Corso di laurea magistrale in Chimica dell'Ambiente

Per poter frequentare in maniera proficua l’insegnamento sono necessarie le conoscenze della Chimica Generale ed Inorganica e della Chimica Fisica, che si intendono acquisite durante un corso di Laurea triennale in Chimica e Tecnologie Chimiche o in Scienza dei Materiali. In particolare, si consiglia di avere chiari i concetti legati a struttura dell’atomo, struttura molecolare, legami chimici, livelli elettronici, livelli vibrazionali, livelli rotazionali, stato solido della materia.

Lavoro di tesi

In coerenza con gli obiettivi formativi del Corso di Studi in Chimica dell’Ambiente e con le possibili figure professionali descritte nella Scheda SUA-CdS, l’insegnamento si pone l'obiettivo di sviluppare competenze per poter analizzare sistemi complessi, come materiali cristallini e amorfi, porosi e non, sfruttando l'indagine chimico-fisica e per individuare le tecniche sperimentali più appropriate a tale scopo. In particolare, il Corso di Studi si pone l’obiettivo di formare laureati che si distinguano per un’elevata professionalizzazione come chimico su tecniche di misura strumentali sofisticate. In quest’ambito, l’insegnamento permette alle/agli studentesse/studenti di acquisire concetti teorici e pratici alla base delle tecniche sperimentali per la caratterizzazione strutturale e superficiale di materiali di interesse nel campo ambientale.

 

Conoscenza e capacità di comprensione. Al termine dell’insegnamento saranno acquisiti i principi teorici delle tecniche di caratterizzazione, con particolare riferimento alle basi dell'interazione radiazione-materia e la modulazione di tale interazione sulla base dell'energia della radiazione e della natura chimica e fisica del materiale. Lo stesso vale per quel che riguarda l'interazione con elettroni o con molecole. In quest'ultimo caso è fondamentale la comprensione delle basi dei processi di fisi- e chemi-sorzione.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione. L'insegnamento è mirato a fornire le nozioni ed i concetti fondamentali per essere in grado di capire quale tecnica di caratterizzazione utilizzare in funzione della composizione chimica del sistema studiato, del suo stato fisico (gas, solido, liquido e sistema collodiale) e dell'informazione che si desidera ottenere (struttura, composizione, stechiometria, stati di ossidazione e di coordinazione, composizione della superficie e 'tessitura'- area superficiale e porosità).

Autonomia di giudizio. Al termine dell’insegnamento si sarà in grado di valutare le tecniche strumentali più idonee per caratterizzare i materiali dal punto di vista tessiturale, strutturale, morfologico, composizionale e delle proprietà di superficie.

Abilità di comunicazione. L’insegnamento punta a far acquisire una terminologia tecnico-scientifica specifica relativamente alla caratterizzazione avanzata dei materiali, permettendo di affinare la capacità di comunicare le conoscenze in modo adeguato ad interlocutori specialisti e non specialisti.

Capacità di apprendimento. Al termine dell’insegnamento si sarà approfondito l'approccio chimico-fisico alla risoluzione di problemi di caratterizzazione di materiali e si saranno acquisiti strumenti di autovalutazione delle proprie conoscenze/competenze.

L'acquisizione delle conoscenze/competenze e delle capacità/abilità sopra enunciate sarà valutata in sede di esame.

.

 

Introduzione alle tecniche di indagine strutturale e di superficie che sfruttano la radiazione elettromagnetica, gli elettroni e le molecole come sonde. Basi teoriche relative all'interazione radiazione-materia ed elettroni-materia.

TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE CHE SFRUTTANO I RAGGI X. Come vengono prodotti i raggi X: tubi a raggi X e luce di sincrotrone. La diffrazione di raggi X (XRD). Concetti di struttura dei materiali: reticolo cristallino e piani reticolari. Le equazioni di Laue e la legge di Bragg. Tecniche di diffrazione. Informazioni contenute in un pattern di diffrazione.
Scattering di raggi X a basso angolo (SAXS).
La spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS): regione EXAFS (struttura locale intorno a un atomo assorbitore) e XANES (stato di ossidazione e coordinazione). La spettroscopia foto-elettronica a raggi X (XPS): sensibilità allo stato di ossidazione e ai leganti chimici. La fluorescenza a raggi X (XRF).

TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE CHE SFRUTTANO GLI ELETTRONI COME SONDA. La microscopia elettronica a scansione (SEM). La microscopia elettronica in trasmissione (TEM) e ad alta risoluzione (HRTEM). 

TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE CHE SFRUTTANO LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA NEL CAMPO DELL'UV-VIS E DELL'IR. La spettroscopia UV-Vis: modalità di acquisizione degli spettri in trasmittanza, in riflettanza diffusa (DR) e la funzione di Kubelka-Munk. La spettroscopia IR in trasformata di Fourier. La spettroscopia Raman: classica, in risonanza e SERS.

TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE CHE SFRUTTANO LE MOLECOLE COME SONDE. Spettroscopia IR di molecole sonda adsorbite. Tecniche volumetriche per la determinazione di area superficiale e porosità dei materiali.

