Syllabus del corso
Obiettivi
Lo scopo del corso è di introdurre lo studente alla spettroscopia vibrazionale, elettronica e magnetica facendo uso estensivo della teoria dei gruppi e della meccanica quantistica come strumenti essenziali per la pratica moderna della spettroscopia sui complessi di metalli di transizione.
- Conoscenze e capacità di comprensione
Lo studente deve dimostrare di possedere le conoscenze e gli strumenti metodologici necessari per interpretare i fenomeni alla base della interazione della radiazione elettromagnetica con la materia. Lo studente deve essere in grado di individuare autonomamente quali sono i fattori che determinano la probabilità di osservare assorbimento della luce da parte del sistema molecolare investigato. Lo studente deve essere in grado di definire le regole di selezione per le diverse spettroscopie. Lo studente deve familiarizzare con i termini propri della disciplina, e spiegare a persone esperte le nozioni sulle interazione luce/materia, la loro relazione con le spettroscopie e la loro applicazione a sistemi semplici nella chimica di coordinazione. - Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Lo studente deve dimostrare di essere in grado di risolvere svolgere calcoli di chimica quantistica molecolare con il codice Gaussian per ottenere le frequenze di vibrazione, le energie degli orbitali molecolari, le energie di eccitazione e i parametri di spettroscopia di risonanza elettronica per sistemi semplici di composti di coordinazione. - Autonomia di giudizio
Lo studente ha la capacità di raccogliere e interpretare i dati ritenuti utili a determinare la risposta ad un problema quantitativo o qualitativo dato, relativo a proprietà spettroscopiche di un sistema molecolare. Lo studente ha la capacità di integrare le conoscenze e gestire la complessità, nonché di formulare conclusioni sulla base delle parziali informazioni raccolte. - Abilità comunicative
Lo studente, grazie alla stesura di una relazione scritta delle esperienze di laboratorio di chimica quantistica, sa comunicare in modo chiaro e privo di ambiguità informazioni, idee, problemi e soluzioni relativi alle proprietà spettroscopiche di sistemi molecolari a interlocutori specialisti e non specialisti. - Capacità di apprendimento
Lo studente sviluppa quelle capacità di apprendimento che sono necessarie per intraprendere studi successivi e attività di ricerca per lo più in modo auto-diretto o autonomo.
Contenuti sintetici
Parte I: Teoria dei gruppi e teoria degli orbitali molecolari. Parte II: Introduzione alla spettroscopia. Spettroscopia vibrazionale. Esercitazione I (Analisi dello spettro vibrazionale di Mn(CO)₅Br). Parte III: Metodi di calcolo quantomeccanici (Teoria del funzionale della densità). Parte IV: Spettroscopia UV-visibile. Esercitazione II (Analisi dello spettro UV-vis di [Ti(H₂O)₆]³⁺). Parte V: Spettroscopia EPR. Esercitazione III (Analisi dello spettro EPR di [Ti(H₂O)₆]³⁺).
Programma esteso
Parte I: Teoria dei gruppi. Gruppi puntuali. Simmetria. Tabelle dei caratteri. Rappresentazioni riducibili e irriducibili. Formula di decomposizione. Teoria degli orbitali molecolari. LCAO. Teoria delle perturbazioni. Operatori di proiezione. Parte II: Introduzione alla spettroscopia. Spettroscopia vibrazionale. Momento di dipolo di transizione. Regole di selezione di simmetria. Modi normali di vibrazione. Esercitazione I (Analisi dello spettro vibrazionale di Mn(CO)₅Br). Parte III: Metodi di calcolo quantomeccanici. Funzioni di base. Ripasso della teoria Hartree-Fock. Fondamenti della teoria del funzionale della densità (DFT). Formalismo di Kohn-Sham. Tipi di funzionali di scambio e correlazione. Parte IV: Spettroscopia UV-visibile. Transizioni elettroniche. Principio di Franck-Condon. Forza del dipolo di transizione. Regole di selezione di spin e di simmetria. Forza dell’oscillatore. Simboli di termine. Campo cristallino. Effetto Jahn-Teller. Transizioni d-d. Accoppiamento vibronico. Diagrammi di Orgel e di Tanabe Sugano. Serie spettrochimica. Calcolo delle energie di eccitazione con Time-Dependent DFT (TD-DFT). Esercitazione II (Analisi dello spettro UV-vis di [Ti(H₂O)₆]³⁺). Parte V: Spettroscopia EPR. Magnetismo. Effetto Zeeman. Interazione iperfine. Accoppiamento spin-orbita. Tensore g. Tensore iperfine A. Isotropia e anisotropia. Esercitazione III (Analisi dello spettro EPR di [Ti(H₂O)₆]³⁺).
Prerequisiti
Conoscenze di meccanica quantistica.
Modalità didattica
16 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
6 attività di laboratorio da 4 ore in presenza, Didattica Interattiva
Materiale didattico
Materiale didattico in forma di slide e appunti fornito dal docente.
Testi: Symmetry and spectroscopy by D. C. Harris and M. D. Bertolucci (Dover).
Physical methods in chemistry by R. S. Drago (Saunders).
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Vengono valutate le relazioni sulla parte di laboratorio computazionale che andranno consegnate almeno una settimana prima rispetto alla data dell'appello d'esame.
La prova orale consiste in una prima parte di discussione sulle relazioni. Successivamente vengono poste alcune domande sia di natura generale che più di dettagli sugli argomenti svolti in aula durante le lezioni frontali sia sui contenuti delle esercitazioni svolte in laboratorio.
