ECTS - University of Pisa
Al termine del corso lo studente sarà in grado di:
- 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:
- 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 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 in laboratorio.
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.
Saranno valutati anche gli atteggiamenti 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.
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 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
Richiamo dei concetti alla base dell’interazione luce-materia e delle relazioni tra proprietà molecolari e proprietà macroscopiche della materia. I principi della Meccanica Quantistica e legame con le caratteristiche strutturali dell’atomo e delle molecole. Aspetti storici rilevanti ed esperimenti fondamentali (la radiazione del corpo nero, l’effetto fotoelettrico, l’effetto Compton, …). La quantizzazione dell’energia. Lo spettro elettromagnetico e le righe spettrali di emissione e di assorbimento atomico. Aspetti fondamentali della spettroscopia atomica (concetti di emissione spontanea, emissione indotta, coefficienti di Einstein, …). Il dualismo onda-particella e le proprietà peculiari delle radiazioni elettromagnetiche. La funzione d’onda. L’interpretazione di Bohr della funzione d’onda. L’equazione di Schrödinger. Il principio di indeterminazione. Modelli quantistici per sistemi particolari: particella in una scatola monodimensionale; il rotore rigido, l’oscillatore armonico. Fondamenti della struttura atomica e degli spettri atomici (energie, orbitali, configurazione elettronica e regole di selezione). Aspetti storici legati alla spettroscopia delle stelle e alla scoperta di alcuni elementi chimici. Alcuni aspetti sperimentali: la larghezza di riga e le eccezioni alle regole di selezione. Fondamenti della struttura molecolare. Il legame chimico. La teoria degli orbitali molecolari. La teoria del legame di valenza. L’approssimazione di Born-Oppenheimer e la separazioni dei moti. Cenni alle teorie e alle approssimazioni per la trattazione di molecole poliatomiche. Cenni alla simmetria molecolare e alla classificazione in base alle proprietà di simmetria. Conseguenze e applicazioni esemplificative alla spettroscopia. Spettroscopia molecolare nel visibile (vis) e ultravioletto (UV). Principi teorici e aspetti sperimentali associati alla spettroscopia molecolare di assorbimento UV-vis. Legame tra struttura molecolare di composti organici e caratteristiche spettrali. La larghezza di riga, la struttura degli spettri e la lunghezza d’onda delle bande di assorbimento. Principi della spettroscopia di emissione di fluorescenza e di fosforescenza. Principi fondamentali di funzionamento dello spettrofotometro UV-vis e dello spettrofluorimetro. Casi di studio e applicazioni. Spettroscopia nella regione delle radiazioni infrarosse (IR). I principi fondamentali della spettroscopia vibrazionale e rotazionale. Cenni alla spettroscopia Raman. Le transizioni rotazionali e vibrazionali, le regole di selezione. Esempi di spettri rotazionali puri, vibrazionali e roto-vibrazionali. Legame tra posizione e intensità delle bande e caratteristiche strutturali di molecole poliatomiche. Le bande caratteristiche IR dei gruppi funzionali di molecole organiche. Aspetti fondamentali del funzionamento di uno spettrofotometro IR e FT-IR. Casi di studio e applicazioni.
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Evoluzione storica di questa spettroscopia e delle sue principali applicazioni. Esperimenti fondamentali e definizione dei concetti di base. Effetto dei campi magnetici su elettroni e su atomi. Spin nucleare e momento magnetico nucleare. Le transizioni energetiche nucleari. Aspetti fondamentali per l’interpretazione degli spettri NMR: lo spostamento chimico, l’accoppiamento scalare, l’accoppiamento dipolare, l’effetto quadrupolare, il rilassamento di spin. Principi di funzionamento di uno spettrometro NMR e dell’acquisizione dei segnali in Trasformata di Fourier. Esperimenti monodimensionali NMR al 1H e al 13C di composti organici e interpretazione degli spettri. Esperimenti di base per la misura dei tempi di rilassamento 1H e informazioni sui moti molecolari. Applicazione di metodi spettroscopici bidimensionali e multidimensionali per l'analisi delle strutture molecolari di composti complessi e di macromolecole (cenni).
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
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La frequenza alle lezioni ed alle esercitazioni di laboratorio è obbligatoria. La frequenza alle lezioni è un requisito necessario per l'ammissione al laboratorio.
Lesson frequency is mandatory. Students cannot access to the lab if they didn't attend the course lessons.
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).
