Oggetto:
Oggetto:

CHIMICA FISICA II - Corso A (cognomi A-K)

Oggetto:

PHYSICAL CHEMISTRY II

Oggetto:

Anno accademico 2024/2025

Codice attività didattica
MFN1167
Docenti
Lorenzo Maschio (Titolare)
Lorenzo Mino (Titolare)
Corso di studio
Chimica e Tecnologie Chimiche
Anno
2° anno
Periodo
Primo periodo
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
8
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Matematiche (in particolare algebra lineare ed analisi), fisica (meccanica ed elettromagnetismo)
Mathematics (in particularl linear algebra and analysis), physics (mechanics and electromagnetism).
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Fornire gli strumenti formali e concettuali per la comprensione della complessità chimica attraverso l'apertura verso l'approccio quantomeccanico alla chimica

Provide formal and conceptual tools for understanding the chemical complexity by introducing a quantum-mechanical approach to chemistry.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Gli studenti dovranno acquisire le seguenti capacità (dettaglio secondo i descrittori di Dublino):

 

A: CONOSCENZA E CAPACITA’ DI COMPRENSIONE

  • conoscenza dei principi della meccanica quantistica per la descrizione delle proprietà elettroniche di atomi e molecole;
  • conoscenza delle spettroscopie vibrazionali ed elettroniche e dei relativi principi teorici

B: CAPACITA’ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE

  • capacità di risolvere esercizi inerenti la struttura elettronica e le proprietà vibrazionali di atomi e molecole
  • capacità di interpretare i dati derivanti da osservazioni sperimentali in un quadro teorico appropriato

C: AUTONOMIA DI GIUDIZIO

  • Valutare criticamente i risultati di calcoli ed esperimenti e determinare l'accettabilità degli stessi in base alle conoscenze chimico-fisiche acquisite

D: ABILITA' COMUNICATIVE

  • padronanza nell’impiego del lessico specialistico della chimica-fisica e capacità di esporre con efficacia e linearità i concetti chiave dell'insegnamento

 

Students must acquire the competences listed below, detailed following the Dublin descriptors:

 

A: KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

  • knowledge of the principles of quantum mechanics for the description of the electronic properties of atoms and molecules

  • knowledge of vibrational and electronic spectroscopy and related theoretical principles

B: APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

  • ability to solve exercises concerning the electronic structure and vibrational properties of atoms and molecules

  • ability to interpret data deriving from experimental observations in an appropriate theoretical framework

C: MAKING JUDGEMENT

  • Critically evaluate the results of calculations and experiments and determine their acceptability based on the acquired physico-chemical knowledge

D: COMMUNICATION SKILLS

  • mastery in the use of the specialized lexicon of physical chemistry and ability to effectively and linearly explain the key concepts of teaching

Oggetto:

Programma

  • Richiami di matematica e di algebra lineare.
  • Teoria dei Gruppi. Elementi e operazioni di simmetria, ordine di un gruppo. Classi. Tavola di moltiplicazione. Basi e rappresentazioni. Tavole dei caratteri e loro interpretazione vettoriale. Rappresentazioni Riducibili (RR) e loro scomposizione. Simmetria dei moti di traslazione, rotazione e vibrazione delle molecole. Attività vibrazionale IR e Raman.
  • Introduzione alla meccanica quantistica (MQ). L’inadeguatezza della meccanica classica a scala atomica: corpo nero; effetto fotoelettrico; diffrazione di elettroni e dualismo onde/particelle; spettri atomici di emissione. Lo spettro dell’atomo di idrogeno. Il principio di indeterminazione di Heisenberg.
  • L’equazione d’onda quantistica e l’equazione di Schröedinger (EdS). L’EdS come problema agli autovalori. Postulati della meccanica quantistica e loro significato. Funzione d’onda e probabilità. Requisiti della funzione d’onda.
  • La MQ applicata a sistemi semplici: (a) particella nella scatola (mono- e tri-dimensionale); (b) l'oscillatore armonico (e le vibrazioni delle molecole); (c) ilrotatore rigido.
  • I metodi approssimati e la teoria delle perturbazioni. Esempi per oscillatore anarmonico e gli atomi di H e di He. Il metodo variazionale (lineare e non): nessi con l’algebra lineare e con l’uso del calcolatore. Il metodo LCAO e la molecola di H2.
  • Struttura atomica. L’atomo di idrogeno (trattazione breve): EdS; separazione delle variabili; soluzione esplicita della parte in φ. Autovalori e autovettori, degenerazione e rappresentazione grafica. Nodi e superfici nodali. Orbitali atomici (AO). Momento angolare e nesso con il rotatore rigido. Significato dei numeri quantici l e m. Lo Spin. Schema dei livelli e spettroscopia dell’atomo di H. La rappresentazione delle funzioni d’onda. Atomi polielettronici: aufbau e costruzione del sistema periodico. Configurazioni, stati e simboli di termine. Il principio di antisimmetria e il determinante di Slater.
  • La molecola H2+. Impostazione dell’EdS e approssimazione di Born-Oppenheimer. Il metodo LCAO e gli orbitali molecolari dell'H2+.
  • Semplici molecole biatomiche omo- (H2, Li2, B2, C2, N2, O2, F2) ed etero-nucleari. Ibridazione: metano, etilene ed acetilene. Il metodo di Hückel. Sistemi coniugati e delocalizzazione elettronica. Molecole aromatiche: il benzene.
  • L’interazione materia-radiazione. Cenni sulla teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Spettroscopie di interazione campo-dipolo e magnetiche. Probabilità di assorbimento ed emissione e coefficienti di Einstein. Cenni sui LASER. Lo studio sperimentale dell’interazione materia-radiazione. Lo spettro elettromagnetico e le principali tecniche spettroscopiche.
  • Spettri rotazionali di molecole biatomiche. Numero, disposizione ed intensità delle bande. Effetto della temperatura (distribuzione di Boltzmann).
  • Spettri vibrazionali: approfondimenti sulla base dei modelli sviluppati nella prima parte. Introduzione alla spettroscopia Raman.
  • Spettri elettronici. Principio di Franck-Condon e struttura vibronica. Cromofori. Fluorescenza e fosforescenza.

