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Oggetto:
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Chimica Fisica II

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Physical Chemistry II

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Anno accademico 2022/2023

Codice attività didattica
MFN1262
Docenti
Prof. Gabriele Ricchiardi (Titolare del corso)
Prof. Anna Maria Ferrari (Titolare del corso)
Corso di studio
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Anno
2° anno
Periodo
Secondo semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
7
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto
Prerequisiti

E' indispensabile aver studiato i corsi precedenti di matematica e fisica.Il corso è una naturale applicazione dei concetti e delle tecniche descritti nel corso "Meccanica Quantistica e Metodi Matematici" alla descrizione del legame chimico nelle molecole.

The student should be familiar with the content of the 1st year mathematics and physics courses. It is a natural continuation of the course "Quantum Mechanichs and Mathematical Methods"
Propedeutico a
Chimica Fisisca dei Materiali, Tecniche di Spettroscopia e Microscopia, Materiali Per l'Elettronica (propedeuticità concettuali, non imposte dal corso di studi).
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Il corso offre un’introduzione alle teorie del legame chimico. A partire dai fondamenti della meccanica quantistica acquisite nei corsi precedenti, introduce la sua applicazione alla descrizione del moto degli elettroni e dei nuclei nelle molecole. Viene illustrata la risoluzione di alcuni problemi elementari (particelle in potenziali semplici), seguita dalla discussione della struttura degli atomi polielettronici. Viene quindi introdotta la teoria LCAO per descrivere la la struttura elettronica delle molecole, con esempi di applicazione a molecole semplici.  L’obiettivo più generale del corso è quello di fornire una comprensione qualitativa e quantitativa dei principali fenomeni atomici e molecolari di rilevanza per la scienza dei materiali, e di illustrare i principi di funzionamento generali delle tecniche di simulazione molecolari.

The course provides an introduction to the quantum mechanical theory of the chemical bond in molecules. Moving Moving from the foundations of quantum mechanics treated in previous courses, the formalism of quantum mechanics is applied to the description of atoms and molecules. The solution  of classical elementary problems is illustrated in detail (particles in simple potentials), followed by the discussion of atomic electronic structure. The LCAO theory is then introduced, with examples of applications to several simple molecules. Altogether, the general objective of the course is to provide the theoretical basis for a qualitative and quantitative understanding of the atomic and molecular phenomena related to materials science, and to illustrate the working principles of molecular simulation techniques.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Comprensione dei fondamenti quantomeccanici della fenomenologia della chimica generale (proprietà periodiche degli elementi, teorie del legame chimico).

Comprensione dei principi fondanti classici e quantistici della simulazione molecolare.

Capacità di utilizzare modelli quantomeccanici basati su potenziali semplici per la risoluzione di problemi chimici

Capacità di utilizzo autonomo di programmi di modellazione molecolare semplici per il calcolo di strutture ed energie molecolari, di energie di reazione e di frequenze vibrazionali.

Capacità di utilizzare il linguaggio tecnico di base della meccanica quantistica molecolare e della modellazione molecolare. 

 

Understanding of the quantum-mechanical foundations of general chemistry (periodic properties of the elements, theories of the chemical bond).

Understanding of the classical and quantum mechanical foundations of molecular simulations.

Ability to use QM models based on simple potentials for the calculation of chemical properties

Ability to use autonomously  a simple molecular modelling software for the calculation of molecular structures and energies, reaction energies and vibrational properties

Ability to use the technical language of molecular quantum mechanics and molecular simulation at a basic level. 

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Programma

- particelle in potenziali semplici: particella in buca di potenziale infinita monodimensionale e tridimensionale. Applicazioni chimiche del modello (elettroni delocalizzati in molecole organiche, centri F)

- applicazioni molecolari del modello dell' oscillatore armonico quantistico. Cenni sull'anarmonicità.

