DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIMICHE
Corso di laurea magistrale in Scienze chimiche
Anno accademico 2019/2020 - 1° anno - Curriculum Chimica dei Materiali e Nanotecnologie
MATERIALI INORGANICI: STRUTTURA E PROPRIETA'
CHIM/03 - 8 CFU - 2° semestre
Docente titolare dell'insegnamento GUGLIELMO GUIDO CONDORELLI
Email: guido.condorelli@unict.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Scienze Chimiche - V.le A. Doria 6 Telefono: 0957385069
Orario ricevimento: Martedì dalle 11:00 alle 13:00 | Giovedì dalle 09:00 alle 11:00 . Poichè sono possibili sovrapposizioni con altri impegni, si invitano gli studenti a preavvertire per e-mail
OBIETTIVI FORMATIVI
L’obiettivo del corso è quello di sviluppare nello studente l’attitudine alla progettazione, sintesi e studio dei materiali inorganici. A tale scopo sono fornite le nozioni di base per la comprensione della struttura dei materiali, e delle relazioni tra strutture, proprietà ed applicazioni. Inoltre è fornita un’ampia
panoramica delle metodologie di sintesi tradizionali di materiali inorganici policristallini e cristalli singoli.
MODALITÀ DI SVOLGIMENTO DELL'INSEGNAMENTO
Il corso è articolato in lezioni frontali (6CFU) e laboratorio (2CFU) in modo da applicare le conoscenze acquisite nelle lezioni frontali in specifici casi di laboratorio.
PREREQUISITI RICHIESTI
Conoscenza dei contenuti di base della Chimica Inorganica
FREQUENZA LEZIONI
Obbligatoria con le deroghe stabilite dal regolamento didattico del CdS in Chimica Industriale
CONTENUTI DEL CORSO
TEORIA (6 CFU)Descrizione delle strutture cristalline
Generalità sui cristalli. Reticoli cristallini e set di base. Vettore di traslazione. Cella unitaria e parametri reticolari. I 5 reticoli bidimensionali. Reticoli tridimensionali: i 7 sistemi cristallini ed i reticoli di Bravais.
Simmetria. Elementi di simmetria di punto e gruppi puntuali. Notazione di Schönflies e notazione cristallografica di Hermann-Mauguin. I gruppi puntuali di interesse cristallografico. Elementi di simmetria traslazionale e gruppi spaziali. I gruppi spaziali Bravaisiani e non. Unità asimmetrica, motivo di ripetizione e struttura cristallografica.
Direzioni e piani reticolari. Indici di Miller. Reticolo reciproco.
Principali strutture . Reticoli cristallini e impaccamenti di sfere. Impaccamenti compatti e non
compatti. Poliedri di coordinazione e sistemi interstiziali in impaccamenti di sfere. Fattori che influenzano la struttura.
Solidi metallici. Strutture esagonale e cubica compatte. Struttura cubica a corpo centrato. Principali strutture di metalli e leghe.
Solidi ceramici. Strutture tipiche: Cloruro di sodio, cloruro di cesio, ioduro di cadmio, fluorite, AsNi, sulfuri di Zinco, rutilo e perovskiti, Spinelli. Determinazione del gruppi spaziali delle strutture principali.
Strutture cristalline di grafite e diamante.
Metodi di sintesi di materiali:
Sintesi Solido - solido. Metodo ceramico. Generalità. Fattori che influenzano la velocità di reazione.
Nucleazione e crescita. Modello di Wagner . Metodi di mescolamento. Coprecipitazione. Metodo del precursore. Riduzione carbotermica e Sintesi combustive.
Sintesi Liquido-solido. Reazioni di precipitazione. Precipitazione da soluzione acquosa. Sintesi di nano strutture. Metodi sol-gel. Formazione di ossidi amorfi. Preparazione di zeoliti. Precipitazione da fusi.
Metodo dei flussi. Metodi idrotermali e solvotermali. Crescita di cristalli singoli. Crescita da soluzione.
Metodo da gel. Crescita da fusi: Metodo Czochralski, Bridgman-Stockbarger. Fusione a Zone. Fusione a fiamma (Verneuil). Reazioni gas-solido. Trasporto da fase vapore. Purificazione di metalli.
Modifica di strutture esistenti. Intercalazione. Reazioni di intercalazione della grafite e del TiS2. Funzionalizzazione post-sintesi.
Deposizioni fisiche di film. Evaporazione e sputtering .
Proprietà e applicazioni
Materiali magnetici: Generalità sulle proprietà magnetiche. Diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo ed antiferromagnetismo. Effetto della temperatura: legge di Curie-Weiss. Meccanismi per l’ordine ferro e antiferro magnetico. Materiali magnetici. Metalli e ossidi di metalli di transizione.