The course provides an introduction to the atomic and molecular quantum theories. It covers the fundamentals of quantum mechanics with its postulates and theorems. We illustrate the reference models (the free particle, the molecule that rotates or vibrates, the hydrogen atom) and techniques (variational method and perturbation theory, group theory). The electronic structure of the molecules (with references to the atomic states and the condensed state) and the information that can be drawn from the rotational and vibrational spectroscopy are the primary focus of the course. The full program is as follows:

  • Notes on mathematics and linear algebra.
  • Group Theory. Symmetry elements and operations, order of a group. Classes. Multiplication table. Bases and representations. Character tables and their vector interpretation. Reducible Representations (RR) and their decomposition. Symmetry of the translation, rotation and vibration motions of molecules. IR and Raman vibrational activity.
  • Introduction to quantum mechanics (QM). The inadequacy of classical mechanics at the atomic scale: black body; photoelectric effect; electron diffraction and wave/particle dualism; atomic emission spectra. The spectrum of the hydrogen atom. Heisenberg's uncertainty principle.
  • The quantum wave equation and the Schröedinger equation (EdS). EdS as an eigenvalue problem. Postulates of quantum mechanics and their meaning. Wavefunction and probability. Wavefunction requirements.
  • QM applied to simple systems: (a) particle in the box (one- and three-dimensional); (b) the harmonic oscillator (and the vibrations of the molecules); (c) the rigid rotator.
  • Approximate methods and perturbation theory. Examples for anharmonic oscillator and H and He atoms. The variational method (linear and non-linear): connections with linear algebra and the use of the calculator. The LCAO method and the H2 molecule.
  • Atomic structure. The hydrogen atom (short discussion): EdS; separation of variables; explicit solution of the part in φ. Eigenvalues ​​and eigenvectors, degeneracy and graphical representation. Nodes and nodal surfaces. Atomic orbitals (AO). Angular momentum and connection with the rigid rotator. Meaning of the quantum numbers l and m. The Spin. Level scheme and spectroscopy of the H atom. Representation of wave functions. Polyelectronic atoms: aufbau and construction of the periodic system. Configurations, states and termination symbols. The antisymmetry principle and the Slater determinant.
  • The H2+ molecule. Setting the EdS and Born-Oppenheimer approximation. The LCAO method and the molecular orbitals of H2+.
  • Simple diatomic homo- (H2, Li2, B2, C2, N2, O2, F2) and hetero-nuclear ( molecules. Hybridization: methane, ethylene and acetylene. Hückel's method. Conjugated systems and electronic delocalization. Aromatic molecules: benzene.
  • The matter-radiation interaction. Notes on the theory of time-dependent perturbations. Absorption and emission probabilities and Einstein coefficients. Notes on LASERS. The experimental study of matter-radiation interaction. The electromagnetic spectrum and the main spectroscopic techniques.
  • Rotational spectra of diatomic molecules. Number, arrangement and intensity of the bands. Effect of T (Boltzman distribution).
  • Vibrational spectra: insights based on the models developed in the first part. Introduction to Raman spectroscopy.
  • Electronic spectra. Franck-Condon principle and vibronic structure. Chromophores. Fluorescence and phosphorescence 

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Lezioni frontali in presenza con proiezione di slide di supporto.

 

Face-to-face lectures in presence with the addition of support slides.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova d’esame intende verificare le conoscenze di base acquisite dallo studente sui principi e sui metodi della meccanica quantistica e le capacità (incluse quelle di ragionamento critico) nell’applicarle alla descrizione della struttura (configurazione elettronica, legami, geometria, ecc.) e delle proprietà chimico-fisiche (stabilità, proprietà elettriche, proprietà chimiche, spettroscopia, ecc.) di atomi e molecole.