La valutazione positivi (18-30L) viene stabilita secondo i seguenti criteri:
18-19: preparazione su un numero ridotto di argomenti presenti nel programma del corso, con capacità di trattazione e analisi limitate che, nel caso della prova orale, emergono solo a seguito dell’aiuto e delle domande del docente; competenza espositiva e lessico non sempre corretti, con una capacità di elaborazione critica limitata;
20-23: 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 – 30/30L: 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.
Orario di ricevimento
Il docente riceve previo appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
The course aims at introducing the student to vibrational, electronic and magnetic spectroscopy making extensive use of group theory and quantum mechanics as essential tools to the modern practice of spectroscopy for transition metal complexes.
- Knowledge and understanding
The student must demonstrate the knowledge and methodological tools necessary to interpret the phenomena underlying the interaction of electromagnetic radiation with matter. The student must be able to identify independently which factors determine the likelihood of light absorption by the investigated molecular system. The student must be able to define the selection rules for the different spectroscopes. The student must become familiar with the terms of the discipline, and explain to experienced people the notions about light/matter interactions, their relationship with spectroscopy and their application to simple systems in coordination chemistry. - Applied knowledge and comprehension skills
The student must demonstrate that he is able to solve molecular quantum chemistry calculations with the Gaussian code to obtain the vibration frequencies, the energies of the molecular orbitals, the excitation energies and electron resonance spectroscopy parameters for simple coordination compound systems. - Autonomy of judgment
The student has the ability to collect and interpret data deemed useful in determining the answer to a given quantitative or qualitative problem, related to spectroscopic properties of a molecular system. The student has the ability to integrate knowledge and manage complexity, as well as formulate conclusions based on partial information collected. - Communication skills
The student, thanks to the writing of a report of the lab experiments in quantum chemistry, can communicate information clearly and unambiguously, ideas, problems and solutions relating to the spectroscopic properties of molecular systems to specialist and non-specialist interlocutors. - Ability to learn
The student develops those learning skills that are necessary to undertake further study and research activities mostly in a self-directed or autonomous way.
Contents
Part I: Group theory and molecular orbitals theory. Part II: Introduction to spettroscopy. Vibrational spectroscopy. Practical exercise I (Analysis of the vibrational spectrum of Mn(CO)5Br). Part III: Quantum mechanical methods (Density Functional Theory). Part IV: UV-vis spectroscopy. Practical exercise II (Analysis of the UV-vis spectrum of [Ti(H2O)6]3+). Part V: EPR spectroscopy. Practical exercise III (Analysis of the EPR spectrum of [Ti(H2O)6]3+).
Detailed program
Parte I: Group theory. Point groups. Symmetry. Character tables. Reducible and irreducible representations. Decomposition formula. Molecular orbitals theory. LCAO. Perturbation theory. Projection operators. Part II: Introduction to spettroscopy. Vibrational spectroscopy. Transition dipole moment. Symmetry selection rules. Normal modes of vibration. Practical exercise I (Analysis of the vibrational spectrum of Mn(CO)5Br). Part III: Quantum mechanical methods. Basis sets. Review of Hartree-Fock theory. Fundaments of density functional theory. Kohn-Sham formalism. Types of exchange and correlation functionals. Part IV: UV-vis spectroscopy. Electronic transitions. Franck-Condon principle. Strength of the transition dipole moment. Spin and symmetry selection rules. Oscillator strength. Term symbols. Crystal field. Jahn-Teller effect. d-d transitions. Vibronic coupling. Orgel and Tanabe-Sugano diagrams. Spectrochemical Series. Excitation energy calculation with time-dependent DFT (TD-DFT). Practical exercise II (Analysis of the UV-vis spectrum of [Ti(H2O)6]3+). Part V: EPR spectroscopy. Magnetism. Zeeman effect. Hyperfine interaction. Spin-orbit coupling. g tensor. A hyperfine tensor. Isotropy and anisotropy. Practical exercise III (Analysis of the EPR spectrum of [Ti(H2O)6]3+).
Prerequisites
Knowledge of quantum mechanics.
Teaching form
16 teo-hour lectures in person, Delivered didactics
6 four-hour lab activities in person, Interactive Teaching
Textbook and teaching resource
Teaching resources in terms of slides and notes.
Textbooks: Symmetry and spectroscopy by D. C. Harris and M. D. Bertolucci (Dover).
Physical methods in chemistry by R. S. Drago (Saunders).
Semester
Second semester.
Assessment method
The reports on the computational laboratory part, which are expected to be delivered at least one week before the date of the exam session, are evaluated.
The oral exam consists of a first part of discussion on the report. Then some questions are asked both of a general nature and more in detail on the topics covered during the lectures and on the contents of the exercises carried out in the laboratory.
The positive evaluation (18-30L) is established according to the following criteria:
18-19: preparation on a small number of topics in the course program, with limited discussion and analysis skills that, in the case of the oral exam, emerge only following the teacher's help and questions; expository skills and vocabulary that are not always correct, with limited critical processing skills;
20-23: preparation on a part of the topics in the course program, independent analysis skills only on purely practical and executive issues, use of correct vocabulary even if not entirely accurate and clear and an expository skill that is at times uncertain;
24-27: preparation on a large number of topics in the course program, ability to independently carry out argumentation and critical analysis, ability to apply knowledge to contexts and connect themes to concrete cases, use of correct vocabulary and competence in the use of disciplinary language;
28 – 30/30L: complete and exhaustive preparation on the topics in the exam program, personal ability to deal independently and critically analyze the topics, ability to reflect and self-reflect and to connect the topics to concrete cases and different contexts, excellent ability to think critically and autonomously, full mastery of the disciplinary vocabulary and a rigorous and articulated ability to present, ability to argue, reflect and self-reflect, ability to make connections to other disciplines.
Office hours
The professor receives appointment.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Cristiana Di Valentin
-
Daniele Perilli
