66929 - PROPRIETA' DI MOLECOLE E AGGREGATI

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

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.

Programma/Contenuti

Prerequisiti: lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione sui fondamenti della chimica quantistica, sulla struttura elettronica dell'atomo a molti elettroni. 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. Molecole biatomiche semplici.

a) La molecola H2+

b) La molecola H2.

c) Funzioni d'onda per molecole polielettroniche: prodotto di Hartree e determinate di Slater. Funzioni di spin per stati di singoletto e tripletto.

2. 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.

 

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

a) Costruzione grafica di orbitali molecolari alla geometria lineare, a traingolo 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-.

d) Effetto Jahn-Teller: Analisi del termine lineare di accoppiamento in termini di simmetria della funzione d'onda e della vibrazione molecolare che accoppia elettroni e vibrazioni.

4. 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

 

5. Hamiltoniani effettivi e Hamiltoniano di Huckel.

a) Definizione di Hamiltoniano effettivo e derivazione delle equazioni secolari dall'applicazione del principio variazionale.

b) Soluzioni generali e particolari. Elettronegatività diversa di due atomi.

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

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

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

f) Benzene: Costruzione delle SALC con operatori di proiezione e spettroscopia di assorbimento elettronico.

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

6. 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 e degli stati elettronici eccitati dell'H2O e altre molecole.

 

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

Il corso è costituito da 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. Oltre alle esercitazioni in aula è previsto anche l'utilizzo di semplici programmi di chimica quantistica in laboratorio informatico per la determinazione e discussione delle proprietà elettroniche di molecole.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso l'esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una prova scritta della durata di 2 ore senza l'aiuto di appunti o libri.

La prova scritta 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 e in laboratorio informatico.

Ogni quesito o esercizio aperto consente di ottenere un massimo di 3 punti. Ogni quesito a risposta multipla consente di ottenere un massimo di 2 punti.

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

Pc, videoproiettore

Link ad altre eventuali informazioni

http://www.ciam.unibo.it/fabrizianegri

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Fabrizia Negri

Consulta il sito web di Assimo Maris