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Percorso della pagina
  1. Area di Scienze
  2. Corso di Laurea Triennale
  3. Scienza dei Materiali [E2701Q]
  4. Insegnamenti
  5. A.A. 2020-2021
  6. 3° anno
  1. Chimica dei Materiali Ceramici
  2. Introduzione
Insegnamento Titolo del corso
Chimica dei Materiali Ceramici
Codice identificativo del corso
2021-3-E2701Q044
Descrizione del corso SYLLABUS

Syllabus del corso

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Obiettivi

Introdurre lo studente alla sintesi e alle proprietà chimico-fisiche dei materiali ceramici (ossidi, solfuri, carburi, ecc.), alla teoria del campo cristallino e alla struttura elettronica degli ossidi dei metalli di transizione.

Nel periodo di emergenza Covid-19 le lezioni si svolgeranno da remoto asincrono con eventi in videoconferenza sincrona

Contenuti sintetici

Il corso descrive la classe dei materiali ceramici (ossidi, solfuri, carburi, ecc.). Vengono richiamate nozioni di struttura cristallina e fornite informazioni sulla sintesi dei materiali ceramici in forma di cristalli singoli, policristalli, strutture amorfe, film sottili, fibre, materiali microporosi. Vengono descritte tecniche di sintesi diretta allo stato solido, sintesi in soluzione (sol-gel, precipitazione, sintesi idrotermale), sintesi da precursori gassosi (deposizione da vapore chimico, ecc. ).

La seconda parte è dedicata alle proprietà dei materiali ceramici: proprietà termiche e meccaniche, comportamento elettrico, proprietà magnetiche e ottiche. Vengono infine descritte alcune importanti  classi di materiali inorganici: materiali a bassa dimensionalità (fenomeni di intercalazione), zeoliti e materiali porosi, ossidi e solfuri per applicazioni catalitiche, vetri, cementi, ceramici biocompatibili.

La terza parte è dedicata agli ossidi dei metalli di transizione. Dopo una analisi del legame ionico, il corso introduce la teoria del campo cristallino. Vengono poi descritte le teorie avanzate del legame negli ossidi dei metalli di transizione (modello di Mott-Hubbard, isolanti magnetici, ossidi metallici, ecc.) La natura del gap negli ossidi dei metalli di transizione viene analizzata con l’utilizzo di dati spettroscopici. Vengono descritte situazioni di difettività e non-stechiometria negli ossidi.


Programma esteso

PARTE PRIMA

1. Strutture cristalline di solidi inorganici 

1.1 Strutture di solidi inorganici (Strutture tipo cloruro di sodio (NaCl), sfalerite (ZnS), fluorite (CaF2) e antifluorite (Na2O) - Struttura del diamante - Struttura della wurzite (ZnS) e arseniuro di nichel (NiAs) - La struttura del cloruro di cesio (CsCl) - Altre strutture AX - Strutture del rutilo (TiO2), ioduro di cadmio (CdI2) e cloruro di cadmio (CdCl2) - La struttura delle perovskiti (SrTiO3) - Le strutture del triossido di renio (ReO3) e dei bronzi di tungsteno - La struttura degli spinelli - La struttura dei silicati)

1.2 Rapporto tra raggi ionici e strutture cristalline

2. Sintesi di materiali inorganici allo stato solido

2.1 Introduzione

2.2 Sintesi di cristalli singoli (Il metodo Bridgman - Il metodo dello stiramento - Il metodo Verneuil - Il metodo della zona fluttuante Cristallizzazione da soluzione acquosa - Sintesi idrotermale)

2.3 Sintesi di materiali policristallini e in polvere (Reazioni a stato solido - Reazioni di combinazione diretta - Soluzioni solide - Reazioni solido-gas e solido-liquido - Reazioni di evaporazione - Reazioni di ossidazione - Reazioni di decomposizione termica - Deposizione da vapore chimico - Trasporto di vapore chimico - Reazioni in fase liquida - Il metodo sol-gel - Precipitazione - Precipitazione con templati (sintesi di zeoliti) - Il metodo a spruzzo-essiccamento - Il metodo di essiccamento-congelamento)

2.4 Sintesi di film sottili (Metodi in fase gassosa - Deposizione da vapore chimico, CVD - Il metodo della reazione del substrato - Il metodo della pirolisi a spruzzo - Il metodo della evaporazione in vuoto - Il metodo di deposizione a spruzzo - Impiantamento ionico - Metodi in fase liquida - Metodo sol-gel - Epitassia da fase liquida - Epitassia da sali fusi - Metodi in fase solida)

2.5 Sintesi di fibre (Fibre di vetro - Fibre ottiche)

2.6 Produzione di materiali vetrosi       

3. Proprietà chimico-fisiche di materiali ceramici

3.1 Proprietà termiche (Punto di fusione - Conducibilità termica - Espansione termica)

3.2 Proprietà elettriche (Isolanti elettrici - Ferroelettricità - Piroelettricità - Piezoelettricità - Superconduttori ceramici)