L'esame consiste di una prova scritta ed una prova orale. La prova scritta è informatizzata a risposta multipla, della durata di 60 minuti. Ad ogni domanda e/o esercizio viene attribuito un punteggio parziale che tiene conto della sua specifica difficoltà, sia in termini di conoscenze richieste che di tempo necessario per la risposta. In caso di risposta errata verrà applicata una penalità. Il voto del test è dato dalla somma dei punteggi parziali, fino ad un massimo di 30/30, e peserà per il 30% nella definizione del voto finale. Gli/le studenti/esse che riporteranno un punteggio ≥ 18 potranno accedere alla prova orale, che verrà svolta o il giorno stesso della prova scritta, o nei giorni successivi, a seconda del numero di studenti che avranno superato la prova scritta.

La prova orale è finalizzata alla verifica dell'apprendimento di quanto spiegato a lezione e peserà per il 70% nel voto finale.  Verrà valutata la capacità di organizzare la conoscenza sia discorsivamente che tramite l'impiego di formule, diagrammi e schemi, nonché la capacità di svolgere semplici esercizi. La valutazione terrà conto della capacità di ragionamento critico sugli argomenti studiati e dell'uso di un lessico appropriato.

Ogni studente potrà presentarsi al massimo a 3 appelli per ogni Anno Accademico.

 

The exam test aims at verifying the basic knowledge acquired by the student on the principles and methods of quantum mechanics and the capabilities (including critical reasoning) in applying it to the description of the structure (electronic configuration, bonds, geometry, etc.) and of the chemical-physical properties (stability, electrical properties, chemical properties, spectroscopy, etc.) of atoms and molecules.

The exam consists of a written test and an oral exam. The written test is computerized and multiple-choice, with a duration of 60 minutes. Each question and/or exercise is assigned a partial score that reflects its specific difficulty, both in terms of the knowledge required and the time needed to answer. A penalty will be applied for incorrect answers. The test score is the sum of the partial scores, up to a maximum of 30/30, and will account for 30% of the final grade. Students who achieve a score of ≥18 will be admitted to the oral exam, which will take place either on the same day as the written test or in the following days, depending on the number of students who passed the written part.

The oral test is aimed at verifying students’ understanding of the material covered in lectures and will account for 70% of the final grade. It will assess the ability to organize knowledge both discursively and through the use of formulas, diagrams, and schematics, as well as the ability to solve simple exercises. The evaluation will consider critical reasoning on the topics studied and the use of appropriate technical vocabulary.

Each student may attend a maximum of 3 exam sessions per academic year.

.

Oggetto:

Attività di supporto

Saranno organizzate specifiche attività di tutorato aggiuntive alle lezioni calendarizzate. Si consulti la pagina Moodle dell'insegnamento per maggiori dettagli.

Specific tutoring activities will be organized in addition to the scheduled lessons. Please refer to the course's Moodle page for further details.

Testi consigliati e bibliografia



Oggetto:
Libro
Titolo:  
"Chimica Fisica", sesta edizione
Anno pubblicazione:  
2020
Editore:  
Zanichelli
Autore:  
Peter Atkins, Julio de Paula, James Keeler
ISBN  
Obbligatorio:  
No
Oggetto:

Materiali didattici di riferimento:

- Peter Atkins, Julio de Paula, James Keeler, "Chimica Fisica", sesta edizione, 2020, Zanichelli, ISBN: 9788808620521

- Slides presentate a lezione.

 

Testi consigliati per approfondimenti:

- G. K. Vemulapalli, "Chimica fisica", 1995, Edises, ISBN: 8879590529.

- D. A. McQuarrie. J. D. Simon, "Chimica fisica: un approccio molecolare", 2000, Zanichelli, ISBN: 9788808176400. (N.B. questo testo non è più in catalogo ma risulta disponible presso la biblioteca di Chimica).

 


Textbooks:

- Peter Atkins, Julio de Paula, James Keeler, "Physical Chemistry", 11th edition, 2017, Oxford University Press, ISBN: 9788808620521

- Slides presented in class.

 

Further reading:

- G. K. Vemulapalli, "Physical Chemistry", 1993, ‎Prentice Hall, ISBN: 9780136731207.


- D. A. McQuarrie, J. D. Simon, "Physical Chemistry: A molecular approach", 1997, University Science Books, ISBN: 978-0198769866



Oggetto:

Note

Frequenza non obbligatoria, ma fortemente raccomandata.

Gli/le studenti/esse con DSA o disabilità sono pregati di prendere visione delle modalità di supporto (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disabilita) e di accoglienza (https://www.unito.it/accoglienza-studenti-con-disabilita-e-dsa) di Ateneo ed in particolare delle procedure necessarie per il supporto in sede d’esame (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disturbi-specifici-di-apprendimento-dsa/supporto).

 

Attendance: not required, but strongly recommended.

Students with specific learning disabilities (SLD) or disabilities are requested to review the support (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disabilita) and reception (https://www.unito.it/accoglienza-studenti-con-disabilita-e-dsa) procedures of the University, and in particular the procedures necessary for support during exams (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disturbi-specifici-di-apprendimento-dsa/supporto)."

Registrazione
  • Chiusa
    Apertura registrazione
    01/03/2020 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/12/2022 alle ore 23:55
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 30/06/2025 17:17
    Location: https://chimicaetecnologie.campusnet.unito.it/robots.html
    Non cliccare qui!