ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| CHIMICA FISICA E LABORATORIO | CHIM/02 | LEZIONI | 99 |
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Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
- capire le proprietà e i fenomeni caratteristici delle onde elettromagnetiche e gli esperimenti fondamentali a livello storico che riguardano la luce, le sue proprietà e la nascita della spettroscopia.
- capire i principi alla base della meccanica quantistica per la comprensione della struttura dell'atomo e delle molecole;
- capire i principi fondamentali che stanno alla base dell'interazione tra la radiazione elettromagnetica e la materia;
- conoscere i principi fondamentali e le principali applicazioni di alcune spettroscopie (spettroscopia atomica di assorbimento ed emissione, spettroscopia molecolare di assobimento UV-vis, spettroscopia molecolare di emissione di fluorescenza, spettroscopia molecolare FT-IR, spettroscopia molecolare 1H NMR e 13C NMR).
At the end of the course, the student will be have a good knowledge of:
- properties of electromagnetic waves and basic phenomena of light; the fundamental historical experiments at the basis of Spectroscopy.
- basic principles of the Quantic Theory and its application to the understanding of the structural properties of atoms and molecules;
- basic principles of the interaction between matter and electromagnetic waves;
- basic principles and applications of several spectroscopic methods (atomic spectroscopy, absorption and emission spectroscopy in the UV-vis region, FT-IR, 1H NMR and 13C NMR).
The knowledge of the above concepts and main topics will be assessed:
- during the course, by making specific questions to the students;
- during the lab activities;
- by evaluating the written reports concerning the lab activities;
Moreover, the students will be invited to answer to quiz and test as a self-evaluation (on the e-learning web site).
Lo studente sarà in grado di:
The student will be able to:
- explain the fundamental experiments at the basis of Spectroscopy and Quantomechanics.
- explain the principles of the spectrofotometers (FT-IR, UV-vis, fluorospectrometer, NMR)
- explain and interpret the absorption UV-vis spectrum
- explain and interpret the FT-IR spectrum of an organic compound
- explain and interpret the 1H NMR and 13C NMR spectra of an organic compound
Queste conoscenze saranno valutate durante le attività laboratoriali e nei report scritti relativi alle attività svolte dagli studenti.
These skills will be mainly evaluated during the Lab activities and by evaluating the written reports.
Durante il corso e durante i laboratori didattici gli studenti dovranno interagire con l'insegnante e con i colleghi, sarà richiesta una partecipazione attiva alle esperienze.
Gli studenti dovranno quindi dimostrare di avere un atteggiamento positivo e collaborativo con i compagni.
During the course and during the laboratory activities, the students are asked to collaborate and to participate actively.
The students are required to interact positively and costructively with other students.
Nelle attività laboratoriali gli studenti lavoreranno a gruppi secondo la modalità di cooperative learning, che sarà valutata attraverso una griglia discussa prima con gli studenti.
Verrà utilizzata anche la piattaforma elearning (moodle) per le attività di autovalutazione (test ed esercitazioni) e, in caso di didattica a distanza, verranno anche proposte attività laboratoriali da poter svolgere a casa.
Saranno valutati anche gli atteggiamenti, la partecipazione attiva alle lezioni e l'attenzione.
During the laboratory activities, the students will work in group according to the "cooperative learning" approach. Their behaviours will be avaluated by using a table which will be explained to the students before going in the lab.
Several activities will be proposed on the elearning web-site of the course (self evaluation).
During the lessons, attention, active partecipation and behaviours will be also evaluated.
Nozioni elementari di trigonometria, calcolo algebrico e funzioni di numeri complessi. Nozioni elementari del calcolo differenziale e integrale. Nozioni elementari di meccanica classica, elettricità, magnetismo, proprietà fondamentali delle onde elettromagnetiche.
Per fare l'esame ci sono delle propedeuticità:
Chimica Generale e Inorganica
Fisica Generale I e Laboratorio
Istituzioni di Matematica I
Basic notions about trigonometry, algebraic calculation, integrals, differential calculations. Basics about classical mechanics, electromagnetism.