- rotatore libero quantistico monodimensionale e tridimensionale e sua applicazione alle rotazioni molecolari

- riepilogo della descrizione quantistica dell'atomo di idrogeno, con particolare attenzione alle diverse modalità di rappresentazione degli orbitali atomici

- atomi idrogenoidi

- atomi polielettronici. Carica nucleare efficace. Metodi SCF

- teorema variazionale e metodi variazionali

- metodi perturbativi 

- la molecola-ione H2+ e i fondamenti della teoria LCAO

- teoria LCAO per molecole biatomiche omonucleari ed eteronucleari

- chimica computazionale (con esercitazione): calcolo di energie molecolari, ottimizzazione di strutture, calcolo di energie di reazione, rappresentazione e comprensione di orbitali molecolari

- particles in simple potentials (particle in a 1-D and 3-D box, potential barriers and steps. Chemical applications (delocalized electrons, color F centres)

- molecular applications of the QM harmonic oscillator model. Introduction to anharmonic oscillators.

- 1-D and 3-D quantum rotor model and its application to the description of molecular  rotation

- recap of the solutions of Schroedinger equation for the Hydrogen atom, with a focus on the different types of representation of electron density and wavefunctions.

- hydrogenoid atoms

- many-electron atoms. Effective nuclear charge. Self cnsistent field method.

- variational theorem and variational methods

- time independent perturbation theory

- The H2+ ion-molecule and the foundations of the LCAO model

-  LCAO theory of homo- and etero-nuclear biatomic molecules

- computational chemistry (with laboratory): calculation of molecular energies, optimization of structures, calculation of reaction energies, representation and discussion of molecular orbitals.

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Modalità di insegnamento

Tipologia Insegnamento

Lezioni frontali  48 ore , esercitazioni in aula informatica 12 ore.

Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

 

Lessons, 48 hours, laboratory, 12 hours. 

Compulsory attendance of 70% of lectures in computer room. 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame scritto con 9-12 domande brevi a risposta aperta e 3 problemi numerici.  Ad ogni risposta  viene attribuito un punteggio da 1 a 4 trentesimi. Esempi di domande sono disponibile nel materiale didattico.

La consegna della relazione di laboratorio non contribuisce alla valutazione ma è un requisito per la registrazione dell'esito finale.

 Written test, with approximately 9-12 short questions and 3 problems. Each answer provides 1 to 4 points on a 30 scale. Some examples are available in the "Materiale Didattico" section.

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Attività di supporto

Esercizi in aula, esercitazioni in aula informatica. I docenti sono a disposizione per sessioni aggiuntive di consulenza per la preparazione dell'esame.

Excercises, computer excercises.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Il materiale didattico principale è costituito dalle Dispense fornite dai docenti (v. sotto). Fare riferimento a queste per la preparazione, ed eventualmente chiedere ai docenti, o consultare i libri di testo consigliati se non sono chiare. La raccolta e condivisione di appunti tra gli studenti è fortemente incoraggiata, ma questi non possono sostituire interamente le dispense.

Per quanto riguarda le lezioni sulla Simmetria Molecolare, si fa riferimento al Cap.11 del testo (Disponibile sia presso la Biblioteca Ponzio che quella di via Quarello):

P.W.Atkins, J.de Paula
Chimica fisica. (5a ed. italiana/ 9a ed. inglese)
Zanichell, 2012

Un testo di riferimento molto approfondito su tutti gli argomenti del corso è:

P.W. Atkins, R.S. Friedman
Meccanica Quantistica Molecolare
Zanichelli, 1983

IMPORTANTE

E' in circolazione materiale didattico "non ufficiale" realizzato dagli studenti negli anni passati. Se ne sconsiglia fortemente l'uso. In particolare:

- Circola online una compilazione di risposte alle domande d'esame pubblicate dai docenti. E' infarcita di errori e utilizza un linguaggio inadeguato. 

- Si sconsiglia di utilizzare trascrizioni letterali (sbobinamenti) dei video, per i seguenti motivi:

  • Contengono errori, digressioni e  discussioni legati alle lezioni partecipate in cui sono stati raccolti i video. Per questo sono inutilmente prolisse.
  • Il linguaggio scientifico del parlato colloquiale è necessariamente diverso da quello richiesto in uno scritto


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Orario lezioniV

Lezioni: dal 02/03/2021 al 11/06/2021

Nota: Per l'orario dettagliato consultare la pagina "Orario Lezioni"

Registrazione
  • Aperta
    Apertura registrazione
    20/09/2022 alle ore 00:00
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 20/09/2022 17:32
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