - Conoscenza dei concetti di base della cinetica di reazioni chimiche, metodi per determinare la legge di velocità, cinetica di reazioni elementari consecutive e parallele. - Capacità critica nel giudicare reazioni sotto il controllo cinetico e termodinamico. - Conoscenza di metodi di analisi classici per lo studio di reazioni moderate e lente, metodi a flusso e di rilassamento per reazioni veloci, fotolisi a lampo laser per reazioni ultraveloci. - Conoscenza di alcuni esempi: i) cinetica di reazioni a catena lineare e ramificata, ii) cinetica di reazioni enzimatiche, iii) reazioni fotochimiche - Capacità di risolvere problemi numerici sugli argomenti trattati. - Capacità di eseguire analisi quantitative per ottenere parametri quali la velocità di reazione, l’energia di attivazione, la resa quantica di una fotoreazione ecc. - Capacità critica nel presentare i risultati ottenuti nelle relazioni di laboratorio anche avvalendosi della trattazione degli errori. |
| Prerequisiti | Al fine di saper comprendere le tematiche affrontate nel corso lo studente deve avere le conoscenze di base di Chimica Generale ed Inorganica, di Termodinamica classica, di Spettroscopia atomica e di Analisi Matematica per quanto concerne l'uso delle derivate e degli integrali e la descrizione delle serie. |
| Metodi didattici | Sono previste circa 21 ore di lezione frontale in cui il docente spiega i contenuti del corso e circa 36 ore di laboratorio (in 8 pomeriggi) in cui gli studenti effettuano esperimenti inerenti il corso. |
| Altre informazioni | La frequenza delle lezioni teoriche è fortemente consigliata, quella delle esperienze di laboratorio è obbligatoria. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | Consistono in una prova scritta, seguita da una orale. La prova scritta servirà ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione degli argomenti trattati durante il corso ed avrà la durata massima di quattro ore, durante le quali lo studente dovrà risolvere esercizi numerici sugli argomenti trattati. Seguirà una prova orale cui avranno accesso gli studenti che avranno superato la prova scritta con una votazione pari o superiore a 18/30. La data della prova orale viene concordata con gli studenti il giorno della prova scritta e resa pubblica nella bacheca del corso di laurea. Tale prova servirà a chiarire criticità emerse dalla prova scritta ed a verificare le capacità di comunicazione dello studente con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione sugli argomenti trattati a lezione. Al voto finale concorreranno l'esito della prova sia scritta che orale, oltre alla valutazione delle attività di laboratorio svolte nel corso. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
| Programma esteso | Cinetica Chimica La velocità delle reazioni chimiche. Ordine e molecolarità. Leggi di velocità. Meccanismi di reazione. Approssimazione dello stato stazionario. Dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura. Reazioni a catena. Tecniche sperimentali. Teorie delle collisioni e dello stato di transizione. Previsione teorica delle costanti di velocità. Reazioni monomolecolari. Reazioni in soluzione. Reazioni su superfici solide. Catalisi omogenea ed eterogenea. - Fotochimica Produzione e decadimento di stati eccitati. Transizioni radiative e non-radiative; accoppiamento vibronico e spin-orbita. Diagramma di Jablonski. Fotoreazioni: misura di resa quantica e meccanismi. Confronto fra cinetiche termiche e fotochimiche. Equazione di Stern-Volmer per lo spegnimento di emissione. Tecniche stazionarie e pulsate. - Esercitazioni di laboratorio. Vengono eseguite 8 -10 esercitazioni pratiche sui seguenti argomenti: a) Cinetica chimica: determinazione dell'ordine, della costante di velocità e dell'energia di attivazione di reazioni chimiche. Cinetiche enzimatiche. b) Spettrofotometria UV-VIS: determinazione spettrofotometrica di costanti di equilibrio (indicatori, complessi a trasferimento di carica); spettri elettronici di coloranti organici. c) Fotochimica: rendimenti quantici di reazioni fotochimiche; spegnimenti di fluorescenza. d) Applicazioni di metodi di calcolo quantomeccanico per la determinazione di grandezze chimicofisiche. |