Riassunto di Chimica Fisica III e Laboratorio

Syllabus del corso

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Esporta

Obiettivi

Fornire agli studenti una introduzione ai principi chimico fisici della spettroscopia molecolare e descrivere i principi di funzionamento e le parti tecniche dei quali sono composti i principali spettrofotometri.
D1 Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di conoscere:

le relazioni che intercorrono tra la spettroscopia e la meccanica quantistica
i principali modelli quantomeccanici per interpretare gli spettri vibrazionali e rotazionali
-un metodo classico di descrizione del principio di funzionamento della spettroscopia Raman che permette una corretta interpretazione degli spettri Raman
i principi di funzionamento dei vari componenti di uno spettrofotometro (sorgenti, separatori di lunghezze d’onda e rivelatori)
D2 Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Al termine del corso lo studente è in grado di:
analizzare criticamente spettri vibrazionali, rotazionali e Raman
-ricavare da essi informazioni su proprietà chimico fisice delle molecole e non solo informazioni analitiche
interfacciarsi con i principali strumenti di spettroscopia ed utilizzarli in maniera consapevole e corretta
D3 Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente è in grado di:
scegliere il metodo spettroscopico più appropriato per lo studio del sistema di interesse;
-analizzare correttamente e criticamente uno spettro anche in relazione alla modalità di raccolta e alle caratteristiche tecniche dello strumento usato
D4 Abilità comunicative
Saper descrivere in forma scritta ( una relazione tecnica )in modo chiaro e sintetico ed esporre oralmente con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle analisi ed sperimentazioni effettuate.
D5 Capacità di apprendere
Risultati attesi: essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di distinguere tra un uso analitico ed un uso chimico fisico della spettroscopia.

Contenuti sintetici

Descrizione e interpretazione degli spettri rotazionali, vibrazionali e Raman mediante meccanica quantistica attraverso modelli semplici. Raccolta ed analisi di spettri vibrazionali, rotazioni e di emissione e Raman di soluzioni e/o gas durante la parte di esercitazioni in laboratorio didattico

Programma esteso

Spettri molecolari rotazionali. Spettri molecolari vibrazionali. Spettri rotovibrazionali, stati roto-vibrazionali nell’approssimazione di Born-Oppenheimer e determinazione quantitativa di parametri strutturali. Spettroscopia Raman. Spettroscopia elettronica, Probabilità di transizione e regole di selezione. Esecuzione di almeno tre esperienze di spettroscopia e di elaborazione dati sui seguenti argomenti: determinazione di distanze di legame mediante analisi degli spettri rotovibrazionali, misure di assorbimento nell’UV-visibile per la determinazione di transizioni elettroniche, utilizzo della spettroscopia Raman per determinare proprietà vibrazionali di molecole. Aspetti tecnici degli strumenti che verranno utilizzati nella parte di laboratorio. Elementi di Scientific Writing e Data Analysis (utilizzo di software per l'analisi dei dati, per la creazione della bibliografia e impaginazione di testi scientifici tramite latex).

Prerequisiti

Chimica Fisica II (in particolare La teoria della meccanica quantistica: principi e applicazioni , Equazione di Schroedinger). Fisica II (in particolare onde elettromagnetiche e loro interazione)

Modalità didattica

L’insegnamento prevede 4 CFU di lezioni frontali e 2 CFU esercitazioni in laboratorio. Nel laboratorio viene assegnato agli studenti, suddivisi in piccoli gruppi, il compito di raccogliere ed elaborare degli spettri con diversi spettrofotometri utilizzando le metodologie presentate nelle lezioni teoriche. Vengono anche proposte le metodiche per produrre un elaborato chiaro ed accurato, attraverso l'esplorazione di un articolo/ testo scientifico. Ore di esercitazioni vengono dedicate anche alla stesura delle relazioni con il supporto dei docenti. In queste ore viene spiegato l'utilizzo di sofware specifici per l'analisi dei dati, per la creazione della bibliografia e l' impaginazione di testi scientifici tramite latex.

Didattica Erogativa : 14 lezioni in presenza da 2 ore ciascuna Tot. 28 ore
Didattica Partecipativa : 6 attività in laboratorio di 4 ore ciascuna Tot. 24 ore

Materiale didattico

C. N. Banwell “Fundamentals of Molecular spectroscopy" 3ʳᵈ Edition McGraw Hill Book Company disponibile sulla pagina elearning

Dispensa “Guida alle esperienze di spettroscopia” S. Binetti - disponibile sulla pagina elearning

