CHIMICA ANALITICA II E LABORATORIO A - L

CHIM/01 - 7 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

GIUSEPPE SPOTO
Email: gspoto@unict.it
Edificio / Indirizzo: Dipartimento di Scienze Chimiche, Viale Andrea Doria 6, Catania
Telefono: 095 7385141
Orario ricevimento: Sempre disponibile previo appuntamento


Obiettivi formativi

Il corso si prefigge di fornire le basi della chimica analitica strumentale con particolare riferimento alle principali tecniche spettroscopiche ed elettrochimiche. Lo studente comprenderà cosa significhi utilizzare uno strumento per effettuare delle analisi chimiche e come si valutano ed elaborano i dati che lo strumento fornisce a seguito dell'analisi.

Conoscenza e capacità di comprensione:

Conoscenza degli aspetti di base, dei principi di funzionamento e e principali applicazioni delle principali tecniche spettroscopiche ed elettrochimiche. Conoscenza delle basi della statistica e dei metodi per il trattamento dei dati sperimentali.

Conoscenza e capacità di comprensione applicate:

Capacità di applicare le conoscenze di chimica analitica strumentale per ideare e sostenere argomentazioni in riferimento agli argomenti trattati nel corso

Autonomia di giudizio:

Capacità di interpretazione di dati sperimentali sulla base delle conoscenze acquisite e delle esperienze di laboratorio svolte

Abilità comunicative

Acquisire proprietà di linguaggio ed una adeguata capacità di presentazione degli argomenti trattati nel corso

Capacità di apprendere

Sviluppare le competenze necessarie per intraprendere studi più avanzati che prevedono un alto grado di autonomia, quali quelli svolti in corsi di laurea magistrale


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

- Lezioni frontali su tutti gli argomenti affrontati durante il corso. Si farà uso di vari supporti alla didattica incluse presentazioni PowerPoint;
- Esercitazioni in aula sui principali argomenti affrontati;
- Esperienze di laboratorio:

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.


Prerequisiti richiesti

Conoscenza dei concetti fondamentali della chimica (Chimica Generale, Analitica, Inorganica ed Organica), fisica e matematica.



Frequenza lezioni

La frequenza è obbligatoria così come precisato nel Regolamento didattico del corso di laurea e nel Regolamento didattico di Ateneo (art. 24). Tali regolamenti prevedono anche i casi per i quali possa essere riconosciuta una dispensa totale o parziale dall’obbligo.



Contenuti del corso

1. Spettroscopia:

Radiazione elettromagnetica: natura ondulatoria, natura corpuscolare, effetto fotoelettrico e diffrazione, principio di Heisenberg. Descrizione matematica di un’onda, sovrapposizione di onde. Spettro elettromagnetico. Radiazione visibile: caratteristiche dell’occhio. Rifrazione, indice di rifrazione, legge di Snell, riflessione interna totale. Interazione radiazione materia: riflessione, trasmissione/assorbimento, diffusione (Rayleigh, Mie, Raman). Polarizzazione delle radiazioni. Assorbimento ed emissione delle radiazioni. Assorbimento atomico, numeri quantici, momento angolare totale, accoppiamento jj e Russel-Saunders, termini spettroscopici, regole di selezione.

Assorbimento molecolare. Moti vibrazionali e rotazionali. Fluorescenza, fosforescenza e fluorescenza ritardata.Diagrammi di Jablonski. Rilassamenti radiativi e non radiativi.

2. Spettroscopia UV-vis

Caratteristiche generali. Trasmittanza, assorbanza, Legge di Beer, sua derivazione. Additività dell’assorbanza. Limitazioni della legge di Beer: limitazioni reali, deviazioni chimiche, deviazioni strumentali. Fotometro e spettrofotometro. Spettrofotometro a raggio singolo, Spettrofotometro a doppio raggio: nello spazio, nel tempo. Sorgenti: a spettro continuo (Tungsteno, deuterio, xenon), a righe (Hg). Selettori di lunghezza d’onda: filtri ad interferenza, monocromatori: a prisma, a reticolo (a gradinata: dispersione angolare, potere risolvente). Trasduttori: detettività e responsività, celle fotovoltaiche, fotocatodi, tubi fotomoltiplicatori, serie di diodi, ad iniezione di carica, a carica accoppiata,

 

3. Spettroscopia infrarossa

Caratteristiche generali. Oscillatore armonico ed anarmonico, momento dipolare di transizione, moti rotazionali e spettri roto-vibrazionali. Modi vibrazionali molecolari. Principali segnali IR: zona gruppi funzionali, zona fingerprint.