3.3 Proprietà magnetiche (Composti ferromagnetici: CrO2 - Composti antiferromagnetici: ossidi di metalli di transizione - Composti ferrimagnetici: le ferriti (spinelli))

3.4 Proprietà ottiche (Fibre ottiche - Commutatori ottici - Materiali per ottica non lineare - Luminescenza e fosfori - Il laser)

3.5 Proprietà meccaniche (Deformazione e frattura – Durezza - Resistenza alla alte temperature (refrattari))

4. Solidi a bassa dimensionalità

4.1 Solidi mono-dimensionali (Composti di platino a catena)

4.2 Solidi bidimensionali: composti di intercalazione (Il meccanismo di intercalazione - Sintesi di composti di intercalazione - Intercalati di dicalcogenuri metallici - Intercalati di ossoalogenuri metallici - Intercalati di ossidi metallici Intercalati di grafite - Silicati lamellari e argille)

4.3 Nanotubi inorganici di materiali lamellari

5. Zeoliti

5.1 Struttura e composizione

5.2 Struttura da misure NMR

5.3 Uso delle zeoliti (Agenti deidratanti - Zeoliti come scambiatori di ioni - Zeoliti come adsorbenti - Zeoliti come catalizzatori)

6. Materiali per catalisi

6.1 Il ciclo catalitico

6.2 Attività e selettività

6.3 Siti attivi

6.4 Esempi di catalisi eterogenea (Catalisi di idrogenazione - La sintesi dell'ammoniaca - Catalisi asimmetrica - Catalisi acido-base - Catalisi di ossidazione)

6.5 Materiali per catalisi (Ossidi - Solfuri - Metalli supportati)

7. Vetri

7.1 Produzione e lavorazione dei vetri (Produzione di contenitori in vetro - Lastre di vetro - Tubi di vetro - Fibre di vetro)

7.2 Struttura di vetri e silicati

7.3 Proprietà chimiche e fisiche dei vetri

7.4 Proprietà meccaniche

8. Cementi

8.1 Leganti aerei e leganti idraulici

8.2 Cenni storici

8.3 Cementi Portland e le principali fasi costituenti (Nomenclatura nella chimica dei cementi e abbreviazioni - Metodo di preparazione - Formazione del clinker - Alite: polimorfismo - Belite: polimorfismo - La fase alluminatica)

8.4 Idratazione delle fasi del clinker (Idratazione del C3S: calorimetria - Strutture proposte del silicato di calcio idrato - Idratazione del C3A)

8.5 Proprietà fisiche e meccaniche (Cementi Portrland speciali)

8.6 Cementi alluminosi

8.7 Stabilità alle acque degli idrati (Cementi Protrland - Cemento alluminoso)

8.8 Additivi per cementi

8.9 Risonanza magnetica dello stato solido applicata ai cementi (Bassa risoluzione – Alta risoluzione – 29Si NMR dei silicati e dei cementi)

9. Ceramici biocompatibili

9.1  Materiali inorganici biogeni

9.2 Classificazione dei ceramici biocompatibili

9.3 Proprietà meccaniche e biocompatibilità

9.4 Materiali biologici

9.5 Bioceramici: classificazione per composizione

9.6 Bioceramici: classificazione per applicazione


PARTE SECONDA

1. Legame nei solidi inorganici

1.1 Il legame ionico (Energia reticolare di cristalli ionici - Il ciclo di Born-Haber - I composti ionici puri esistono realmente?)

1.2 Carattere covalente in solidi ionici (Legame covalente polare nei solidi)

1.3 Teoria del campo cristallino (Energia di stabilizzazione in campo cristallino - Campo cristallino in simmetria tetraedrica - L’energia di accoppiamento degli elettroni, P - Fattori che influenzano la separazione 10Dq - Conseguenze della stabilizzazione da campo cristallino - La stabilizzazione da campo cristallino e la struttura degli spinelli - Distorsione tetragonale e effetto Jahn-Teller - La coordinazione quadrato planare - Campi cristallini in altre simmetrie - L’effetto nefelauxetico)

1.4 La teoria dell’orbitale molecolare

1.5 Spettri a trasferimento di carica

2. Spettroscopie di stato solido

2.1 Introduzione

2.2 Spettroscopie vibrazionali: IR e Raman

2.3 Spettroscopia visibile e ultravioletta

2.4 Risonanza magnetica nucleare

2.5 Risonanza di spin elettronico

2.6 Spettroscopie a raggi-X: XRF, AEFS, EXAFS (Tecniche di emissione - Tecniche di assorbimento - AEFS - EXAFS)

2.7 Spettroscopie elettroniche: ESCA, XPS, UPS, AES, EELS

3. Ossidi dei metalli di transizione

3.1 Il modello a bande

3.2 Il modello di Hubbard (La U di Hubbard e i lantanidi - Il modello di Hubbard applicato ai composti dei metalli di transizione)

