CHIMICA TEORICA

CHIMICA TEORICA

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iten
Codice
39622
ANNO ACCADEMICO
2021/2022
CFU
4 cfu al 1° anno di 9018 SCIENZE CHIMICHE (LM-54) GENOVA
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE
CHIM/02
LINGUA
Italiano
SEDE
GENOVA (SCIENZE CHIMICHE )
periodo
2° Semestre
materiale didattico

PRESENTAZIONE

La chimica teorica è una materia peculiare. Si basa su un'equazione che difficilmente può essere risolta.   -Patrick William Fowler-

L'insegnamento si prefigge di essere  un approfondimento delle conoscenze della chimica fisica, con particolare riferimento ai fondamenti teorici nella descrizione delle proprietà atomico/molecolari.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L’insegnamento di Chimica Teorica ha lo scopo di impartire al discente i concetti e le tecniche fondamentali della meccanica quantistica per la loro applicazione alle problematiche chimiche (struttura elettronica degli atomi, delle molecole o dello stato solido). Saranno discussi i metodi standard di risoluzione approssimata del problema polielettronico, a partire dal modello di Hartree-Fock per arrivare a fornire cenni relativi a metodologie moderne più sofisticate (per esempio la teoria del funzionale della densità) e dei corrispondenti software di calcolo quantochimico. Lo studente avrà modo di acquisire conoscenza e familiarità dei metodi quantomeccanici trattati nel nella loro corretta e rigorosa descrizione matematica e fisica, attraverso esempi/esercitazioni.

 

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L'insegnamento di chimica teorica si prefigge di fornire allo studente gli strumenti metodologici e il linguaggio necessari per affrontare tematiche quantomeccaniche in ambito chimico di livello medio-avanzato, in modo tale da essere in grado di discutere in modo critico concetti e tecniche della meccanica quantistica. Saper applicare tali conoscenze ai problemi chimici, relativi alla struttura elettronica dei sistemi studiati.

Lo studente, alla fine del percorso didattico proposto, avrà acquisito:

- la conoscenza e la comprensione degli aspetti principali della meccanica quantistica, in ambito chimico, e il corretto formalismo fisico-matematico per impostare e (ove possibile) risolvere i corrispettivi problemi delle proprietà elettroniche dei sistemi studiati.

- la capacità di applicare le precedenti conoscenze nella risoluzione di  problemi legati alla struttura elettronica di atomi o molecole o dello stato solido.

- autonomia e giudizio critico nell'applicare i modelli introdotti nell'insegnamento per la risoluzione del problema polielettronico in ambito chimico.

- identificare gli aspetti fondamentali nella descrizione di un problema quantomeccanico applicato ad atomi o molecole.

- la capacità di descrivere con un corretto linguaggio e corretta impostazione le problematiche generali della chimica quantistica e i suoi paradigmi fondamentali, identificandone potenzialità e limiti.

- la capacità di affrontare testi avanzati o articoli scientifici su tematiche riguardanti metodi e/o applicazioni  della chimica quantistica.

PREREQUISITI

Per una proficua frequenza è consigliato un ripasso delle competenze e abilità conseguite negli insegnamenti di: Istituzioni di Matematiche, Calcolo Numerico, Fisica Generale e Chimica Fisica 3 del percorso formativo della laurea triennale in Chimica e Tecnologie Chimiche o equivalenti.

Modalità didattiche

All'insegnamento corrispondono 32 ore di lezioni frontali tenute in lingua italiana (si ricorda che è altresì previsto un impegno di studio effettivo ed efficace individuale di 68 ore).

Le lezioni si svolgeranno in modalità tradizionale con ampio uso della lavagna, eventuali dispense saranno disponibili sulla pagina di AulaWeb dedicata all'insegnamento.

Inoltre, in questo contesto, a discrezione del docente test di autoverifica e/o materiale ausiliario sia interattivo sia non interattivo sarà messo a disposizione per coadiuvare/agevolare lo studio individuale degli studenti. Tale materiale sarà reso disponibile sul sito di AulaWeb.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Il sillabo dell'insegnamento, sinotticamente, è riconducibile a:

- Richiami di matematica: numeri complessi, equazioni differenziali, spazi vettoriali ed equazione agli autovalori.

- Richiami di meccanica quantistica: formulazione assiomatica della meccanica quantistica e aspetti correlati (concetto di funzione d'onda, densità elettronica, operatore...)

- Richiami sui sistemi quantistici risolvibili esattamente; buca/barriera di potenziale, atomo idrogenoide...

Nota: sulla parte relativa ai richiami, su richiesta degli studenti, potranno essere fornite lezioni integrative finalizzate ad agevolare lo studente nel riapprofondire gli argomenti ivi proposti.

• Elementi di algebra lineare, proprietà degli operatori (hermitiani) e metodi approssimati per la risoluzione di problemi quantomeccanici (metodo variazionale e perturbativo).

• Operatori efficaci; esempio con il modello di Kronig-Penney per la trattazione di una particella in un potenziale periodico, derivazione del concetto di banda elettronica e sue implicazioni fisiche.

• Il problema polielettronico; applicazione dei teoremi variazionali, la trattazione del problema dello spin e definizione della funzione d'onda polielettronica attraverso i determinati di Slater.

