CHIMICA

LAUREA MAGISTRALE

LABORATORIO DI CHIMICA DEI MATERIALI INORGANICI

Docenti: 
CAUZZI Daniele Alessandro
Crediti: 
6
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
CHIMICA GENERALE E INORGANICA (CHIM/03)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Il corso fornisce l'opportunità di affrontare le esperienze laboratoriali con l'approccio del ricercatore, evidenziando l'importanza dell'osservazione di un nuovo fenomeno rispetto alla replicazione di un fenomeno già ben descritto e come stabilire la metodologia e la procedura di esecuzione di un esperimento.
Vengono fornite le basi di fenomeni importanti della chimica inorganica, e come sfruttare le proprietà di sostanze e materiali per la costruzione di "device" funzionanti. Le esperienze si svolgono a posto singolo.
Gli studenti collaborano al lavoro di redazione della relazione di laboratorio ed è necessario condividere i dati ottenuti.
D1- conoscenza e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente deve conoscere i processi chimici e fisici caratteristici del processo sol gel per la preparazione di ossidi inorganici, materiali ibridi organici-organici, deve conoscere i comuni metodi per preparazione di nanoparticelle di Oro e Argento e di nanoparticelle di ossidi, deve conoscere l’uso dei coating inorganici ottenuti da sintesi chimica. Deve conoscere e capire come alcune proprietà intrinseche delle sostanze chimiche (composizione, struttura, reattività, proprietà chimico-fisiche) possono essere sfruttate per costruire device composti da più parti interagenti.

D2. Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Lo studente deve sapere osservare un fenomeno chimico o fisico, saper descrivere ciò che si è osservato, utilizzando il linguaggio chimico scientifico, saper scrivere le proprie osservazioni su un quaderno di laboratorio personale. Comprendere come le proprietà di diversi materiali possono essere utilizzate per ottenere un oggetto complesso (device) che le utilizza per applicazioni pratiche, ad esempio: come un semiconduttore ottenuto chimicamente viene usato per produrre energia elettrica (Cella solare di Gretzel). Deve saper definire una ricetta chimica per la preparazione dei materiali in laboratorio, in collaborazione con gli altri studenti.
Deve saper correlare le proprietà delle sostanze prodotte con la loro struttura e composizione. Saper interpretare i dati spettrofotometrici e strutturali acquisiti sui campioni dei materiali prodotti nelle esperienze di laboratorio, utilizzando quando possibile la strumentazione scientifica personalmente.
Deve saper interpretare i dati sperimentali, ricercando in autonomia le informazioni bibliografiche aggiuntive a quelle fornite dal docente.
D3. Autonomia di giudizio:
Sapere valutare e motivare le scelte operative e sintetiche delle esperienze di laboratorio: ad esempio, la scelta di un rapporto stechiometrico, la scelta di un solvente di reazione.
Saper valutare autonomamente come queste scelte hanno influenzato il risultato finale, ad esempio, come la variazione del solvente di reazione ha influito sulle proprietà morfologiche del materiale ottenuto.
Saper organizzare il proprio lavoro in collaborazione con gli altri studenti
D4. Abilità comunicative:
Sapere descrivere le procedure delle esperienze effettuate in laboratorio.
Saper redigere una relazione della attività di laboratorio sulla falsariga di un lavoro scientifico di preparazione di materiali: Introduzione alla esperienza con basi teoriche relative alle reazioni, processi e fenomeni osservati nell’esperienza; descrizione dei fenomeni osservati; Spiegazione dei fenomeni osservati, basata sulle basi teoriche citate nella introduzione; scrittura delle ricette di preparazione chimica. Descrizione dei risultati di misure strumentali.
Saper condividere e spiegare i dati sperimentali agli altri studenti
D5. Capacità di apprendere:
Lo studente deve essere in grado di completare ed integrare la propria preparazione dove carente nei confronti degli argomenti proposti dal docente. Lo studente dove saper proporre una procedura sperimentale nuova o una modifica di una procedura sperimentale conosciuta, simili a quelle da lui osservate durante le esperienze di laboratorio.

Il corso fornisce l'opportunità di affrontare le esperienze laboratoriali con l'approccio del ricercatore, evidenziando l'importanza dell'osservazione di un nuovo fenomeno rispetto alla replicazione di un fenomeno già ben descritto e come stabilire la metodologia e la procedura di esecuzione di un esperimento.
Vengono fornite le basi di fenomeni importanti della chimica inorganica, e come sfruttare le proprietà di sostanze e materiali per la costruzione di "device" funzionanti. Le esperienze si svolgono a posto singolo.
Gli studenti collaborano al lavoro di redazione della relazione di laboratorio ed è necessario condividere i dati ottenuti.
D1- conoscenza e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente deve conoscere i processi chimici e fisici caratteristici del processo sol gel per la preparazione di ossidi inorganici, materiali ibridi organici-organici, deve conoscere i comuni metodi per preparazione di nanoparticelle di Oro e Argento e di nanoparticelle di ossidi, deve conoscere l’uso dei coating inorganici ottenuti da sintesi chimica. Deve conoscere e capire come alcune proprietà intrinseche delle sostanze chimiche (composizione, struttura, reattività, proprietà chimico-fisiche) possono essere sfruttate per costruire device composti da più parti interagenti.

