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:

Nozioni introduttive: Interazione radiazione-molecole e le corrispondenti equazioni cinetiche. 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 di molecole biatomiche: Energia rotazionale delle molecole: trattazione classica. Passaggio dalla trattazione classica a quella quantistica: il rotatore rigido. Il rotatore semi-rigido: distorsione centrifuga. Molecole biatomiche: livelli energetici, regole di selezione, intensita', spettro rotazionale. Esercizi numerici.

Spettroscopia vibrazionale di molecole biatomiche: Energia rotazionale delle molecole: trattazione classica. Passaggio dalla trattazione classica a quella quantistica: l'oscillatore armonico. Anarmonicita'. Molecole biatomiche: livelli energetici, regole di selezione, intensita', spettro vibrazionale. Esercizi numerici.

Spettroscopia vibro-rotazionale di molecole biatomiche: Livelli energetici, regole di selezione, intensita', spettro vibro-rotazionale. Esercizi numerici.

Spettroscopia Raman di molecole biatomiche: Effetto Raman. Regole di selezione: polarizzabilità elettrica e momento di dipolo indotto. Spettroscopia Raman rotazionale. Spettroscopia Raman vibrazionale. Effetto della statistica di spin nucleare. Esercizi numerici.

Spettroscopia elettronica di molecole biatomiche: Approssimazione di Born-Oppenheimer e concetto di superficie di energia potenziale. Il principio di Franck-Condon. Transizioni vibroniche in molecole biatomiche: livelli energetici, regole di selezione, il concetto di progressione vibronica, intensita'. Derivazione di energie di dissociazione da spettri vibronici. Transizioni ro-vibroniche in molecole biatomiche: livelli energetici, regole di selezione, intensita'. Esercizi numerici.

Il corso è strutturato nel seguente modo: viene prima di tutto affrontata la parte teorica relativa agli argomenti su menzionati (questo permette di arrivare al laboratorio con le tutte le nozioni richieste); successivamente, si procede a riprendere gli argomenti attraverso la risoluzione degli esercizi; infine, in previsione delle prove in itinere (Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento), si procede ad un ripasso degli argomenti oggetto di verifica sia dal punto di vista teorico che dal punto di vista della risoluzione di esercizi attraverso la risoluzione delle prove degli anni precedenti.

Esercitazioni in laboratorio: Quattro esercitazioni in laboratorio relative a: spettroscopia rotazionale, spettroscopia vibro-rotazionale, spettroscopia Raman vibrazionale e spettroscopia vibronica.

Testi/Bibliografia

J.M. Brown: "Molecular Spectroscopy" - Oxford Science Publications. Capitoli: 1 - 7.

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).

Diapositive proiettate a lezione disponibili online.

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 in cui si applicano in modo quantitativo le nozioni teoriche presentate a lezione (1 CFU);

- 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 2-3 unità, portano a termine quattro esperienze di tipo sperimentale. Ciascuna esperienza viene poi descritta, documentata e interpretata in una apposita relazione.

In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede lo svolgimento di tutti gli studenti dei Moduli 1 e 2 in modalità e-learning [https://www.unibo.it/it/servizi-e-opportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-di-studio-e-tirocinio] e la partecipazione al Modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del Modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.

Modalità di verifica e valutazione 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, e le relazioni di laboratorio, consegnate dallo studente entro il termine del semestre in oggetto. La durata della prova scritta è mediamente di 120 minuti ed è strutturata nel seguente modo:

- Risoluzione di (circa 9) esercizi numerici (simili a quelli svolti a lezione)

- Domande (circa 9) di argomenti svolti nel corso della parte teorica

Nel corso della prova scritta è ammesso l'uso della calcolatrice.

Il voto finale viene calcolato come media pesata sui CFU della votazione acquisita nella prova scritta e del voto ottenuto nelle relazioni di laboratorio.

Sono previste tre prove in itinere. La durata della prova in itinere è mediamente di 120 minuti ed è strutturata nel seguente modo:

- Risoluzione di (circa 6-10) esercizi numerici (simili a quelli svolti a lezione)

- Domande (circa 8-12) di argomenti svolti nel corso della parte teorica

Nel corso delle prove è ammesso l'uso della calcolatrice.

Ciascuna prova in itinere viene svolta dopo il ripasso degli argomenti oggetto di verifica (si veda la voce "Contenuti" per i dettagli del caso). Le prove in itinere sono organizzate nei contenuti nel seguente modo:

- I prova in itinere (indicativamente entro la prima metà di Aprile): Teoria: Interazione radiazione-materia e tutta parte introduttiva, Spettroscopia Rotazionale Esercizi: Spettroscopia Rotazionale.

- II prova in itinere (indicativamente entro fine Aprile - prima settimana di Maggio): Teoria e Esercizi: Spettroscopia Vibrazionale e Spettroscopia Vibro-rotazionale.

- III prova in itinere (entro nella seconda di Maggio): Teoria e Esercizi: Spettroscopia Raman e Spettroscopia Elettronica.

Entro la fine di Maggio è inoltre prevista una prova in itinere di recupero.

 

Strumenti a supporto della didattica

1) Lezioni di teoria tenute con supporto del video-proiettore (materiale proiettato a disposizione su Virtuale). Esercizi e risoluzione di prove in itinere di anni precedenti svolti alla lavagna (risoluzioni disponibili su Virtuale).
2) Esercitazioni in laboratorio di Chimica Fisica. Dispense diponibili su Virtuale.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Cristina Puzzarini

Consulta il sito web di Mattia Melosso