• Il metodo di Hartree-Fock; derivazione e significato delle equazioni di Hartree-Fock (caso atomo polielettronico o molecola), concetto di orbitale molecolare, campo autoconsistente, set di base, proprietà molecolari.

• Metodi post-Hartree-Fock; trattazione del problema della correlazione elettronica approccio basato sul metodo dell'interazione delle configurazioni e/o sulla teoria del funzionale della densità.

• Argomento a scelta sulla base degli interessi degli studenti che potrà essere orientato ad aspetti teorici relativi alla trattazione di problemi atomico/molecolari oppure relativi alla descrizione dello stato solido oppure ad aspetti modellistico-computazionali.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Testi di riferimento:

Modern quantum chemistry: introduction to advanced electronic structure theory.  Attila Szabo, Neil S.Ostlund, Dover Pubns, 1996

Elementary methods of molecular quantum mechanics : mathematical methods and applications. Valerio Magnasco, Elsevier, 2013.

Eventuale ulteriore materiale didattico potrà essere fornito dal docente

DOCENTI E COMMISSIONI

Ricevimento: Tutti i giorni lavorativi, su appuntamento.

LEZIONI

Modalità didattiche

All'insegnamento corrispondono 32 ore di lezioni frontali tenute in lingua italiana (si ricorda che è altresì previsto un impegno di studio effettivo ed efficace individuale di 68 ore).

Le lezioni si svolgeranno in modalità tradizionale con ampio uso della lavagna, eventuali dispense saranno disponibili sulla pagina di AulaWeb dedicata all'insegnamento.

Inoltre, in questo contesto, a discrezione del docente test di autoverifica e/o materiale ausiliario sia interattivo sia non interattivo sarà messo a disposizione per coadiuvare/agevolare lo studio individuale degli studenti. Tale materiale sarà reso disponibile sul sito di AulaWeb.

INIZIO LEZIONI

Le lezioni inizieranno il 28 febbraio 2022, secondo l'orario riportato sul sito http://www.chimica.unige.it/didattica/Home_SC  o su  https://corsi.unige.it/9018/p/studenti-orario

ORARI

L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

ESAMI

Modalità d'esame

L'esame è orale, ha una durata di almeno 45 minuti ed è condotto da due docenti di ruolo.

Attenzione! In variazione alla prassi normale adottata nel CCS, per questo insegnamento (al fine di una miglior gestione organizzativa) l'iscrizione alla prova di esame deve essere effettuata 5 giorni lavorativi prima della data di esame.

La prova, consiste di un numero minimo di tre domande, ed è strutturata per accertare l'assimilazione dei contenuti dell'insegnamento e una loro rielaborazione critica.

I criteri di valutazione dell'esame possono essere sinotticamente ricondotti a:

- 18-20/30: Comprensione di base e scarsa padronanza degli argomenti trattati nell'insegnamento, sufficiente proprietà di linguaggio, scarsa capacità di applicare le conoscenze/competenze acquisite;

- 21-23/30: Comprensione sufficiente ma non piena padronanza degli argomenti trattati nell'insegnamento,  sufficiente proprietà di linguaggio, limitata capacità di applicare le conoscenze/competenze acquisite;

- 24-25/30: Comprensione discreta dei principali argomenti trattati nell'insegnamento e di base per gli altri, discreta proprietà di linguaggio, discreta capacità di applicare le conoscenze e limitata capacità di applicare le competenze  acquisite;

- 26-29/30:  Buona padronanza degli argomenti trattati nell'insegnamento, piena proprietà di linguaggio, buona capacità di applicare le conoscenze e competenze acquisite;

-     30/30: Ottima conoscenza degli argomenti trattati nell'insegnamento, brillante proprietà di linguaggio, ottima capacità analitica nell'applicare le conoscenze e competenze acquisite;

- 30/30 e lode: in aggiunta ai criteri per il conseguimento di 30/30 lo studente deve aver dimostrato un forte interesse per l'insegnamento tale da spaziare in tutti i suoi aspetti, non necessariamente correlati al programma, sui quali c'è stata una capacità di rielaborazione/comprensione critica autonoma.


La prova è ritenuta insufficiente qualora lo studente non mostri la conoscenza minima richiesta dei contenuti dell'insegnamento.

Modalità di accertamento

L'esame è finalizzato alla verifica del raggiungimento di un adeguato livello di conoscenza degli argomenti trattati nell'insegnamento e da una loro adeguata esposizione con la corretta terminologia della disciplina (vedi modalità di esame).

La prova, consiste di un numero minimo di tre domande, esse saranno relative a un argomento di carattere generale fra quelli proposti nel programma che nel procedere dell'esposizione da parte dello studente saranno via a via analizzate sempre più nello specifico anche attraverso l'utilizzo della risoluzione di esercizi correlati.

In questo contesto lo studente deve:
- inquadrare il corretto contesto della domanda e svilupparne in modo rigoso i concetti correlati, dimostrando la padronanza degli strumenti matematici a disposizione e la loro corrispondenza/discussione in funzione della fisica del sistema.

- riconoscere i limiti, le approssimazioni e le potenzialità dei vari modelli per la descrizione della struttura elettronica e di conseguenza scegliere quelli più adeguati per la descrizione del problema proposto.

-saper descrivere correttamente i concetti base della meccanica quantistica e correlare la struttura elettronica del sistema studiato con le sue principali proprietà chimico fisiche.

- mostrare un'adeguata proprietà di linguaggio.