CHIMICA

LAUREA MAGISTRALE

SOLID STATE CHEMISTRY

Docenti: 
MEZZADRI Francesco
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
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

Obiettivo del corso è fornire allo studente conoscenze approfondite relative alla natura dello stato solido ed alle sue proprietà di simmetria, ai principi generali e pratici della diffrazione come conseguenza della periodicità degli atomi nei cristalli, polimorfismo, transizioni di fase e reattività dei solidi.
Nello specifico lo studente dovrà :
- Conoscere le tecniche di sintesi di composti inorganici e di preparazione di materiali, la reattività dei solidi e la sinterizzazione di ceramici. Conoscere i principali tipi di impacchettamenti cristallini ed i fattori che li governano, i metodi di caratterizzazione strutturale nonché comprendere l’influenza della la simmetria cristallina sulle proprietà dei materiali. Comprendere i principi fondamentali della diffrazione X e le relative applicazioni, nonchè padroneggiare gli strumenti essenziali dell’analisi dati. Conoscere le soluzioni solide e la loro importanza nel campo dei materiali.
- Individuare, nell’ambito degli argomenti trattati dal corso, l’approccio adeguato all’ottenimento di un determinato obiettivo tramite l’utilizzo di appropriate tecniche di sintesi o di analisi, dimostrando quindi di saper applicare efficacemente le conoscenze acquisite.
-Essere in grado di utilizzare il linguaggio specifico e la terminologia proprie della disciplina al fine di comunicare coerentemente quanto appreso.

Al termine dell’attività formativa lo studente dovrebbe aver acquisito conoscenze e competenze relative alla natura dello stato solido ed alle sue proprietà di simmetria, ai principi generali della diffrazione come conseguenza della periodicità degli atomi nei cristalli, al polimorfismo, alle transizioni di fase, alla reattività dei solidi. In particolare lo studente dovrebbe essere in grado di: 1. Conoscere le tecniche di sintesi di composti inorganici e di preparazione di materiali, la reattività dei solidi e la sinterizzazione di ceramici. Conoscere i principali tipi di impacchettamenti cristallini ed i fattori che li governano, i metodi di caratterizzazione strutturale e le correlazioni tra struttura e proprietà. Conoscere le soluzioni solide e la loro importanza nel campo dei materiali. Utilizzare il linguaggio specifico e la terminologia proprie della disciplina. (Conoscenza e capacità di comprensione) 2. Comprendere ed in alcuni casi prevedere la relazione fra struttura e proprietà di sistemi anche complessi. Pianificare una sperimentazione nel campo attraverso attività individuale e/o di gruppo. Pianificare la caratterizzazione di campioni reali utilizzando la strumentazione scientifica adeguata. Elaborare i dati scientifici anche avvalendosi di metodi informatici/computazionali avanzati (Capacità di applicare conoscenza e comprensione) 3. Organizzare una attività sperimentale valutando criticamente le proprie conoscenze/capacità e dimostrare autonomia di giudizio nel valutare e quantificare i risultati. Valutare criticamente le tecniche di caratterizzazione in funzione del problema sperimentale (Autonomia di giudizio - making judgments). 4. Comunicare in forma scritta ed orale, anche in lingua inglese e con utilizzo di sistemi multimediali, interagendo con altre persone e lavorando in gruppo su problematiche chimico/scientifiche (Abilità comunicative) 5. Affrontare e discutere nuove tematiche scientifiche o professionali, apprendendo in modo autonomo e reperendo le informazioni utili da letteratura, banche dati ed internet. (Capacità di apprendimento)