LABORATORIO ed ESERCITAZIONI:

1) attività in aula propedeutica al laboratorio di SEM

2) laboratorio di SEM 

3) esercitazione con analisi di misure volumetriche, determinazione di area superficiale e distribuzione dei pori

4) laboratorio di spettroscopia IR

5) laboratorio di spettroscopia Raman

6) laboratorio di spettroscopia UV-Vis

 

L'insegnamento consiste in una parte di lezioni frontali in aula (48 ore, 6 CFU) in cui le 2 docenti si alternano, con una base di conoscenze comuni, nel descrivere i principi di funzionamento e le applicazioni delle principali tecniche di caratterizzazione strutturali e di superficie. La logica della programmazione dell'insegnamento è basata sull'energia della 'sonda' (radiazione elettromagnetica, elettrone o molecole) utilizzata per caratterizzare il materiale, in ordine decrescente (a partire dai raggi X fino alla radiazione IR, seguita dall'utilizzo di molecole sonda per caratterizzare un materiale). Sono fornite le basi, con opportuni richiami, dell'interazione radiazione-materia e vengono definiti i concetti di struttura e superficie.

I diversi moduli sono così suddivisi:

- Introduzione sull'interazione radiazione elettromagnetica/materia; tecniche basate su radiazione X: Morandi

- Tecniche basate sull'interazione elettroni/materia (teoria e laboratorio): Morandi

- Spettroscopia UV-Vis (teoria e laboratorio): Bonino

- Spettroscopia IR (teoria e laboratorio): Morandi

- Spettroscopia Raman (teoria e laboratorio): Bonino

- Tecnica gas volumetrica per la determinazione delle proprietà tessiturali (teoria ed esercitazione): Bonino

L'approccio è spesso pragmatico, ovvero si cerca di fornire una panoramica sulle principali tecniche, sui loro vantaggi, limitazioni e applicabilità alle diverse classi di sistemi chimici.

La lezioni in aula sono affiancate da attività in laboratorio (32 ore, 2 CFU) svolte a gruppi di 5-6 persone. In questa parte di didattica interattiva, alcune delle strumentazioni abitualmente usate per la caratterizzazione di materiali vengono illustrate direttamente nei laboratori di ricerca: spettrofotometri FT-IR, Raman, UV-Vis in riflettanza diffusa e con strumenti a fibra ottica, microscopia SEM. Il laboratorio include il commento ed elaborazione dei dati acquisiti e l'analisi dei dati gas-volumetrici mediante apposito software.

Frequenza: non obbligatoria per le lezioni, obbligatoria per i laboratori (frequenza di almeno 5 attività laboratoriali su 6).

Prova orale. Valutazione in trentesimi.

L'interrogazione orale verterà su:

1) una presentazione PowerPoint di 10 minuti a testa su un argomento a scelta tra quelli approfonditi in laboratorio, raggruppandosi in gruppi di 2-4 persone. Si tratta quindi di una presentazione complessiva di 20-40 minuti, a seconda della numerosità del gruppo, in cui vengono in parte approfonditi gli aspetti teorici della tecnica e in parte riportati/analizzati/discussi i dati sperimentali riportati in letteratura su un argomento a scelta. Si raccomanda il rispetto dei tempi, che verrà considerato nella valutazione finale;

2) le docenti, prendendo spunto dalla presentazione, verificheranno concetti e nozioni discussi. E' richiesta la conoscenza di tutti gli argomenti spiegati a lezione, in quanto le docenti formuleranno domande su uno qualunque degli argomenti non toccati dalla presentazione.

Le domande sono principalmente mirate a verificare la comprensione delle basi teoriche e dell'applicabilità delle tecniche. Per quel che riguarda l'applicabilità (vantaggi, svantaggi, limiti e potenzialità) le domande poste all'esame hanno un approccio prevalentemente pragmatico; si mira, cioè, a far riflettere su quali siano le tecniche più utili a seconda del problema analitico da risolvere e del materiale (es. caratterizzazione di una superficie su cui siano presenti inquinanti, determinazione della composizione elementale o formula chimica, stato di ossidazione, fasi cristalline, ecc.). Tale conoscenza si basa ovviamente su una comprensione delle basi chimico-fisiche delle diverse tecniche.

Parametri di valutazione generali: capacità di organizzare in maniera discorsiva la conoscenza; capacità di ragionamento critico sullo studio realizzato; qualità dell'esposizione; competenza nell'impiego del lessico specialistico, efficacia, linearità.

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile su Campusnet. E' possibile chiedere direttamente al docente per eventuali approfondimenti.

Gli/le studenti/esse con DSA o disabilità sono pregati di prendere visione delle modalità di supporto (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disabilita) e di accoglienza (https://www.unito.it/accoglienza-studenti-con-disabilita-e-dsa) di Ateneo, ed in particolare delle procedure necessarie per il supporto in sede d’esame  (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disturbi-specifici-di-apprendimento-dsa/supporto).

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile su Campusnet. E' possibile chiedere direttamente al docente per eventuali approfondimenti.