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qualche esempio di applicazione della Meccanica Quantistica …

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

1 qualche esempio di applicazione della Meccanica Quantistica …
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 dell’idrogeno: bello, ma difficile da produrre a costi contenuti. Il ruolo delle biomasse: una interessante prospettiva per il futuro.

3 C’è differenza tra fisica e chimica ?
Il ferro, lo zolfo, il fuoco e la calamita … Fe + S ¾® FeS

4 Il legame chimico

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6 Legame ionico: nel processo di ionizzazione un elettrone 3s1 dell’atomo di sodio è trasferito a un orbitale 3p, riempito a metà, dell’atomo di cloro

7 La distanza di separazione interionica di equilibrio a0 viene raggiunta quando la forza tra gli ioni è nulla

8 Legame covalente nella molecola di idrogeno
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 1 eV 15 eV Log10 E Fisica Chimica

14 Come possiamo modificare i legami chimici?

15 Reazioni chimiche

16 H-Br H-H H2 + Br  HBr + H

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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 Veff ECM collision energy  reduced mass g relative velocity at r  
db-UniTN Veff ECM collision energy  reduced mass g relative velocity at r   r internuclear distance b impact parameter t time L =  g b collisional angular momentum V (r) potential energy At long range, V (r) is frequently given by the ion-induced dipole interaction: q ion charge a isotropic polarizability of the neutral

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

28 A simple calculation:

29 Stability of Molecular Dications
db-UniTN Stability of Molecular Dications XY2+ is thermodynamically stable if at large internuclear distances correlates with X2+ + 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).

30 HeKr2+ D < 0 HeH2+ D > 0 He2+ + H He+ + H+ Energy Kr+ + He+
db-UniTN HeH D > 0 He2+ + H He+ + H+ Energy HeKr D < 0 Kr+ + He+ Kr2+ + He Internuclear distance

31 db-UniTN

32 db-UniTN MR–AQCC/cc-pV5Z potential energy curves for ArO2+ (energies relative to Ar+ + O+). The 1Sg+ state was computed at the MR–CISD(Q)/cc-pV5Z level J.C.P. 118 (2003) 2159

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

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

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

36 Mechanism of benzene formation in space
db-UniTN Mechanism of benzene formation in space C4H3+ C6H6 C6H7+ c-C6H5+ C2H3+ HCO+ C2H2 H2 e- radiative association reactions Proposed synthesis of C6H6 in the protoplanetary nebula CRL 618 E. Herbst & co. Astrophys. J. 574 (2002) L167 For efficient C6H6 formation: high flux of ionising radiation high temperatures (~250K)

37 Mechanism for the growth of PAH cations
db-UniTN Mechanism for the growth of PAH cations + + + H + H2 (no barrier) + + HCCH + + + HCCH + . + H . + C.W. Bauschlicher et al. C.P.L. 355 (2002) 159

38 [C6H5+D2]+ system: PES and geometries
db-UniTN [C6H5+D2]+ system: PES and geometries 2.52 B3LYP/6-31G* energy, eV C6H5D+ + D C6H5+(S)+ D2 0.46 0.00 -0.03 -0.07 C6H5D2+(a) C6H5D2+(b) C6H5D2+(c) 0.55 -2.95

39 Idrogeno: un vettore energetico “ideale”

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43 Idrogeno: l’elemento più abbondante dell’Universo, 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
l’effetto 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) L’uso 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 l’elemento chiave per l’utilizzo di biomasse come fonte energetica competitiva rispetto ai combustibili solidi.


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