Prerequisiti

nessuno

Contenuti dell'insegnamento

Il corso affronta i temi fondamentali della chimica dello stato solido, ponendo particolare attenzione a struttura, proprietà e reattività della materia in forma cristallina. Ampio spazio viene dedicato all’origine della periodicità tridimensionale delle strutture cristalline, alla definizione del concetto di simmetria ed alla sua descrizione tramite i gruppi spaziali. Gli studenti vengono introdotti agli aspetti teorici e pratici della diffrazione di raggi X ed alle sue applicazioni, anche tramite esercitazioni che implicano l’analisi di dati reali. Viene affrontata la classificazione delle strutture cristalline ed illustrati i fattori che le governano, così come le caratteristiche dei più comuni difetti cristallografici. Si presentano gli aspetti teorici e pratici delle transizioni di fase allo stato solido, la reattività dei solidi ed il processo di sinterizzazione dei ceramici.

Il corso si propone di fornire allo studente magistrale gli aspetti caratterizzanti della chimica dello stato solido. I contenuti proposti durante le lezioni spaziano dall’origine della periodicità tridimensionale delle strutture cristalline al processo di cristallizzazione ed alla formazione degli amorfi, dalle regole fondamentali della simmetria alla sua descrizione nei gruppi spaziali, dal fenomeno dello scattering alla diffrazione nei cristalli, dalla classificazione delle strutture cristalline ai fattori che le governano, dalle transizioni di fase alla reattività dei solidi e al processo di sinterizzazione dei ceramici. Inoltre il corso introduce gli studenti agli aspetti pratici della diffrazione di raggi X di polveri ed al loro uso in campo strutturale ed analitico.

Programma esteso

Lo stato cristallino. Origine della periodicità tridimensionale. Processo di cristallizzazione. Nucleazione e crescita: Materiali amorfi e vetri.
Reticolo di Bravais e reticolo cristallino. Classificazione dei reticoli sulla base della simmetria. Simmetria puntuale. Gruppi puntuali dei reticoli di Bravais: i sistemi cristallografici. Gruppi puntuali dei reticoli cristallini: le 32 classi cristallografiche. Operazioni di simmetria con traslazione. Gruppi spaziali dei reticoli di Bravais e dei reticoli cristallini.
Raggi X. Processo di scattering: Thomson e Compton. Fattore di scattering atomico. Scattering e diffrazione. Legge di Bragg ed equazioni di Laue. Reticolo reciproco. Costruzione di Ewald. Fattore di struttura. Equazione della densità elettronica. Simmetria della figura di diffrazione. Il problema della fase in cristallografia e la sua possibile soluzione.
Aspetti pratici della diffrazione X. Diffrazione di cristallo singolo. Diffrazione di polveri. Banche dati cristallografiche.
Classificazione delle strutture cristalline. Impacchettamento compatto e modello eutattico. Principali tipi di strutture cristalline di composti binari e ternari.
Polimorfismo e transizioni di fase. Classificazione cinetica delle transizioni. Classificazione termodinamica. Transizioni continue e discontinue. Trends cristallografici nelle transizioni di fase in funzione di T e P.
Il concetto di soluzioni solide. Soluzioni solide interstiziali e sostituzionali. Sostituzioni eterovalenti e meccanismi di compensazione di carica.
Reattività dei solidi. Reazioni di stato solido. Principi e meccanismi. Aspetti sperimentali. Sinterizzazione. Materiali ceramici e loro applicazioni.

