Obiettivi Formativi

Chimica Fisica II Conoscere le ragioni all'origine della meccanica quantistica. Conoscere i fondamenti della meccanica quantistica e i principi che governano la struttura elettronica degli atomi e delle molecole e i legami chimici. Principi di base dell'interazione luce-materia e della fotochimica. Fondamenti della teoria del trasferimento elettronico Laboratorio di chimica Fisica: Verificare sperimentalmente i principi termodinamici che regolano gli scambi energetici tra sistemi chimici e la conversione tra differenti forme di energia (es. energia chimica in energia elettrica). Verificare il collegamento tra proprietà molecolari e comportamento macroscopico della materia. Verificare i principi base di interazione fra la luce e la materia. Conoscenza e verifica dei parametri sperimentali che governano la reattività di un sistema chimico e le velocità di reazione.

Learning Goals

Physical Chemistry II •To know the reasons leading to quantum mechanics. •To know the fundaments of quantum mechanics and the principles governing the electronic structure of atoms and molecules and the chemical bonds. •To know the basic principles of light-matter interaction and photochemistry. •Fundaments of electron transfer theory. Physical Chemistry Lab: Ability to verify experimentally the thermodynamic principles that govern the exchange of energy between the chemical systems and conversion between different forms of energy (eg chemical energy into electrical energy). Knowledge about the connection between molecular properties and macroscopic behavior of matter. Knowledge about the experimental parameters that govern the reactivity of chemical systems and the reaction rates. Knowledge of the basic principles of light-matter interaction and knowledge of the basic spectrophotometric and spectrofluorimetric techniques.

Metodi didattici

Chimica Fisica II Lezioni teorica frontali Laboratorio: Il corso si basa su lezioni teoriche ed esercitazioni sperimentali in laboratorio. Sono previste, inoltre esercitazioni in itinere finalizzate a verifiche facoltative.

Teaching Methods

Physical Chemistry II Room Lessons Physical Chemistry Lab: The course is based on lectures and experimental exercises in laboratory. Ongoing exercises are also provided aimed at optional student testing.

Prerequisiti

Conoscenze del corso di Chimica Generale Laboratorio: Conoscenza dei principi di Chimica Generale e di elementi di Chimica Fisica. Elementi di matematica

Prerequisites

Knowledge of General Chemistry principles Physical chemistry lab: Knowledges of "General Chemistry", Elements of Physical Chemistry and Mathematics

Verifiche dell'apprendimento

Esami orali Laboratorio: La verifica dell'apprendimento prevede la valutazione dei risultati ottenuti nei singoli esperimenti durante il corso sperimentale. La verifica finale prevede la valutazione dei risultati ottenuti nelle singole prove di laboratorio, di una prova partica e di un colloquio orale.

Assessment

Oral examination Physical Chemstry Lab: The Assessment includes the evaluation of the results of individual experiments during the experimental course. The final assessment must evaluate the results obtained in the individual laboratory tests a practical experience in lab and an oral interview. The threshold of sufficiency consists in learning the basic knowledge of experimental techniques applied during the course and the ability to process the data kept by rationalizing it with the corresponding experimental error.

Programma del Corso

1. Introduzione alla meccanica quantistica. Fallimenti della meccanica classica. Dall'atomo di Rutherford all'equazione di Schrodinger. Il principio di indeterminazione. Operatori ed osservabili. Valor medio. Specificazione di stati. Lo spin. notazione di Dirac. 2.Soluzioni esatte dell'equazione di Schrodinger. moto traslazionale, vibrazionale e rotazionale. L'atomo di idrogeno. Orbitali atomici. Atomi idrogenoidi. 3. Tecniche di approssimazione. Teoria variazionale. Teoria perturbativa indipendente dal tempo. 4. Atomi multielettronici e struttura molecolare. L'atomo di elio e la teoria perturbativa. Campi auto consistenti e orbitali di Hartree-Fock. Bohr-Oppenheimer approximation. Ipersuperfici di energia potenziale. Lo ione molecolare H2+. la molecola H2. teoria del legame di valenza. Teoria dell'orbitale molecolare. Elementi di teoria dei gruppi in chimica. 5. Fondamenti di spettroscopia e fotochimica. Time-dependent perturbation theory. Regola d'oro di Fermi. Concetto di stato elettronico eccitati. Concetti base e definizioni di processi di diseccitazione di stati eccitati. Fondamenti di trasferimento elettronico, chemiluminescenza e spettroscopia di emissione. Laboratorio: INTRODUZIONE: Norme di sicurezza in laboratorio. Teoria degli errori
 applicata alle esperienze di laboratorio. (4 ore) Calorimetria. Principi, strumentazione e determinazione sperimentale del potere calorifico di un campione incognito. (6 ore) Determinazione della tensione superficiale. Introduzione e principi delle forze superficiali inter-fase con il Metodo dello stalagmometro.
(6 ore) Determinazione dell'energia di attivazione di una reazione. (4 ore) Cenni di cinetica chimica e verifica della legge di Arrhenius. (6 ore) Determinazione della conduttanza equivalente limite di un elettrolita forte. (6 ore) Principi di polarimetria. (1 ora) Determinazione polarimetrica della reazione di inversione del saccarosio.(1 ora) Determinazione spettrofotometrica della costante cinetica di una reazione di primo ordine.(6 ore) Principi e funzionamento di uno spettrofotometro - Attinometria - Determinazione spettrofotometrica della costante cinetica di una reazione in soluzione. (7 ore) Spettrofluorimetria Principi, funzionamento di uno spettrofluorimetro e sue applicazioni: (7 ore)

