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.

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 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. Operazioni ed elementi di simmetria . Notazione di Schönflies e notazione cristallografica di Hermann-Mauguin. I gruppi puntuali di interesse cristallografico. I gruppi cristallografici in 2D. Elementi di simmetria traslazionale. Gruppi del piano. Traslazioni in 3D e gruppi spaziali . Unità asimmetrica, motivo di ripetizione e struttura cristallografica.

Direzioni e piani reticolari. Indici di Miller.

Principali strutture dei materiali . Reticoli cristallini e impaccamenti di sfere. Impaccamenti compatti e non compatti. Poliedri di coordinazione e sistemi interstiziali in impaccamenti di sfere.

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. Software per la descrizione della struttura dei materiali (VESTA, Mercury).

 

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. Sintesi 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.

Deposizioni fisiche di film. Evaporazione e sputtering

 

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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. Reazioni di intercalazione della grafite e del TiS2. Materiali per batterie a ioni litio.

 

LABORATORIO (2 CFU)

1) Esercitazioni su strutture dei materiali: uso del programma VESTA

2) 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.

3) Sintesi da soluzione di particelle magnetiche. Sintesi di nanoparticelle magnetiche di Fe3O4 e separazione magnetica dall’ambiente di reazione. Caratterizzazione XRD.

4) Sintesi da sali fusi. Sintesi di La2Hf2O7

5) Sintesi da soluzione di Metal-Organic Framework (MOF) per applicazioni ambientali. Sintesi dello ZIF-8 . Caratterizzazione FTIR. Test di assorbimento di contaminanti organici

6) Caratterizzazione FTIR di Si monocristallino. Determinazione quantitativa dell’ossigeno interstiziale nel Si(100) CZ.

7) Preparazione di film mediante Sputtering. Sputtering mediante plasma DC di strati di Au.



Testi di riferimento

  1. Slides delle lezioni disponibili sul sito: http://studium.unict.it/
  2. Anthony R. West, Solid State Chemistry and its Applications, second edition Wiley, 2014 oppure A. R. West ”Basic Solid State Chemistry and its Applications “ Wiley, 2012
  3. C. Hammond “Introduzione alla cristallografia” Zanichelli, 1994
  4. D. E. Sands “Introduction to Crystallography” Dover Publication 1993

Altro materiale didattico

Slides su: http://studium.unict.it/



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Reticoli cristallini in 2 e 3 dimensioniSlides delle lezioni; testo 3, capitoli 2 e 3; testo 4 capitolo1 
2SimmetriaSlides delle lezioni, testo3 capitolo 4; testo 4, capitolo 2 
3Direzioni e piani reticolariSlides delle lezioni testo 3, capitolo 5 
4Impaccamenti di sfere e reticoli cristallinislides delle lezioni; testo 3, capitolo 1; testo 4, capitolo 7 
5Principali strutture cristallineslides delle lezioni; testo 2 capitolo 1;testo 3 capitolo 1; testo 4, capitolo 7 
6Reazioni allo stato solidoslides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 
7Sintesi da liquidoslides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 
8Crescita di cristalli singolislides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 
9Trasporto da fase vaporeslides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 
10Metodi PVD: evaporazioneslides delle lezioni 
11Metodi PVD: sputteringslides delle lezioni 
12Proprietà magnetiche dei materialislides delle lezioni; testo 2, capitolo 9 
13Materiali magnetici e loro applicazionislides delle lezioni: testo 2, capitolo 9 
14Nanomagneti e magneti molecolarislides delle lezioni 
15Composti intercalari e sistemi a strutture aperteslides delle lezioni; testo 2, capitolo 4 
16Leghe metalliche. Regole di solubilità e acciaislides delle lezioni 
17Leghe superelastiche e a memoria di formaslides delle lezioni 
18Esperienze di laboratorioslides 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.




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