D2. Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Lo studente deve sapere osservare un fenomeno chimico o fisico, saper descrivere ciò che si è osservato, utilizzando il linguaggio chimico scientifico, saper scrivere le proprie osservazioni su un quaderno di laboratorio personale. Comprendere come le proprietà di diversi materiali possono essere utilizzate per ottenere un oggetto complesso (device) che le utilizza per applicazioni pratiche, ad esempio: come un semiconduttore ottenuto chimicamente viene usato per produrre energia elettrica (Cella solare di Gretzel). Deve saper definire una ricetta chimica per la preparazione dei materiali in laboratorio, in collaborazione con gli altri studenti.
Deve saper correlare le proprietà delle sostanze prodotte con la loro struttura e composizione. Saper interpretare i dati spettrofotometrici e strutturali acquisiti sui campioni dei materiali prodotti nelle esperienze di laboratorio, utilizzando quando possibile la strumentazione scientifica personalmente.
Deve saper interpretare i dati sperimentali, ricercando in autonomia le informazioni bibliografiche aggiuntive a quelle fornite dal docente.
D3. Autonomia di giudizio:
Sapere valutare e motivare le scelte operative e sintetiche delle esperienze di laboratorio: ad esempio, la scelta di un rapporto stechiometrico, la scelta di un solvente di reazione.
Saper valutare autonomamente come queste scelte hanno influenzato il risultato finale, ad esempio, come la variazione del solvente di reazione ha influito sulle proprietà morfologiche del materiale ottenuto.
Saper organizzare il proprio lavoro in collaborazione con gli altri studenti
D4. Abilità comunicative:
Sapere descrivere le procedure delle esperienze effettuate in laboratorio.
Saper redigere una relazione della attività di laboratorio sulla falsariga di un lavoro scientifico di preparazione di materiali: Introduzione alla esperienza con basi teoriche relative alle reazioni, processi e fenomeni osservati nell’esperienza; descrizione dei fenomeni osservati; Spiegazione dei fenomeni osservati, basata sulle basi teoriche citate nella introduzione; scrittura delle ricette di preparazione chimica. Descrizione dei risultati di misure strumentali.
Saper condividere e spiegare i dati sperimentali agli altri studenti
D5. Capacità di apprendere:
Lo studente deve essere in grado di completare ed integrare la propria preparazione dove carente nei confronti degli argomenti proposti dal docente. Lo studente dove saper proporre una procedura sperimentale nuova o una modifica di una procedura sperimentale conosciuta, simili a quelle da lui osservate durante le esperienze di laboratorio.

Prerequisiti

nessuno

Contenuti dell'insegnamento

Insegnamento: Laboratorio di Chimica dei Materiali Inorganici

Esperienze di Laboratorio riguardanti concetti di base e applicazioni della
chimica inorganica:
Chimica del processo SolGel: preparazione di xerogel silicei, preparazione
di xerogel ibridi organici-inorganici e loro utilizzo per la purificazione di
soluzioni di metalli.
Preparazione e stabilizzazione di nanoparticelle metalliche e di ossidi.
Utilizzo di polimeri organici solubili in acqua per la separazione di
nanoparticelle da soluzione.
Preparazione di film a base di ossidi metallici colorati e preparazione di
vetri conduttori a ossido di stagno.
Funzionalizzazione di una superficie di argento con strato
monomolecolare organico.
Ferrofluidi a base di magnetite.
Costruzione di una cella fotovoltaica DSSC.
Formazione di film elettrocromici a base di cianometallati di ferro.

Insegnamento: Laboratorio di Chimica dei Materiali Inorganici

Esperienze di Laboratorio riguardanti concetti di base e applicazioni della
chimica inorganica:
Chimica del processo SolGel: preparazione di xerogel silicei, preparazione
di xerogel ibridi organici-inorganici e loro utilizzo per la purificazione di
soluzioni di metalli.
Preparazione e stabilizzazione di nanoparticelle metalliche e di ossidi.
Utilizzo di polimeri organici solubili in acqua per la separazione di
nanoparticelle da soluzione.
Preparazione di film a base di ossidi metallici colorati e preparazione di
vetri conduttori a ossido di stagno.
Funzionalizzazione di una superficie di argento con strato
monomolecolare organico.
Ferrofluidi a base di magnetite.
Costruzione di una cella fotovoltaica DSSC.
Formazione di film elettrocromici a base di cianometallati di ferro.