Periodo di erogazione dell'insegnamento

Terzo anno primo semestre

Modalità di verifica del profitto e valutazione

La verifica dell’apprendimento dei risultati previsti dai descrittori D1-D5 viene effettuata mediante un colloquio e mediante la correzione di una relazione scritta sulle esperienze condotte in laboratorio. Per la corretta stesura della relazione sono indicate nella pagina elearning delle linee guida da seguire e un format. La relazione può essere una per gruppo di lavoro o singola e va consegnata una settimana prima della data di appello ai docenti di laboratorio secondo le modalità riportate sulla pagina elearning.
Il colloquio, oltre ad accertare l'acquisizione di conoscenze e competenze disciplinari, tenderà a verificare le capacità di analisi critica, l’autonomia di giudizio e le capacità espositive dello studente o studentessa. La votazione finale del solo colloquio, viene graduata secondo il criterio seguente:
18-20: preparazione su un numero ridotto di argomenti presenti nel programma del corso, con capacità di trattazione e analisi limitate che emergono solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, capacità di elaborazione critica limitata;
21-23: preparazione su una parte degli argomenti presenti nel programma del corso, capacità di analisi autonoma solo su questioni puramente pratiche ed esecutive, uso di un lessico corretto anche se non del tutto accurato e chiaro e di una capacità espositiva a tratti incerta;
24-27: preparazione su un numero ampio di argomenti trattati nel programma del corso, capacità di svolgere in modo autonomo l’argomentazione e l’analisi critica, capacità di applicazione delle conoscenze ai contesti e collegamento dei temi a casi concreti, uso di un lessico corretto e competenza nell’uso del linguaggio disciplinare;
28 – 30: preparazione completa sugli argomenti in programma d’esame, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, capacità di riflessione e di collegamento dei temi a casi concreti e a diversi contesti, capacità di pensiero critico e autonomo, padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata, capacità di argomentazione e riflessione, capacità di collegamenti ad altre discipline;
30L: preparazione completa ed esaustiva sugli argomenti in programma d’esame, capacità personale di trattazione autonoma e di analisi critica dei temi, capacità di riflessione e autoriflessione e di collegamento dei temi a casi concreti e a diversi contesti, ottima capacità di pensiero critico e autonomo, piena padronanza del lessico disciplinare e di una capacità espositiva rigorosa e articolata, capacità di argomentazione, riflessione e di autoriflessione, capacità di collegamenti ad altre discipline.
La relazione scritta valutata anch’essa in trentesimi e graduata secondo il criterio seguente :
8-20: relazione che affronta solo una parte limitata delle esperienze di laboratorio, con una descrizione sommaria e poco dettagliata; presenza di imprecisioni metodologiche e interpretative; esposizione poco chiara, con un linguaggio tecnico non sempre corretto; capacità di analisi e riflessione critica minime o assenti. Grafici e figure o poco pertinenti o scarsamente comprensibili. Assenza o uso inadeguato delle fonti bibliografiche.
21-23: relazione che tratta una parte delle esperienze di laboratorio con una descrizione generalmente corretta ma superficiale; applicazione limitata del metodo scientifico e difficoltà nell'interpretazione dei dati; esposizione comprensibile ma con alcune imprecisioni terminologiche; capacità di analisi autonoma ristretta ad aspetti pratici ed esecutivi. Grafici e figure presenti ma non sempre ben realizzati o poco commentati. Bibliografia limitata, o non sempre pertinente o non correttamente riportata
24-27: relazione che affronta in modo completo le esperienze di laboratorio, con un’esposizione strutturata e corretta; adeguata applicazione del metodo scientifico e interpretazione consapevole dei dati; capacità di collegamento con i concetti teorici trattati nel corso; uso appropriato del linguaggio tecnico e una buona chiarezza espositiva. Grafici e figure ben realizzati e utilizzati in modo efficace per supportare l’analisi. Bibliografia presente a volte bon riportata in modo corretto
28-30: relazione approfondita e ben strutturata, con una trattazione rigorosa delle esperienze di laboratorio e un’interpretazione critica dei dati; capacità di collegare i risultati sperimentali ai concetti teorici e ad altri ambiti disciplinari; uso preciso e articolato del linguaggio scientifico; esposizione chiara, logica e coerente. Grafici e figure accurati, ben etichettati e interpretati in maniera corretta. Bibliografia presente, utilizzata e riportata in modo pertinente.
30L: relazione eccellente, completa ed esaustiva, con una trattazione autonoma e critica delle esperienze di laboratorio; analisi approfondita e riflessione originale sui dati sperimentali, uso ottimo del linguaggio scientifico e un’esposizione chiara, rigorosa e articolata. Grafici e figure di alta qualità, integrati in modo efficace nell’analisi e accompagnati da una discussione approfondita. Bibliografia presente, utilizzata e riportata in modo pertinente.