3.3 Ossidi isolanti (Eccitoni - Composti d0 -Altri ossidi di metalli di transizione a guscio chiuso)

3.4 Composti a valenza mista

3.5 Impurezze di metalli di transizione (Il laser a rubino - Interazione tra impurezze magnetiche)

3.6 Isolanti magnetici (Ordinamento magnetico di elettroni localizzati)

3.7 Ossidi metallici (Transizione metallo/non metallo)

3.8 Solfuri di metalli di transizione

3.9 Oltre i modelli empirici (La struttura di NiO: confronto HF-DFT - Il metodo dell’interazione di configurazione)

4. Difetti e non-stechiometria

4.1 Difetti negli ossidi

4.2 Composti non-stechiometrici (La wustite - Biossido di uranio - Il monossido di titanio - Proprietà elettroniche di ossidi non-stechiometrici)

4.3 Conducibilità ionica nei solidi

Prerequisiti

Conoscenze di base della chimica generale inorganica; strutture cristalline

 


Modalità didattica

Lezioni frontali

Materiale didattico

Libro di testo:

P. A. Cox “Transition metal oxides”, Oxford.

G. Pacchioni “Dispense del corso”.


Periodo di erogazione dell'insegnamento

Primo semestre

Modalità di verifica del profitto e valutazione

Esame orale. L'esame verte sui concetti fondamentali del corso: sintesi di materiali ceramici, loro struttura, proprietà chimico-fisiche, struttura elettronica di ossidi, teoria del campo cristallino, applicazioni (ferroelettrici, materiali a bassa dimensionalità, zeoliti, catalisi, vetri e cementi, materiali ceramici biocompatibili)

Nel periodo di emergenza Covid-19 gli esami orali saranno solo telematici. Verranno svolti utilizzando la piattaforma WebEx e nella pagina e-learning dell'insegnamento verrà riportato un link pubblico per l'accesso all'esame di possibili spettatori virtuali

Orario di ricevimento

sempre previo appuntamento

Esporta

Aims

Familiarize the student with the synthesis and chemical properties of ceramic materials (oxides, sulphide, carbides, etc.), crystal field theory, and the electronic structure of transition metal oxides.

 


Contents

The course describes the class of ceramic materials (oxides, sulfides, carbides). We recall basic notions of crystal structure and give information about the synthesis of materials in form of single crystals, polycrystalline phases, amorphous structures, thin film, fibers, microporous materials. We describe techniques of direct solid state synthesis, synthesis in solution (sol-gel, precipitation, hydrothermal synthesis), preparations from gas-phase precursors (chemical vapor deposition, etc.).

The second part deals with the properties of ceramic materials: thermal properties, mechanical properties, electrical behavior, magnetic and optical properties. Various classes of inorganic materials of particular applicative importance are then presented: low-dimensional systems (intercalation phenomena), zeolites and porous materials, oxides and sulfides for catalytic applications, glasses, cements, biocompatible inorganic materials.

The third part is dealing with the properties of transition metal oxides. After an analysis of the ionic bonding, Born-Haber cycle, etc., the course introduces the crystal field theory. Then advanced theories of bonding in transition metal oxides are described (Mott-Hubbard model, magnetic insulators, metallic oxides, etc.). The nature of the band gap in transition metal oxides is analyzed with the help of spectroscopic data. Defects and non-stoichiometric materials are also described.


Detailed program

Prerequisites

Basic knowledge of general and inorganic chemistry; crystal structures


Teaching form

Lectures in classroom

Textbook and teaching resource

Textbook:

P. A. Cox “Transition metal oxides”, Oxford.

G. Pacchioni “Dispense del corso”.


Semester

First semester

Assessment method

Oral exam. The exam is based on the fundamental concepts of the course: synthesis of ceramic materials, their structure, physico-chemical properties, electronic structure of oxides, crystal field theory, applications (ferroelectrics, low-dimensional materials, zeolites, catalysis, glasses and cements, biocompatible materials).



Office hours

any time by appointment

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Scheda del corso

Settore disciplinare
CHIM/03
CFU
8
Periodo
Primo Semestre
Tipo di attività
Obbligatorio
Ore
56
Tipologia CdS
Laurea Triennale

Staff

    Docente

  • Gianfranco Pacchioni
    Gianfranco Pacchioni

Opinione studenti

Vedi valutazione del precedente anno accademico

Bibliografia

Trova i libri per questo corso nella Biblioteca di Ateneo

Metodi di iscrizione

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