Spettrofotometri a dispersione. Spettrofotometri in trasformata di Fourier: Dominio del tempo e dominio delle frequenze, trasformata di Fourier, Interferometro di Michelson. Sorgenti: Globar, Nernst, Tungsteno, Arco di mercurio, Laser. Rivelatori: fotodiodi (fotovoltaici e fotoconduttori), piroelettrici. Caratteristiche spettro IR ed interferenze. Celle per analisi di gas e liquidi. Analisi di solidi. Riflettanza diffusa. Riflettanza totale attenuata. Microscopia. Analisi da remoto.

4. Spettroscopia Raman

Caratteristiche generali. Effetto Raman. Polarizzabilità. Confronto con spettroscopia IR. Intensità segnale Raman. Rapporto di depolarizzazione. Resonance-enhanced Raman Scattering. Surface-enhanced Raman Scattering.

Componenti strumentali: Sorgenti. Spettrometro dispersivo ed in trasformata di Fourier. Microscopia Raman.

5 Metodi elettrochimici

Caratteristiche generali. Cella galvanica. Potenziale elettrodico. Equazione di Nernst. Cella elettrolitica. Potenziale di giunzione, ponte salino. Doppio strato elettrico. Metodi elettroanalitici. Potenziale ohmico. Polarizzazione dell’elettrodo: concentrazione, reazione, adsorbimento, desorbimento, cristallizzazione, trasferimento di carica, trasporto di massa ed equazione di Nernst-Planck, legge di Fick. Potenziometria. Elettrodi di riferimento: standard ad idrogeno, calomelano, Ag/AgCl. Elettrodi indicatori: prima, seconda e terza specie, redox, a membrana. Elettrodo a vetro: cosè il vetro, potenziale di interfase, potenziale di asimmetria, calibrazione, errore alcalino ed acido. Elettrodo a vetro combinato. Potenziometro, errore di carico, inseguitori di tensione. .

 

6 Fluorescenza di Raggi X (XRF):

Principi fondamentali, l’emissione di raggi X, radiazione continua e caratteristica, legge di Moseley, resa di fluorescenza e processi competitivi, regole di selezione, notazione di Siegbahn e notazione IUPAC. Interazione dei raggi X con la materia. Attenuazione dei raggi X. Assorbimento dei raggi X.

Componenti strumentali: a) filtri e monocromatori, b) sorgenti di raggi X: tubo a raggi X, tubo ad anodo rotante, sorgenti a radioisotopi, luce di sincrotrone, c) rivelatori: a riempimento gassoso, a scintillazione, in stato solido, d) selettore di ampiezza degli impulsi. Spettroscopia di fluorescenza di raggi X a dispersione di energia (EDXRF). Spettroscopia di fluorescenza di raggi X a dispersione di lunghezza d’onda (WDXRF). Cenni: scanning electron microscope EDS/WDS, Particle induced x-ray emission (PIXE), Total reflection XRF (TR-XRF).

Analisi quantitativa: Effetti matrice e loro correzione, correzione ZAF.

Esempi di applicazione dei metodi analitici basati sulla fluorescenza di raggi X.

7 Laser

Proprietà radiazioni Laser. Emissione spontanea e stimolata. Popolazione degli stati ed inversione della popolazione. Cavità risonante.Laser in stato solido: Laser al Rubino, Laser Nd:YAG. Laser gassosi: Laser He-Ne, Laser Ar+, Laser ad eccimeri. Laser a coloranti.