Several exams are propedeutic:
Chimica Generale e Inorganica
Fisica Generale I e Laboratorio
Istituzioni di Matematica I
ARGOMENTI DEL PROGRAMMA DEL CORSO:
Richiamo delle proprietà fondamentali delle onde elettromagnetiche. Natura ondulatoria e natura corpuscolare della luce: esperimenti storici fondamentali e proprietà ottiche (riflessione, rifrazione, diffrazione e interferenza). La nascita della Spettroscopia: aspetti e contributi storici fondamentali (es. righe di Fraunhofer, leggi di Kirchhoff, …). Lo spettro elettromagnetico, gli spettri di righe (emissione e assorbimento). Aspetti fondamentali della spettroscopia atomica (concetti di emissione spontanea, emissione e assorbimento indotti, coefficienti di Einstein, spettro di emissione/assorbimento dell’idrogeno, costante di Rydberg, …). Aspetti storici rilevanti ed esperimenti fondamentali alla base della nascita della “Fisica dei Quanti” (densità di energia emessa dal corpo nero, il ‘quanto’ di Planck, effetto fotoelettrico, effetto Compton, esperimento di Davisson e Germer, esperimento di Stern-Gerlach, gli spettri atomici – vedi sopra).
I postulati della Meccanica Quantistica e i concetti matematici di operatore, autofunzione, autovalore, valore di aspettazione, funzione coniugata, … Il dualismo onda-particella nel caso di particelle atomiche e subatomiche. La funzione d’onda. L’interpretazione probabilistica della funzione d’onda e interpretazione ondulatoria. Le equazioni di Schrödinger (dipendente e indipendente dal tempo). Il principio di indeterminazione di Heisenberg. Tappe fondamentali della Meccanica Quantistica (storiche). L’esperimento mentale di Richard Feyman e il paradosso del gatto di Schrodinger. Risoluzione dell’equazione di Schrodinger indipendente dal tempo: energie, funzioni d’onda e numeri quantici di alcuni modelli quantistici di sistemi particolari: particella in una scatola monodimensionale, bidimensionale e tridimensionale; rotore rigido nel piano e nello spazio tridimensionale, oscillatore armonico.
I modelli atomici, con particolare riferimento al modello di Bohr e al modello si Schrodinger. Fondamenti della struttura atomica e degli spettri atomici. Le funzioni d’onda dell’atomo idrogenoide: parte angolare e parte radiale, distribuzione radiale; numeri quantici ed energie elettroniche, relazione tra funzioni d’onda e orbitali; regole di selezione alla base degli spettri atomici. Gli atomi multielettronici: la configurazione elettronica e gli elementi chimici; dalla configurazione elettronica ai simboli di termine per i livelli elettronici di un atomo. Approssimazione LS e approssimazione jj. Diagrammi di correlazione dei livelli energetici degli atomi. Spettroscopia atomica e regole di selezione per gli atomi multielettronici. Accoppiamento spin-orbita. Effetto dei campi: effetto Stark ed effetto Zeeman.
Cenni su alcuni concetti fondamentali della struttura delle molecole: il legame chimico, la teoria degli orbitali molecolari e la teoria del legame di valenza. L’approssimazione di Born-Oppenheimer, la separazione dei moti degli elettroni e dei nuclei. Moti molecolari (parte nucleare): moto traslazionale del baricentro, moti rotazionali e moti vibrazionali.
Il ruolo della geometria molecolare sulle proprietà spettroscopiche delle sostanze chimiche. Larghezza di riga spettrale (larghezza di riga omogenea e disomogenea, contributi alla larghezza di riga in spettroscopia).
Spettroscopia molecolare nella regione visibile (vis) e ultravioletto (UV). Principi teorici delle transizioni elettroniche e regole di selezione. Aspetti sperimentali e strumentali associati alla spettroscopia molecolare di assorbimento UV-vis. Elementi disperdenti e monocromatore; prismi e reticoli di diffrazione; beam-splitter, sorgenti di luce e fotomoltiplicatore. Legame tra struttura molecolare di composti organici e caratteristiche spettrali. Applicazione della spettroscopia UV-visibile allo studio dei pigmenti negli oli di oliva come esempio di matrice reale complessa.
Principi della spettroscopia di emissione di fluorescenza e di fosforescenza, diagramma di Jablonski, tempi caratteristici dei processi radiativi e non radiativi. Resa quantica di fluorescenza e cinetica degli stati eccitati mediante fluorescenza. Principi di funzionamento dello spettrofluorimetro e delle sue componenti. Esempi e applicazioni in campo medico e ambientale.
Spettroscopia molecolare nella regione delle radiazioni infrarosse e delle microonde. I principi fondamentali della spettroscopia vibrazionale e rotazionale: livelli energetici e regole di selezione. Momento di inerzia e momento di dipolo molecolare. Legame tra geometria molecolare, simmetria molecolare, tipo di rotore molecolare, componenti del momento d’inerzia ed espressione dell’energia rotazionale nella spettroscopia rotazionale pura. Forma dello spettro rotazionale puro. Cenni alla spettroscopia Raman. Modi vibrazionali, momento di dipolo e variazione del momento di dipolo, espressione dell’energia vibrazionale nell’approssimazione armonica. Anarmonicità (eq. di Morse). Regole di selezione. Aspetti e forme degli spettri vibrazionali e roto-vibrazionali. Aspetti fondamentali del funzionamento di uno spettrofotometro IR e FT-IR. L’interferometro di Michelson, sorgente IR, caratteristiche dello spettro infrarosso. Casi di studio e applicazioni allo studio di sostanze organiche, dei materiali come i film polimerici. Applicazione della spettroscopia IR per lo studio dei gas serra.