La votazione complessiva sarà la media pesata sui CFU della parte frontale e della parte di laboratorio della votazione riferita al colloquio orale e la votazione della relazione scritta

E’ presente una prova in itinere facoltativa al termine della lezioni frontali durante la pausa didattica di Novembre. La prova in itinere verte sul programma trattato durante le lezioni frontali ad eccezione degli argomenti che si riferiscono ai principi di funzionamento degli spettrofotometri presenti in laboratorio e dei relativi componenti e alle descrizione e modalità di svolgimento delle esperienze.. Tale prova in itinere è scritta e consta di 4 domande aperte . Per ognuna di queste domande è specificato il massimo peso in trentesimi . La valutazione della risposta ad ogni singola domanda tiene conto della completezza ed esattezza delle risposte, nonché' della chiarezza nella descrizione scritta. Se gli studenti superano la prova in itinere se vogliono possono sostenere il colloquio solo sulla parte di programma non oggetto della prova parziale (e cioè solo sui principi di funzionamento e i componenti degli spettrofotometri strumenti presenti in laboratorio e sulle modalità di svolgimento delle esperienze). E' comunque lasciata facoltà dello studente decidere al momento dell'orale se mantenere la valutazione ottenuta nella prova in itinere o sostenere il colloquio su tutti gli argomenti dell’insegnamento.

A richiesta di studenti Erasmus possono sostenere la prova in itinere, il colloquio e la scrittura della relazione in lingua inglese

Orario di ricevimento

Tutti i giorni su prenotazione tramite e-mail

Sustainable Development Goals

ISTRUZIONE DI QUALITÁ | PARITÁ DI GENERE

Esporta

Aims

Provide students with an introduction to the chemical-physical principles of molecular spectroscopy and describe the operating principles and technical components of the main spectrophotometers.

D1 Knowledge and Understanding
At the end of the course, the student should be able to demonstrate knowledge of:

The relationships between spectroscopy and quantum mechanics.
The main quantum mechanical models to interpret vibrational and rotational spectra.
A classical method to describe the operating principle of Raman spectroscopy that allows for the correct interpretation of Raman spectra.
The operating principles of the various components of a spectrophotometer (sources, wavelength separators, and detectors).

D2 Ability to Apply Knowledge and Understanding
At the end of the course, the student should be able to:
Critically analyze vibrational, rotational, and Raman spectra.
Extract information from them about the chemical-physical properties of molecules, not just analytical information.
Interface with the main spectroscopy instruments and use them in a conscious and correct manner.

D3 Judgement Autonomy
At the end of the course, the student should be able to:
Choose the most appropriate spectroscopic method for studying the system of interest.
Correctly and critically analyze a spectrum, considering the data collection method and the technical characteristics of the instrument used.****

D4 Communication Skills
Be able to describe clearly and concisely in writing (a technical report) and orally, with appropriate language, the objectives, procedure, and results of the analyses and experiments conducted.**

D5 Learning Skills
Expected outcomes: being able to apply the knowledge acquired to contexts different from those presented during the course, and to distinguish between an analytical use and a chemical-physical use of spectroscopy.

Interpretation of Rotational spectra, vibrational spectra and Raman spectra by quantum mechanics concepts. Collection of spectra during the laboratory activities.

Detailed program

Rotational spectra. Vibrational spectra. Roto-vibrational spectra: roto-vibrational states in the Born-Oppenheimer approximation. Quantitative computation of structural parameters. Raman spectra. Electronic molecular spectra. Selection rules and transition probability. Different spectroscopic experiments and data elaborations will be carried out with a particular attention to technical aspects of instruments used. The arguments of the experiments are the following: determination of bond length of molecules by rotovibrational spectrum analysis collected by infrared (IR) spectroscopy; analysis of absorption spectra in UV-VIS region to determine electronic transitions of molecules; use of Raman spectroscopy to study vibrational signatures of molecules.

Prerequisites

Physical Chemistry II (in particular The theory of quantum mechanics: principles and applications, Schroedinger equation). Physics II (in particular electromagnetic waves and their interaction)

Teaching form

The course includes 4 CFU of lectures and 2 CFU exercises in the laboratory. In the laboratory students are assigned, divided into small groups, the task of collecting and processing spectra with different spectrophotometers using the methodologies presented in the theoretical lessons. Methods are also proposed to produce a clear and accurate elaborate in the process. Hours of exercises are also dedicated to writing reports with the support of teachers

14 lessons of two-hour in person, Delivered Didactics
6 laboratory activities of 4 hourin person, Interactive Teaching

Textbook and teaching resource

C. N. Banwell “Fundamentals of Molecular spectroscopy" 3ʳᵈ Edition McGraw Hill Book Company available in the elearning page

Lecture notes “Guida alle esperienze di spettroscopia” S. Binetti- (provided by the professor and available in the elearning page)

Semester

Third year, first (fall) semester

Assessment method

The assessment of learning outcomes related to descriptors D1-D5 is conducted through an oral examination and the evaluation of a written report on the laboratory experiences. Guidelines and a format for drafting the report correctly are provided on the e-learning page. The report can be either group-based or individual and must be submitted one week before the scheduled exam date to the laboratory instructors, following the procedures outlined on the e-learning page.