8 Statistica delle misure ripetute

Errore assoluto e relativo. Tipi di errori. Accuratezza e precisione. Statistica descrittiva: Istogrammi, Parametri di posizione, media , moda, mediana, quartili. Parametri di
dispersione: varianza, deviazione standard, errore standard, deviazione standard relativa, campo di variazione, scarto interquartile. Skewness, Kurtosis. Distribuzioni di probabilità.
Distribuzione binomiale. Distribuzione Poisson, Distribuzione Normale, Distribuzione Normale standardizzata, Distribuzione di Student, Distribuzione del χ2, Distribuzione di
Fisher-Snedecor. Inferenza Statistica. Teoria delle stime, Distribuzione media campionaria, distribuzione varianza campionaria. Teorema del limite centrale. Intervallo di confidenza per
la media e per la varianza e per la differenza tra due medie. Test di verifica di ipotesi. Cifre significative. Correlazione tra variabili, covarianza, coefficiente di correlazione. Regressione lineare: metodo dei minimi quadrati, deviazione standard della regressione, della pendenza, dell’intercetta e dei valori dedotti dalla retta, bontà dell’adattamento, coefficiente di determinazione. Effetto matrice, recupero, metodo delle aggiunte standard. Sensibilità. Limite di rivelazione e di quantificazione.

 

Esperienze di laboratorio:

Costruzione di un fotometro per misure di assorbanza:

Circuiti stampati. Simboli per componenti elettronici. Legge di Ohm, legge di Kirchhoff, partitore di tensione e partitore di corrente. Resistenze e relative convenzioni. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci, droganti p ed n. Diodi: polarizzazione diretta ed inversa. Light emitting diode(LED). Fotoresistenze. Amplificatori operazionali: dispositivi a comparazione, inseguitori di tensione, amplificatori operazionali invertenti.

Determinazione spettrofotometrica del ferro mediante 1,10 fenantrolina

Titolazioni potenziometriche di: Acido fosforico. Determinazione del contenuto di acido fosforico nella Coca-cola per via potenziometrica.



Testi di riferimento

-Appunti di lezione.

-Skoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises.

-Maria Garetto, "STATISTICA Lezioni ed esercizi". QUADERNI DIDATTICI del Dipartimento di Matematica. Università di Torino.


Altro materiale didattico

Dispense, presentazioni ppt, e altro materiale fornito dal docente. Il materiale verrà reso disponibile tramite la piattaforma Studium (http://studium.unict.it/dokeos/2021/go_course.php?cidReq=21659)



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1SpettroscopiaSkoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises 
2Spettroscopia UV-visSkoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises.  
3Spettroscopia infrarossaSkoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises. 
4Spettroscopia RamanSkoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises. 
5Metodi elettrochimiciSkoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises. 
6Fluorescenza di Raggi X Skoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises. 
7LaserSkoog, Leary, “Chimica Analitica Strumentale”, Edises. 
8StatisticaMaria Garetto, "STATISTICA Lezioni ed esercizi". QUADERNI DIDATTICI del Dipartimento di Matematica. Università di Torino. 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Colloquio orale e valutazione delle relazioni relative alle prove di laboratorio.

-Prova orale: discussione orale della durata necessaria ad accertare il livello di conoscenza perseguito dallo studente sugli argomenti affrontati durante le lezioni frontali e sulle tecniche analitiche utilizzate durante le esperienze di laboratorio. Verrà verificata inoltre la capacità dello studente ad esporre i contenuti teorici con un linguaggio scientifico appropriato e il senso critico acquisito nell'affrontare problematiche di carattere applicativo;

-Relazioni di laboratorio: ogni studente dovrà fornire un elaborato scritto contenente la procedura sperimentale seguita, i risultati ottenuti e la loro rielaborazione.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

-Amplificatori operazionali e principali modalità operative

-Distinzione tra energia ed intensità di una radiazione elettromagnetica

-Selezione delle sorgenti utilizzate per la spettroscopia Raman

-Come può ricavarsi la relazione matematica per il calcolo di un intervallo di confidenza di un parametro di una popolazione




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