Lo stato cristallino. Origine della periodicità tridimensionale. Processo di cristallizzazione. Nucleazione e crescita: Materiali amorfi e vetri.
Reticolo di Bravais e reticolo cristallino. Classificazione dei reticoli sulla base della simmetria. Simmetria puntuale. Gruppi puntuali dei reticoli di Bravais: i sistemi cristallografici. Gruppi puntuali dei reticoli cristallini: le 32 classi cristallografiche. Operazioni di simmetria con traslazione. Gruppi spaziali dei reticoli di Bravais e dei reticoli cristallini.
Raggi X. Processo di scattering: Thomson e Compton. Fattore di scattering atomico. Scattering e diffrazione. Legge di Bragg ed equazioni di Laue. Reticolo reciproco. Costruzione di Ewald. Fattore di struttura. Equazione della densità elettronica. Simmetria della figura di diffrazione. Il problema della fase in cristallografia e la sua possibile soluzione.
Aspetti pratici della diffrazione X. Diffrazione di cristallo singolo. Diffrazione di polveri. Banche dati cristallografiche.
Classificazione delle strutture cristalline. Impacchettamento compatto e modello eutattico. Principali tipi di strutture cristalline di composti binari e ternari.
Polimorfismo e transizioni di fase. Classificazione cinetica delle transizioni. Classificazione termodinamica. Transizioni continue e discontinue. Trends cristallografici nelle transizioni di fase in funzione di T e P.
Il concetto di soluzioni solide. Soluzioni solide interstiziali e sostituzionali. Sostituzioni eterovalenti e meccanismi di compensazione di carica.
Reattività dei solidi. Reazioni di stato solido. Principi e meccanismi. Aspetti sperimentali. Sinterizzazione. Materiali ceramici e loro applicazioni

Bibliografia

Le slide proiettate durante il corso in formato PDF e tutto il materiale impiegato durante le lezioni sono resi disponili agli studenti e condivisi sulla piattaforma Elly. Tutto il software utilizzato per esercitazioni è freeware e reperibile gratuitamente in rete per utilizzo in ambito accademico. In aggiunta al materiale condiviso, lo studente può approfondire personalmente alcuni argomenti affrontati durante il corso facendo riferimento ai testi:
- A.R. WEST Solid state chemistry and its application, John Wiley and Sons Ltd., Chichester
- C. Giacovazzo et al. Fundamentlas of Crystallography, Oxford Science Publications
- E. Moore and L. Smart Solid State Chemistry: An Introduction, CRC Press

Le slide proiettate durante il corso in formato PDF e tutto il materiale impiegato durante le lezioni sono resi disponili agli studenti e condivisi sulla piattaforma Elly. In aggiunta al materiale condiviso, lo studente può approfondire personalmente alcuni argomenti affrontati durante il corso facendo riferimento al testo:
A.R. WEST Solid state chemistry and its application, John Wiley and Sons Ltd., Chichester

Metodi didattici

Il corso ha un peso di 6 CFU, che corrispondono a 56 ore complessive di lezione, composte da 32 ore di lezione frontale e 24 di esercitazione. Le lezioni frontali consisteranno principalmente nella proiezione di slides ma verrà fatto uso di programmi freeware e contenuti web sia di carattere didattico che scientifico. Tutto il materiale citato verrà caricato sulla piattaforma Elly, in accordo con la sequenza degli argomenti trattati. Le esercitazioni pratiche saranno svolte sia in aula che in laboratorio, con l’obiettivo di coinvolgere direttamente gli studenti nel processo di apprendimento e di dimostrare alcune applicazioni pratiche delle tematiche affrontate, in particolare tramite l’affinamento ed interpretazione di dati di diffrazione da polveri e cristallo singolo.

Il corso ha un peso di 6CFU, che corrispondono a 48 ore complessive di lezione. Le attività didattiche saranno condotte privilegiando lezioni frontali in aula alternate a esercitazioni. Le slide e gli appunti utilizzati a supporto delle lezioni verranno caricate sulla piattaforma Elly, in accordo con la sequenza degli argomenti trattati. Per scaricare le slides è necessaria l’iscrizione al corso on line.

Modalità verifica apprendimento

La valutazione dell’apprendimento è effettuata tramite un esame in forma orale, nel quale lo studente dovrà dimostrare di aver compreso, e di essere in grado di applicare, i concetti fondamentali degli argomenti trattati.

La valutazione dell’apprendimento è effettuata tramite un esame in forma orale, nel quale lo studente dovrà dimostrare di aver compreso, e di essere in grado di applicare, i concetti fondamentali degli argomenti trattati.