66929 - PROPRIETA' DI MOLECOLE E AGGREGATI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del modulo, lo studente conosce i principi fisici che regolano il legame chimico, le proprietà elettroniche e vibrazionali delle molecole poliatomiche e le interazioni intermolecolari. Ha familiarità con l'utilizzo degli hamiltoniani effettivi, con il concetto di orbitali molecolari e con il concetto di modi normali di vibrazione. Acquisisce competenze nella capacità di correlare la struttura elettronica con le proprietà molecolari.

Contenuti

 

Il Corso si compone di 6 CFU suddivisi in 2 parti.

5 CFU corrispondono a lezioni frontali ed esercitazioni numeriche svolte in aula.

1 CFU riguarda esercitazioni pratiche mirate ad acquisire dimestichezza con i più comuni metodi di calcolo quantomeccanico e si svolge in laboratorio informatico.

Prerequisiti: lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione sui fondamenti della chimica quantistica. Conosce inoltre le soluzioni ai più semplici problemi quantistici quali la particella in una scatola e l'oscillatore armonico. Ha una buona conoscenza della teoria dei gruppi.

Programma: La conoscenza e la comprensione delle proprietà elettroniche e strutturali delle molecole poliatomiche è fondamentale per la progettazione di nuovi materiali molecolari. Il corso pertanto affronta gli aspetti concettuali più rilevanti per comprendere la formazione del legame chimico, la geometria molecolare, la struttura elettronica di molecole complesse. 

Contenuti.

1. Atomi a molti elettroni.

a) Atomo di elio nella configurazione fondamentale: energia dalla teoria perturbativa

b) Atomo di elio in configurazione eccitata (1s)(2s): cenno alla teoria perturbativa per stati degeneri. Energia e funzioni d'onda simmetrica e antisimmetrica

c) Autofunzioni di spin di singoletto e tripletto: dalla base disaccoppiata a quella accoppiata e verifica con operatori scala.

d) Atomo di elio: spettro atteso e spettro osservato: Principio di Pauli o di antisimmetria.

e) Principio di antisimmetria e vincoli alla funzione d'onda: il determinante di Slater e funzioni prodotto di una parte spaziale e una parte di spin.

f) Atomo a molti elettroni: lo screening nucleare e la carica nucleare efficace; energia delle subshells s e p. Cenno agli Slater type orbital (STO).

 

2. Molecole: introduzione

a) Hamiltoniano molecolare totale: analisi di tutti i termini presenti 

b) Approssimazione Born-Oppenheimer, funzione d'onda elettronica e nucleare, dipendenza parametrica dalle coordinate nucleari e definizione delle superfici di energia potenziale (PES)

c) Esempi di Hamiltoniano molecolare elettronico

 

3. Molecole biatomiche semplici. H2+

a) Hamiltoniano elettronico, orbitali molecolari LCAO

b) Principio variazionale per determinare energie e i coefficienti delle combinazioni LCAO; applicazione ad H2+

c) Valore d'attesa dell'operatore Hamiltoniano per H2+: analisi dei termini che determinano l'energia e la stabilità della molecola.

d) Notazione e simmetria degli orbitali di molecole biatomiche omonucleari. Valori assunti dalla proiezione del momento angolare lungo l'asse intermolecolare. 

e) La curva di energia potenziale di H2+: posizione del minimo e profondità della buca. 

f) Considerazioni generali sugli effetti della interazione fra orbitali atomici. L'energia di interazione è proporzionale alla sovrapposizione orbitalica

 

4. Molecole polielettroniche

a) Richiamo determinante di Slater e  approccio VB ed MO 

b) cenno al metodo Hartree Fock per la determinazione degli orbitali molecolari che definiscono il determinante di Slater

 

5. La molecola H2.

a) Configurazioni elettroniche possibili e determinanti di Slater

b) Autofunzioni di spin (singoletto e tripletto) per la configurazione elettronica (sigma_g)(sigma_u)

c) Energia degli stati elettronici di H2 dal valore d'attesa, nota la funzione d'onda

d) Differenza di energia singoletto-tripletto originati da stessa configurazione elettronica 

e) Stabilità della molecola H2, profondità della buca, distanza di equilibrio e confronto con H2+

 

6. Molecole biatomiche omonucleari.

a) Costruzione grafica degli orbitali molecolari e dei diagrammi di interazione orbitalica per molecole della seconda e terza riga.

b) Razionalizzazione delle lunghezze di legame in base all'ordine di legame.

c) Razionalizzazione della struttura elettronica sulla base della sequenza orbitalica.

 

7. Molecole triatomiche semplici: diagrammi di Walsh per H3.

a) Costruzione grafica di orbitali molecolari alla geometria lineare, a triangolo equilatero e a triangolo isoscele.

b) Applicazione della teoria dei gruppi per determinare la simmetria degli orbitali molecolari per le simmetrie D3h e C2v

c) Costruzione del diagramma di Walsh e geometrie attese per H3, H3+, H3-.

 

8. Molecole triatomiche del tipo AH2: costruzione dei diagrammi di Walsh.

a) Schema orbitalico per la molecola AH2 in struttura lineare e piegata C2v.

b) Costruzione dei diagrammi di Walsh e discussione per molecole da BeH2 all'H2O

 

9. Hamiltoniani effettivi e Hamiltoniano di Huckel.

a) Definizione di Hamiltoniano effettivo

b) Hamiltoniano effettivo di Huckel: Etilene e radicale allile, soluzioni analitiche. Cariche parziali atomiche e ordine di legame.

c) Soluzione generale per un poliene con n atomi di carbonio. Butadiene: applicazione della costruzione trigonometrica degli orbitali molecolari.

d) Sistemi ciclici, soluzione generale ed applicazione al benzene. Determinazione delle energie orbitaliche e dei coefficienti degli orbitali molecolari del benzene con formule generali trigonometriche.

e) Bifenile come oligomero di PPP: costruzione degli orbitali molecolari partendo dagli orbitali di frammento benzenici.

