66931 - METODI SPETTROSCOPICI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del modulo, lo studente conosce i principi che governano i processi di interazione radiazione-molecole, che generano spettri di assorbimento e di emissione di varia natura. Apprende prioritariamente i fondamenti quantomeccanici delle tecniche spettroscopiche di più largo impiego nei laboratori chimici (NMR, IR, VIS-UV), e acquisisce competenze nella capacità di correlare caratteristiche spettrali con proprietà molecolari di interesse chimico-fisico e analitico.

Contenuti

Prerequisiti: Lo studente che accede a questo insegnamento deve possedere buone basi di tipo fisico-matematico e avere soprattutto una buona conoscenza dei fondamenti di meccanica quantistica, forniti dal corso di Chimica Fisica I. 

Programma: Le diverse popolazioni dei livelli energetici molecolari: equazione di Boltzmann.

I tre principali processi di interazione radiazione-molecole e le corrispondenti equazioni cinetiche. Derivazione della legge di Lambert-Beer. Il momento di transizione e le informazioni che da esso si possono trarre. Le principali regioni dello spettro elettromagnetico e il loro utilizzo in campo spettroscopico. Relazioni tra frequenza, lunghezza d'onda, numero d'onda.

Spettroscopia rotazionale . Energia rotazionale delle molecole: trattamento classico. Le molecole lineari: trattamento quantistico. Spettri rotazionali di molecole lineari. Derivazione di parametri strutturali.

Spettroscopia vibrazionale di molecole biatomiche . Equivalenza tra molecola biatomica che vibra e oscillatore armonico monodimensionale. Spettri vibrazionali di molecole biatomiche in fase condensata: momento di transizione e regole di selezione. Energia vibro-rotazionale di molecole biatomiche in fase gassosa. Spettri vibro-rotazionali di molecole biatomiche: regole di selezione, andamento delle intensita' . Derivazione di costanti di forza di legami chimici.

Spettroscopia vibrazionale di molecole poliatomiche . L'energia vibrazionale classica di una molecola N-atomica espressa per mezzo delle coordinate normali: la molecola poliatomica come somma di 3N-6 oscillatori armonici monodimensionali. L' Hamiltoniano vibrazionale quantistico. Soluzione della equazione di Schrodinger: livelli energetici e funzioni d'onda vibrazionali. Transizioni vibrazionali in una molecola poliatomica: forma del momento di transizione e regole di selezione. Vibrazioni IR attive e non: esempio di CO2. Relazioni tra coordinate normali e vibrazioni di gruppi funzionali.

Spettroscopia elettronica . L'approssimazione di Born-Oppenheimer e il concetto di superficie di energia potenziale. La funzione di Morse come approssimazione della curva di energia potenziale di una molecola biatomica. La parabola armonica come caso limite della funzione di Morse. Andamento dei livelli energetici vibrazionali in presenza di anarmonicita'  vibrazionale. Transizioni vibro-elettroniche in molecole biatomiche: il concetto di progressione vibronica. Il principio di Franck-Condon e la sua formulazione quantomeccanica. Derivazione di energie di dissociazione da spettri vibronici. Spettroscopia elettronica di emissione: il fenomeno della fluorescenza.

Spettroscopia Raman . L'effetto Raman come caso di scattering anelastico. La polarizzabilità elettrica delle molecole e il momento di dipolo indotto. Analisi del momento di transizione per spettroscopia Raman-vibrazionale. Differenza tra vibrazioni Raman-attive e vibrazioni IR-attive : esempio CO2.

Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare . Il momento angolare di spin nucleare e i corrispondenti numeri quantici per il nucleo 1H. Momento magnetico di spin nucleare. L'energia degli stati di spin in presenza di un campo magnetico esterno. Transizioni permesse e frequenze di risonanza. L'effetto di schermo degli elettroni: origine del chemical shift e la sua misura come parametro adimensionale.

Esercitazioni in laboratorio . Attivita'   sperimentali e di calcolo inerenti agli argomenti sviluppati a lezione.

Testi/Bibliografia

P.W. Atkins, J. de Paula : “Chimica Fisica” (5a ed. italiana dalla 9a inglese) – Zanichelli.

Contenuto dei capitoli 12, 13, 14 (Spettroscopia 1, 2, 3).

Dispense integrative fornite dal docente e scaricabili da AMS Campus.

Metodi didattici

Il corso si sviluppa attraverso tre differenti tipologie di insegnamento: lezioni frontali svolte in aula in cui viene presentata la parte teorica del corso (4 CFU), esercizi (svolti in aula o in laboratorio con l'ausilio di PC) in cui si applicano in modo quantitativo le nozioni teoriche presentate a lezione (1 CFU), e infine esercitazioni pratiche in laboratorio consistenti nella registrazione e analisi di spettri molecolari ottenuti attraverso l'uso diretto di strumentazione spettroscopica “research grade” (1 CFU). Gli studenti, divisi in gruppi di tre unità, portano a termine due/tre esperienze di tipo sperimentale. Ciascuna esperienza viene poi descritta, documentata e interpretata in una apposita relazione (formato testo o presentazione diapositive), da completarsi in laboratorio nei tempi previsti per le attività di esercitazioni e/o di esercizi.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso un singolo esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite una prova orale. Tipicamente lo studente viene invitato a fornire spiegazioni relativamente a tre diversi argomenti sviluppati nel corso, e la durata della prova orale è mediamente di 30 minuti. Viene valutato anche il lavoro svolto in laboratorio, che contribuisce per 1/6 del voto finale (da 0 a 5 punti su un massimo complessivo di 30).

Il voto finale in trentesimi dell'esame di Chimica Fisica II viene calcolato come media dei voti ottenuti in Metodi Spettroscopici (66931)  e Proprietà di Molecole e Aggregati (66929).

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna luminosa e videoproiettore in aula.

Spettrometri e PC in laboratorio.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudio Degli Esposti