The oral examination, in addition to verifying the acquisition of disciplinary knowledge and skills, will assess the student's ability for critical analysis, independent judgment, and clarity of presentation. The final grade for the oral exam alone is assigned according to the following criteria:

18-20: Preparation covering only a limited number of topics from the course syllabus, with limited ability to discuss and analyze, emerging only with the help of the instructor’s questions; inconsistent accuracy in exposition and vocabulary, with minimal critical thinking skills.
21-23: Preparation covering some of the course topics, autonomous analytical ability only for purely practical and procedural matters, correct but not entirely precise and clear vocabulary, and somewhat uncertain presentation skills.
24-27: Preparation covering a broad range of topics from the syllabus, ability to conduct independent argumentation and critical analysis, ability to apply knowledge to different contexts and relate topics to real-world cases, correct vocabulary, and proficiency in disciplinary language.
28-30: Complete preparation on the exam topics, independent ability to discuss and critically analyze issues, ability to reflect and connect topics to real-world cases and different contexts, critical and independent thinking, mastery of disciplinary vocabulary, rigorous and well-structured exposition, argumentation, and interdisciplinary connections.
30L: Comprehensive and exhaustive preparation on the exam topics, independent ability to discuss and critically analyze issues, deep reflection and self-reflection, connections between topics and real-world cases, excellent critical and independent thinking, full mastery of disciplinary vocabulary, rigorous and structured exposition, argumentation, and interdisciplinary connections.
The written report is also graded on a scale of thirty and assessed according to the following criteria:

8-20: The report covers only a limited part of the laboratory experiences, with a superficial and poorly detailed description; presence of methodological and interpretative inaccuracies; unclear exposition with inconsistent use of technical language; minimal or absent analytical and critical reflection; graphs and figures either irrelevant or poorly understandable; absence or inadequate use of bibliographic sources.
21-23: The report covers some laboratory experiences with a generally correct but superficial description; limited application of the scientific method and difficulties in data interpretation; comprehensible exposition with some terminological inaccuracies; restricted autonomous analysis to practical and procedural aspects; graphs and figures present but not always well-executed or sufficiently discussed; limited bibliography, not always relevant or correctly cited.
24-27: The report comprehensively addresses laboratory experiences, with a well-structured and correct exposition; adequate application of the scientific method and conscious data interpretation; ability to connect theoretical concepts from the course; appropriate use of technical language and good clarity in exposition; well-executed graphs and figures effectively supporting the analysis; bibliography present, though sometimes not correctly formatted.
28-30: A well-structured and in-depth report, rigorously covering laboratory experiences and critically interpreting data; ability to relate experimental results to theoretical concepts and other disciplines; precise and well-articulated scientific language; clear, logical, and coherent exposition; accurate, well-labeled, and correctly interpreted graphs and figures; bibliography present, relevant, and correctly cited.
30L: An excellent, comprehensive, and exhaustive report, with an autonomous and critical approach to laboratory experiences; in-depth analysis and original reflection on experimental data; outstanding use of scientific language; clear, rigorous, and well-structured exposition; high-quality graphs and figures effectively integrated into the analysis and accompanied by a thorough discussion; bibliography present, relevant, and correctly cited.
The overall grade will be a weighted average of the grades from the oral examination and the written report, based on the credit distribution between the lecture-based and laboratory components.

There is an optional mid-term exam at the end of the lecture period during the November academic break. This exam covers the topics discussed in lectures, except for those related to the principles of operation of the spectrophotometers available in the laboratory, their components, and the description and execution of experiments. The mid-term exam is written and consists of four open-ended questions, each with a specified maximum score out of thirty. The evaluation of each response considers the completeness and accuracy of the answers as well as clarity in written expression.

If students pass the mid-term exam, they may choose to take the oral examination only on the topics not covered in the mid-term (i.e., the principles of operation and components of laboratory spectrophotometers and the execution of experiments). However, students may decide at the time of the oral exam whether to retain their mid-term grade or take the oral examination on the entire course syllabus.

Erasmus students may request to take the mid-term exam, oral examination, and write the report in English.
The assessment of learning outcomes related to descriptors D1-D5 is conducted through an oral examination and the evaluation of a written report on the laboratory experiences. Guidelines and a format for drafting the report correctly are provided on the e-learning page. The report can be either group-based or individual and must be submitted one week before the scheduled exam date to the laboratory instructors, following the procedures outlined on the e-learning page.