Applicazione pratica (con esercitazioni al computer) del metodo degli orbitali molecolari di Hückel a sistemi quali: benzene, ciclobutadiene, bifenile.

 

10. Cenni sull'interazione radiazione e materia: spettroscopia fotoelettronica e di assorbimento elettronico

a) Momento di transizione, approssimazione di Condon, regole di selezione di spin e di simmetria per il momento di transizione elettronica.

b) Esperimenti che supportano la teoria degli orbitali molecolari: spettroscopia fotoelettronica.

c) Importanza e ruolo della struttura vibronica negli spettri fotoelettronici e negli spettri di assorbimento elettronico.

d) Discussione dello spettro fotoelettronico dell'H2O e altre molecole.

 

Programma delle esercitazioni in laboratorio informatico: 

Introduzione al sistema operativo Linux e all’editor di testo.

Programmi per il calcolo quantomeccanico: Gaussian, Hückel

Calcoli ab initio su molecole biatomiche omonucleari in diversi stati elettronici (determinazione della struttura a minima energia, analisi dei orbitali molecolari e calcolo delle curve di energia di dissociazione).

 

Testi/Bibliografia

Testi/Bibliografia

Sono rese disponibili le dispense di lezione che contengono tutto il materiale presentato nelle lezioni teoriche;

inoltre sono suggeriti i seguenti testi per approfondimento di alcune lezioni.

P. Aktins, R. Friedman, "Molecular quantum mechanics", Oxford University Press; 2005. 

J. P. Lowe, K. A. Peterson, “Quantum Chemistry”, Academic Press, 2006;

D. C. Harris, M. D. Bertolucci, “Symmetry and Spectroscopy”, Dover, 1989;

D.A. McQuarry and J.D. Simon, Physical Chemistry: a molecular approach, University Science, Books, 1997.

Metodi didattici

Lezioni frontali accompagnate da esercizi di applicazione delle nozioni presentate con lo scopo di allenare lo studente all'utilizzo pratico degli strumenti della chimica quantistica applicata allo studio delle molecole poliatomiche. Le lezioni si svolgono in aula ma per le esecitazioni sul metodo Huckel saranno utilizzati semplici applicativi al computer o per tablet/cell phone.

 

Per le esercitazioni pratiche mirate ad acquisire dimestichezza con i più comuni metodi di calcolo quantomeccanico. Le esercitazioni si svolgono nel Laboratorio Informatico del Dipartimento di Chimica. I computer sono dotati dei sistemi operativi Windows e Linux e molteplici programmi di calcolo e grafica molecolare.

In vista della situazione di emergenza COVID-19 il numero di postazioni  del Laboratorio Informatico potrebbe essere ridotto.

In considerazione della tipologia di attività e dei metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede la preventiva partecipazione di tutti gli studenti ai Moduli 1 e 2 di formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio, [https://elearning-sicurezza.unibo.it/] in modalità e-learning.

 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

1) La verifica dell'apprendimento relativo ai 5 CFU di attività svolte in aula avviene attraverso un esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una prova scritta senza l'aiuto di appunti o libri, seguita da una breve prova orale.

La prova scritta, generalmente somministrata usando la piattaforma EoL, in aula informatica, consiste in una serie di quesiti sui concetti esposti nelle lezioni teoriche ed esercizi che fanno riferimento a quelli svolti durante le esercitazioni in aula. L'esame scritto è seguito da un breve esame orale.

2)Il conseguimento del CFU di attività di laboratorio informatico avverrà tramite una test a risposta multipla che prevederà sia domande generali riguardanti le nozioni base mostrate durante le esperienze di laboratorio computazionale, sia lo svolgimento di esercizi numerici mediante l’uso dei programmi mostrati in laboratorio.

Il voto complessivo relativo ai 6 CFU del modulo integrato "Proprietà di molecole e aggregati" sarà ottenuto come media pesata delle componenti 1) e 2).

In aggiunta a quanto indicato, durante il semestre in cui si svolgono le lezioni di questo insegnamento sono previste due prove scritte in itinere (una circa a metà novembre e una a fine corso) che consentono di conseguire i 5 CFU delle attività frontali. Il superamento della prima prova in itinere è necessario per poter partecipare alla seconda e conclusiva prova.

Il voto finale del corso integrato Chimica Fisica 2 (di cui fa parte il presente modulo integrato) viene calcolato come media aritmetica dei voti ottenuti nei due moduli integrati che lo compongono: “Proprietà di molecole e aggregati” e “Metodi spettroscopici”.

Strumenti a supporto della didattica

1) PC, videoproiettore, openboard, dispense di lezione 

2) Esercitazioni al calcolatore

3) Il materiale didattico presentato in laboratorio verrà messo a disposizione dello studente attraverso la piattaforma VIRTUALE. Ogni studente perciò deve essere iscritto al corso sulla piattaforma VIRTUALE.

Link ad altre eventuali informazioni

https://site.unibo.it/modeling-functional-molecular-materials/en

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Fabrizia Negri

Consulta il sito web di Daniele Fazzi