Programma esteso

1) I polimeri inorganici. Basi di chimica del processo sol gel; i precursori:
alcossidi metallici, preparazione e proprietà chimico fisiche. Le reazioni di
idrolisi e condensazione. Gli alcogel. Influenza dei parametri di reazione
sulla formazione di gel inorganici a base di silicio. Effetti elettronici e
sterici dei sostituenti, effetto del solvente, effetto della concentrazione,
effetto del rapporto acqua precursore, effetto del catalizzatore, effetto
del metodo di essicamento. Proprietà dei gel, xerogel e aerogel e utilizzo
tecnologico.
2) I materiali ibridi organici-inorganici. Classificazione dei materiali ibridi
con esempi. Tecniche di preparazione dei precursori, materiali ibridi a
base di silicio ottenuti per via sol gel, caratterizzazione chimico fisica dei
materiali ibridi.
3) La preparazione di ossidi misti per processo sol-gel. Inconvenienti del
metodo, esempi applicativi.
4) La condensazione non idrolitica. Meccanismi di reazione, esempi di
applicazione.
5) Celle fotovoltaiche sensibilizzate con coloranti (DSSC). Principi fisici del funzionamento. Analisi della struttura costruttiva della cella DSSC parte per parte. Esame della funzione di ogni componente chimico della cella: Elettrodi a vetro conduttore (Ossido di stagno(IV-II), ossido di Indio e Stagno (ITO), polimeri organici conduttori). Trattamento superficiale con elettrocatalizzatore.
Biossido di Titanio in fase anatasio nanocristallina, proprietà semiconduttrici e proprietà chimiche superficiali.
Colorante/sensibilizzante: composti di coordinazione del Rutenio, molecole organiche a base antocianica.
Elettrolita di trasporto: la coppia I-/I3-, altre coppie redox.
6) Nanoparticelle di metalli e di ossidi metallici. Preparazione e proprietà. Caratterizzazione.
La risonanza plasmonica, relazione con le dimensioni. Proprietà magnetiche delle nanoparticelle di ossido di ferro.
Le sostanze elettrocromiche, cenni di elettrocromia, esempi di strati superficiali elettrocromici, i cianoferrati come materiali elettrocromici.

Parte di laboratorio
1) preparazione di xerogel silicei in condizioni di reazione differenti.
Correlazione tra proprietà macroscopiche e struttura dei materiali
ottenuti.
2) a) preparazione di materiali ibridi organici-inorganici contenenti
ammine
b) utilizzo dei materiali preparati come assorbenti per ioni metallici.
3) preparazione di film di ossidi misti via sol-gel.
4) preparazione di xerogel fluorescenti mediante intrappolamento fisico
di molecole organiche
5) esercitazioni pratiche di spettroscopia FT-IR: acquisizione di spettri
mediante tecnica in riflessione totale attenuata HATR
6) preparazione di nanoparticelle di oro, argento ed altri materiali e loro
stabilizzazione con polimeri solubili in acqua.
7) preparazione di nanoparticelle di magnetite ferrofluide
8) Costruzione di una cella fotovoltaica sensibilizzata con coloranti
a) Preparazione di vetri conduttori ad ossido di stagno
b) Preparazione di biossido di titanio nanocristallino in fase anatasio
c) Costruzione della cella e misura della differenza di potenziale in luce
solare e artificiale
9) Preparazione di film sottili elettrocromici a base di cianometallati di
Ferro
10) Preparazione di uno strato monomolecolare idrofobico

1) I polimeri inorganici. Basi di chimica del processo sol gel; i precursori:
alcossidi metallici, preparazione e proprietà chimico fisiche. Le reazioni di
idrolisi e condensazione. Gli alcogel. Influenza dei parametri di reazione
sulla formazione di gel inorganici a base di silicio. Effetti elettronici e
sterici dei sostituenti, effetto del solvente, effetto della concentrazione,
effetto del rapporto acqua precursore, effetto del catalizzatore, effetto
del metodo di essicamento. Proprietà dei gel, xerogel e aerogel e utilizzo
tecnologico.
2) I materiali ibridi organici-inorganici. Classificazione dei materiali ibridi
con esempi. Tecniche di preparazione dei precursori, materiali ibridi a
base di silicio ottenuti per via sol gel, caratterizzazione chimico fisica dei
materiali ibridi.
3) La preparazione di ossidi misti per processo sol-gel. Inconvenienti del
metodo, esempi applicativi.
4) La condensazione non idrolitica. Meccanismi di reazione, esempi di
applicazione.
5) Celle fotovoltaiche sensibilizzate con coloranti (DSSC). Principi fisici del funzionamento. Analisi della struttura costruttiva della cella DSSC parte per parte. Esame della funzione di ogni componente chimico della cella: Elettrodi a vetro conduttore (Ossido di stagno(IV-II), ossido di Indio e Stagno (ITO), polimeri organici conduttori). Trattamento superficiale con elettrocatalizzatore.
Biossido di Titanio in fase anatasio nanocristallina, proprietà semiconduttrici e proprietà chimiche superficiali.
Colorante/sensibilizzante: composti di coordinazione del Rutenio, molecole organiche a base antocianica.
Elettrolita di trasporto: la coppia I-/I3-, altre coppie redox.
6) Nanoparticelle di metalli e di ossidi metallici. Preparazione e proprietà. Caratterizzazione.
La risonanza plasmonica, relazione con le dimensioni. Proprietà magnetiche delle nanoparticelle di ossido di ferro.
Le sostanze elettrocromiche, cenni di elettrocromia, esempi di strati superficiali elettrocromici, i cianoferrati come materiali elettrocromici.