Course Syllabus

1. Introduction of quantum mechanics. Introduction of quantum mechanics. Failures of classical mechanics. Black body radiation. Heat capacities. Photoelectric effect. Atomic spectra. 1.1. From Rutherford to Schrödinger equation. Rutherford Model. Modello di Rutherford. Bohr's description of atoms. The uncertainty principle. Operators. Eigenvalues equations. Time-independent Schrödinger equation. Time-dependent Schrödinger equation. Born's interpretations. Connections between classical and quantum mechanics. Limitation of Schrödinger equation. Spin. 1.2. Relationships between operators and observables. Average value of observables. Quantum mechanics and experimental values. Polarization of the photon. Hermitian operators. Dirac notation. Specification of states: complementarity. Time evolution and conservation law. 2. Exact solutions of Schrödinger equation. Translational motion. Particle in a box. The two-dimensional square well. The harmonic oscillator. Potential barriers and tunnelling. Hermite polinomia. Rotational motion. Particle on a ring. Angular moments. Degeneration of states of the rotational motion. Rappresentation of functions. The auxiliary functions. Particle on a sphere. Spheric armonicas. Motion in a Coulomb field: the hydrogen atom. Reduced mass. Radial motion. Effective potential. Laguerre associated functions. Quantum numbers. Degeneration. Radial nodes. Atomic orbitals. Hydrogenoid atoms. 3. Techniques of approximation. Variation theory. Time-independent perturbation theory. First-order perturbations. 4. Multielectronic atoms and molecular structure. The helium atom and the perturbation theory. Coulomb integrals. Self-consistent field. Hartree-Fock orbitals. Born-Oppenheimer approximation. Equilibrium conformation. Potential energy hypersurfaces. The molecular ion H2+. The hydrogen molecule. Bonding and antibonding molecular orbitals. Elements of Angular momenta of composite systems. Elements of Group theory in chemistry. Elements of molecular structures. 5. Fundaments of spectroscopy and photochemistry. 5.1. Light-matter interaction. Electronic transitions. Time-dependent perturbation theory. Fermi Golden Rule. Electronic matrix elements. Selection rules. Orbitals, states and transitions. Electronic ground and excited states. Franck-Condon principle. 5.2. Properties of electronically excited states. Jablonsky diagram. Intramolecular deactivation processes. Basics and definition of: Radiationless processes: vibrational relaxation, internal conversion, intersystem crossing. Radiative processes: fluorescence, phosphorescence: Kasha's rules. Emission spectroscopy. Bimolecular processes: excimers, exciplexes, energy transfer, electron transfer. Elements of electron transfer theory. Chemiluminescence. Physical Chemistry Lab: Summary of Contents: Safety. Theory of errors. Thermochemical experiments, physical equilibria, chemical equilibrium, chemical kinetics, elements of spectrophotometry and spectrofluorimetry. INTRODUCTION: Safety in the laboratory. Error theory (4 h) Calorimetry. Calorific power of fuel. Berthelot-Mahler bomb calorimeter (6 h) Determination of surfac e tension: torsion balance method (6 h) Reaction activation energy determination (Arrhenius). (10 h) Equivalent conductivity of electrolytes in aqueous solution (6 h) Polarimetry in carbohydrate chemistry, especially in the analysis of sugar inversion. (2 h) Spectrophotometric Determination of kinetic constant for a first order reaction; (6 h) Actinometry (7 h) Spectrofluorimetry principles and bimolecular quenching (7 h)