Ferriti e manganiti. Magneti molecolari e nanomagneti.
Materiali per applicazioni ottiche. Generalità sulle proprietà ottiche. Materiali luminescenti e fosfori.
Laser a rubino, Nd:YAG. e GaAs. LED.
Metalli e leghe: Leghe. Leghe dell’acciaio. Elasticità e superelasticità Leghe superelastiche ed a
memoria di forma.
Materiali a struttura aperta. Materiali porosi: Zeoliti e Metal-Organic Framework (MOF). Materiali a strati: composti di intercalazione, elettroliti solidi e materiali per batterie a ioni litio
LABORATORIO (2 CFU)
1) Sintesi di materiali ceramici mediante coprecipitazione e reazione allo stato solido. Sintesi di CaMnO3 isolante paramagnetico, La0.85Sr0.15MnO3 conduttore paramagnetico e La0.7Sr0.3MnO3 conduttore ferromagnetico. Caratterizzazione XRD dei materiali preparati.
2) Sintesi da soluzione di particelle magnetiche. Sintesi di nanoparticelle magnetiche di Fe3O4 e separazione magnetica dall’ambiente di reazione. Caratterizzazione XRD.
3) Sintesi da soluzione di Metal-Organic Framework (MOF) per applicazioni ambientali. Sintesi dello ZIF-8 . Caratterizzazione FTIR. Test di assorbimento di contaminanti organici
4) Sintesi di MOF luminescenti a base di Eu.
5) Caratterizzazione FTIR di Si monocristallino. Determinazione quantitativa dell’ossigeno interstiziale nel Si(100) CZ.
6) Preparazione di film mediante Sputtering. Sputtering mediante plasma DC di strati di Au.
TESTI DI RIFERIMENTO
Slides delle lezioni disponibili sul sito: http://studium.unict.it/
1.
Anthony R. West, Solid State Chemistry and its Applications, second edition Wiley, 2014 oppure A.
2.
R. West ”Basic Solid State Chemistry and its Applications “ Wiley, 2012 C. Hammond “Introduzione alla cristallografia” Zanichelli, 1994
3.
D. E. Sands “Introduction to Crystallography” Dover Publication 1993 4.
ALTRO MATERIALE DIDATTICO
Slides su: http://studium.unict.it/PROGRAMMAZIONE DEL CORSO
Argomenti Riferimenti testi
1 Reticoli cristallini in 2 e 3 dimensioni Slides delle lezioni; testo 3, capitoli 2 e 3; testo 4 capitolo1
2 Simmetria Slides delle lezioni, testo3 capitolo 4; testo 4,
capitolo 2
3 Direzioni e piani reticolari Slides delle lezioni testo 3, capitolo 5
4 Impaccamenti di sfere e reticoli cristallini slides delle lezioni; testo 3, capitolo 1; testo 4, capitolo 7
5 Principali strutture cristalline slides delle lezioni; testo 2 capitolo 1;testo 3 capitolo 1; testo 4, capitolo 7
6 Reazioni allo stato solido slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 7 Sintesi da liquido slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 8 Crescita di cristalli singoli slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 9 Trasporto da fase vapore slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 10 Metodi PVD: evaporazione slides delle lezioni
11 Metodi PVD: sputtering slides delle lezioni
12 Proprietà magnetiche dei materiali slides delle lezioni; testo 2, capitolo 9 13 Materiali magnetici e loro applicazioni slides delle lezioni: testo 2, capitolo 9 14 Nanomagneti e magneti molecolari slides delle lezioni
15 Composti intercalari e sistemi a strutture aperte
slides delle lezioni; testo 2, capitolo 4
16 Materiali per applicazioni ottiche slides delle lezioni; testo 2, capitolo 10 17 Leghe metalliche. Regole di solubilità e acciai slides delle lezioni
18 Leghe superelastiche e a memoria di forma slides delle lezioni 19 Esperienze di laboratorio slides delle lezioni
VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO
MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO Colloquio orale
ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI Cosa è un reticolo cristallino
Quali sono le simmetrie rotazionali permesse per un reticolo cristallino Come si rappresentano le direzioni ed i piani reticolari
I sette sistemi cristallini ed i reticoli di bravais Descrivere i metodi di sintesi allo stato solido
Descrivere i fattori che influenzana la nucleazione e la crescita del prodotto nelle sintesi allo stato solido.
Descrivere i metodi di sintesi da soluzione Descrivere le sintesi da fuso
Discutere i meccanismi che determinano l'ordine ferromagnetico e antiferromagnetico Discutere le proprietà magnetiche delle ferriti.
Discutere le proprietà magnetiche delle manganiti.
Descrivere il laser a Rubino.
Discutere le regole di solubilità nelle leghe.
