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Quantum Chemistry qualche esempio di applicazione della Meccanica Quantistica …

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Presentazione sul tema: "Quantum Chemistry qualche esempio di applicazione della Meccanica Quantistica …"— Transcript della presentazione:

1 Quantum Chemistry qualche esempio di applicazione della Meccanica Quantistica …

2 Indice Introduzione. Quantum Chemistry: quando le differenze tra chimica e fisica perdono di significato. Eliminare le barriere di reazione nei processi esotermici: a) catalisi chimica, b) plasmi. Tecnologie dellidrogeno: bello, ma difficile da produrre a costi contenuti. Il ruolo delle biomasse: una interessante prospettiva per il futuro.

3 Cè differenza tra fisica e chimica ? Il ferro, lo zolfo, il fuoco e la calamita … Fe + S FeS

4 Il legame chimico

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6 Legame ionico: nel processo di ionizzazione un elettrone 3s 1 dellatomo di sodio è trasferito a un orbitale 3p, riempito a metà, dellatomo di cloro

7 La distanza di separazione interionica di equilibrio a 0 viene raggiunta quando la forza tra gli ioni è nulla

8 Legame covalente nella molecola di idrogeno. La più alta densità di nuvola di carica elettronica si ha nella zona di sovrapposizione fra i nuclei degli atomi di idrogeno

9 Esempi di legame covalente

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13 Chimica 1 eV 15 eV Log 10 E Fisica

14 Come possiamo modificare i legami chimici?

15 Reazioni chimiche

16 H 2 + Br HBr + H H-H H-Br

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21 Eliminare (o almeno ridurre) le barriere di potenziale

22 Catalisi eterogenea

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25 Interazione ione-neutro: una possibile alternativa

26 E CM collision energy reduced mass grelative velocity at r rinternuclear distance bimpact parameter ttime L = g bcollisional angular momentum V (r)potential energy At long range, V (r) is frequently given by the ion-induced dipole interaction: qion charge isotropic polarizability of the neutral V eff db-UniTN

27 Langevin-Gioumousis-Stevens (LGS) model db-UniTN

28 A simple calculation:

29 Stability of Molecular Dications XY 2+ is thermodynamically stable if at large internuclear distances correlates with X 2+ + Y. This occurs when: = IP(X + ) - IP(Y) < 0 where X is the atom with the lower cumulative ionization potential: [(IP(X) + IP(X + )] < [(IP(Y) + IP(Y + )] Large positive values of lead to a thermodynamically unstable situation (Coulomb explosion). In certain cases, the ground state may be metastable ("volcanic" ground state). db-UniTN

30 HeH 2+ > 0 Energy Internuclear distance HeKr 2+ < 0 He 2+ + H He + + H + Kr + + He + Kr 2+ + He db-UniTN

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32 J.C.P. 118 (2003) 2159 MR–AQCC/cc-pV5Z potential energy curves for ArO 2+ (energies relative to Ar + + O + ). The 1 g + state was computed at the MR– CISD(Q)/cc-pV5Z level db-UniTN

33 J.C.P. 118 (2003) 2159 db-UniTN

34 PAH as carriers of the Unidentified IR bands (UIR) The Orion Bar The spectrum of the Orion Bar compared to the spectrum of a mixture of PAH cations NASA Ames Research Center db-UniTN

35 Detection of benzene in interstellar space J. Cernicharo et al. Astrophys. J. 546 (2001) L123 Stellar cocoon CRL 618 (NASA/ESA Hubble Space Telescope) 22-Jan-2001 ISO detects benzene in interstellar space The first ringed molecule found around stars Benzene production in interstellar space An important step towards the synthesis of more complex organic molecules ISO (European Space Agency) db-UniTN

36 Mechanism of benzene formation in space C4H3+C4H3+ C6H6C6H6 C6H7+C6H7+ c-C 6 H 5 + C2H3+C2H3+ HCO + C2H2C2H2 C2H2C2H2 C2H2C2H2 H2H2 e-e- radiative association reactions E. Herbst & co. Astrophys. J. 574 (2002) L167 Proposed synthesis of C 6 H 6 in the protoplanetary nebula CRL 618 For efficient C 6 H 6 formation: high flux of ionising radiation high temperatures (~250K) db-UniTN

37 Mechanism for the growth of PAH cations C.W. Bauschlicher et al. C.P.L. 355 (2002) H + + H 2 (no barrier) + HCCH + + H HCCH + +. db-UniTN

38 B3LYP/6-31G* energy, eV C 6 H 5 + (S) + D 2 C 6 H 5 D 2 + (c) C 6 H 5 D 2 + (b) 0.55 C 6 H 5 D 2 + (a) [C 6 H 5 +D 2 ] + system: PES and geometries db-UniTN C 6 H 5 D + + D

39 Idrogeno: un vettore energetico ideale

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43 Idrogeno: lelemento più abbondante dellUniverso, ma è difficile produrlo sulla Terra

44 Idrogeno: utile, ma non semplice da maneggiare!

45 Idrogeno: produrlo a partire dal carbonio (o dai combustibili fossili) non serve per ridurre leffetto serra.

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53 Conclusioni (I) La Meccanica Quantistica permette di studiare i problemi chimici comprendendo i meccanismi microscopici che sono alla base delle reazioni. Per ottimizzare la resa è necessario scegliere opportuni cammini di reazione.

54 Conclusioni (II) Luso di plasmi (interazione ione-neutro) o di nuovi catalizzatori basati sulle nanotecnologie può rappresentare una valida alternativa ai (costosi) catalizzatori tradizionali. La disponibilità di catalizzatori efficaci costituisce lelemento chiave per lutilizzo di biomasse come fonte energetica competitiva rispetto ai combustibili solidi.


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