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Tappe storiche fondamentali della spettroscopia NMR. Definizione dei concetti di base: spin nucleare e momento magnetico nucleare. Le transizioni energetiche nucleari e la differenza di popolazione tra livelli nucleari. Principi di funzionamento di uno spettrometro NMR e dell’acquisizione dei segnali in Trasformata di Fourier. Le equazioni di Bloch. Esperimenti di base per l’acquisizione di un segnale NMR e per la misura dei tempi di rilassamento 1H NMR: T1 e T2. Cenni agli aspetti fondamentali per l’interpretazione degli spettri NMR: lo spostamento chimico, l’accoppiamento scalare, l’accoppiamento dipolare, l’effetto quadrupolare, il rilassamento di spin. Esempi di applicazioni usando software open-access.
Basic concepts of interaction between electromagnetic waves and matter. Relationship between macroscopic properties and molecular properties of matter. Principles of Quantic Theory (historical approach, main experiments and concepts. Quantization energy. Electromagnetic spectrum. Atomic emission and atomic absorption. Wave-particle dualism. Wave functions (definitions and interpretations). Schrödinger Equations. Indeterminacy principle. Quantic models: particle in a monodimensional box, rigid rotor, armonic oscillator. Principle of atomic spectroscopy (energy, orbital, electronic configuration, selection rules). Spectroscopy of stars. Atomic spectroscopy and the discovery of chemical elements. line-width and exceptions to the selection rules. Molecular structure and chemical bond. molecular Orbital Theory. Valence bond Theory. Born-Oppenheimer approximation. Elements of theories to treat the polyatomic molecules. Elements of symmetry. UV-vis Molecular Spectroscopy (Principles and experimental issues). How to interpret UV-vis absorption spectra. Basics of fluorescence spectroscopy. Applications. Rotational and vibrational spectroscopy. basics of Raman spectroscopy. The instrument of FT-IR. Interpretation of a FT-IR spectrum for organic compounds. Selection rules, rotational, roto-vibrational and vibrational spectra: examples. Applications. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Historical main steps and basic concepts. Main applications of NMR spectroscopy. Definition of the main concepts: magnetic nuclei, nuclear spin, magnetic nuclear momentum and main nuclear interactions. Nuclear transitions. Interpretation of a NMR spectrum of an organic molecule: chemical shift, scalar and dipolar coupling, quadrupolar interaction, relaxation phenomena. Basics of a NMR instrument and methods. 1H NMR and 13C NMR of organic molecules. Basics of relaxation measurements and dynamic properties of the molecular systems. Application to complex molecules and macromolecules.
Testi consigliati:
- P. Atkins, Chimica fisica (Quinta edizione italiana condotta sulla nona edizione inglese), Zanichelli
- W. Moore, Chimica fisica, Piccin Ed.
- J. Michael Hollas, Modern Spectroscopy, Wiley
- R. M. Silverstein, F. X. Webster e D. J. Kiemle, Identificazione spettrometrica dei composti organici, Zanichelli
- P. Atkins, Chimica fisica (Quinta edizione italiana condotta sulla nona edizione inglese), Zanichelli
- W. Moore, Chimica fisica, Piccin Ed.
- J. Michael Hollas, Modern Spectroscopy, Wiley
- R. M. Silverstein, F. X. Webster e D. J. Kiemle, Identificazione spettrometrica dei composti organici, Zanichelli
La frequenza alle lezioni ed alle esercitazioni di laboratorio è obbligatoria.
Lesson and Lab frequency is mandatory.
The exam is composed by a written and oral test.
Before accessing to the written test, the student need to give to the teacher the "written report" concerning the laboratory activities. It is mandatory to have a positive judgement by the teacher before accessing to the written test.
The written exam consists of several questions and exercises (2h and 30').
The written exam is passes if the vote is 18/30 or more.
The oral exam covers the main concepts of the course and it is passed only if the student demonstrate to have understood the main basic concepts and to use an appropriate language.
The final vote takes into account the laboratory activity (for 2/10), the written test (for 4/10) and the oral test (for 4/10).
Pagina di elearning: https://polo3.elearning.unipi.it/course/view.php?id=2760
Page e-learning: https://polo3.elearning.unipi.it/course/view.php?id=2760