Parte di laboratorio
1) preparazione di xerogel silicei in condizioni di reazione differenti.
Correlazione tra proprietà macroscopiche e struttura dei materiali
ottenuti.
2) a) preparazione di materiali ibridi organici-inorganici contenenti
ammine
b) utilizzo dei materiali preparati come assorbenti per ioni metallici.
3) preparazione di film di ossidi misti via sol-gel.
4) preparazione di xerogel fluorescenti mediante intrappolamento fisico
di molecole organiche
5) esercitazioni pratiche di spettroscopia FT-IR: acquisizione di spettri
mediante tecnica in riflessione totale attenuata HATR
6) preparazione di nanoparticelle di oro, argento ed altri materiali e loro
stabilizzazione con polimeri solubili in acqua.
7) preparazione di nanoparticelle di magnetite ferrofluide
8) Costruzione di una cella fotovoltaica sensibilizzata con coloranti
a) Preparazione di vetri conduttori ad ossido di stagno
b) Preparazione di biossido di titanio nanocristallino in fase anatasio
c) Costruzione della cella e misura della differenza di potenziale in luce
solare e artificiale
9) Preparazione di film sottili elettrocromici a base di cianometallati di
Ferro
10) Preparazione di uno strato monomolecolare idrofobico

Bibliografia

Insegnamento: Laboratorio di Chimica dei Materiali Inorganici
Nessun testo, il materiale di studio è costituito da articoli scientifici forniti dal docente

Insegnamento: Laboratorio di Chimica dei Materiali Inorganici
Nessun testo, il materiale di studio è costituito da articoli scientifici forniti dal docente

Metodi didattici

L'insegnamento in aula condotto dal docente con una lezione euristico socratica, è preminente per tutto il corso per quanto riguarda la parte di spiegazione dei concetti base e delle metodologie dettagliate che permettono allo studente di effettuare le
esperienze in laboratorio in autonomia.
Le esperienze pratiche sono effettuate singolarmente.
Insegnamento orientato alla scoperta

L'insegnamento in aula condotto dal docente con una lezione euristico socratica, è preminente per tutto il corso per quanto riguarda la parte di spiegazione dei concetti base e delle metodologie dettagliate che permettono allo studente di effettuare le
esperienze in laboratorio in autonomia.
Le esperienze pratiche sono effettuate singolarmente.
Insegnamento orientato alla scoperta

Modalità verifica apprendimento

La valutazione dell'apprendimento prevede la consegna entro la fine del corso di una relazione su alcune esperienze di laboratorio.
La relazione dovrà essere redatta dagli studenti lavorando in gruppo e condividendo i risultati. In casi eccezionali e a discrezione del docente, la relazione può essere consegnata singolarmente.
La relazione verrà corretta e valutata in trentesimi.
Inoltre, la preparazione verrà verificata con una prova orale che consiste in una interrogazione su un argomento trattato a lezione a scelta dello studente e su un argomento scelto dal docente.
Il voto finale sarà la media del voto in trentesimi della relazione e del voto in trentesimi della prova orale.

La valutazione dell'apprendimento prevede la consegna entro la fine del corso di una relazione su alcune esperienze di laboratorio.
La relazione dovrà essere redatta dagli studenti lavorando in gruppo e condividendo i risultati. In casi eccezionali e a discrezione del docente, la relazione può essere consegnata singolarmente.
La relazione verrà corretta e valutata in trentesimi.
Inoltre, la preparazione verrà verificata con una prova orale che consiste in una interrogazione su un argomento trattato a lezione a scelta dello studente e su un argomento scelto dal docente.
Il voto finale sarà la media del voto in trentesimi della relazione e del voto in trentesimi della prova orale.

Altre informazioni

nessuna