ANALISI INORGANICA E ELETTROCHIMICA CON LABORATORIO

Oggetto:

ANALISI INORGANICA E ELETTROCHIMICA CON LABORATORIO

Oggetto:

Inorganic analysis and electrochemistry

Oggetto:

Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica

MFN0261

Docenti

Dott. Mery Malandrino (Titolare del corso)
Prof. Carlo Nervi (Titolare del corso)

Corso di studi

Laurea Magistrale in Chimica dell'Ambiente D.M. 270 (1° anno)

Anno

1° anno

Tipologia

Di base

Crediti/Valenza

Lingua di insegnamento

Italiano

Tipologia d'esame

Orale

Prerequisiti

Matematica di base
Fondamenti di chimica analitica

Oggetto:

Obiettivi formativi

Il corso, articolato in lezioni teoriche ed esercitazioni pratiche, si pone un duplice obiettivo: a) fornire le conoscenze e formare le capacità di scelta tra tecniche di analisi strumentali sofisticate applicate per la determinazione di componenti inorganici, fino a livello di ultratraccia, in matrici complesse (es. aria, acqua, suolo), tra cui spettrometria di massa atomica, metodi elettroanalitici classici e sensori avanzati; b) fornire una solida preparazione culturale sui fondamenti, le proprietà e le applicazioni dell’elettrochimica, come ad esempio la conversione luce/energia. Gli studenti dovranno padroneggiare le più importanti tecniche elettrochimiche e di analisi inorganica, saper scegliere criticamente le tecniche più opportune per la risoluzione di problemi analitici ed applicarle in autonomia, ampliare la manualità di laboratorio e le capacità interpretative, ponendo particolare attenzione alle applicazioni ambientali.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

Prova orale

Oggetto:

Modulo 1. Tecniche di Analisi Inorganiche: Teoria ed Applicazioni - Trattamento e preparazione del campione: trattamenti fisici; procedure di attacco per via umida, per fusione e volatilizzazione. Modalità di esecuzione di analisi a livello di traccia ed ultratraccia; problemi di contaminazione e metodi per eliminarli; limite di rilevabilità. Tecniche di frazionamento (ad es. Tessier e BCR). - Metodi di spettroscopia ionica: spettroscopia di Rutherford (principi ed applicazioni); spettroscopia di Mössbauer (principi ed applicazioni). - Metodi di spettrometria di massa atomica: spettrometria di massa con sorgente a plasma accoppiato induttivamente, ICP-MS (principi ed applicazioni; analizzatore a quadrupolo e ad alta risoluzione; interferenze spettrali e di matrice; accoppiamenti con LA-, FI-, GC-, LC-); cenni sulla spettrometria di massa con sorgente a scintilla (SSMS) e spettrometria di massa con acceleratore (AMS). - Metodi radiochimici: principi e strumentazione; analisi per attivazione neutronica, NAA (principi ed applicazioni); diluizione isotopica, ID (principi ed applicazioni). - Risonanza Paramagnetica Elettronica (EPR): principi ed applicazioni. - Analisi per Iniezione in Flusso (FIA): teoria, strumentazione ed applicazioni nelle diverse tecniche analitiche.
Modulo 2. Tecniche Elettrochimiche: Teoria ed Applicazioni - Concetti di base delle tecniche elettrochimiche (come preparare una misura in soluzione, varie tipi di elettrodi di lavoro, counter e riferimento, e strumentazione). Trasporto di materia in soluzione e teoria dei processi elettrochimici, equazione di Nernst, concetto cinetico del trasferimento eterogeneo di elettroni, ed equazione di Butler-Volmer. Reazioni chimiche omogenee associate, modifica del responso voltammetrico e studio di specie chimiche reattive all’elettrodo. Reversibilità/irreversibilità elettrochimica e chimica e meccanismi elettrochimici. - Panoramica delle tecniche elettrochimiche (Cronoamperometria, polarografia, voltammetria ciclica, onda quadra), con l’impiego della “Digital Simulation” (simulazione al calcolatore), con il duplice scopo a) didattico (aiuta a comprendere intimamente i concetti e le equazioni e a trasferirli al dato sperimentale), e b) di ricerca (convalida i meccanismi elettrochimici, estraendo i parametri termodinamici e cinetici). - Cenni alle tecniche basate sul concetto di impedenza. - Applicazioni nel campo del risparmio energetico, sviluppo sostenibile e razionale sfruttamento delle risorse delll’ambiente: Elettrochemiluminescenza (OLED), celle solari classiche e di terza generazione (DSSC), cenni alle celle “tandem”, ed alla riduzione della CO2. - Metodi di analisi a potenziale controllato. Relazione tra la modalità di scansione del potenziale (lineare, ad impulsi, a corrente alternata sovraimposta, ad onda quadra) e voltammogramma risultante: aspetti matematici e chimici. - Criteri di scelta delle condizioni operative e modalità pratiche di esecuzione di analisi voltammetriche; applicazioni a sistemi reali (campioni di interesse ambientale ed altri). - Altri metodi elettroanalitici classici: tecniche a corrente costante; metodi spettroelettrochimici; elettrogravimetria e coulombometria (approfondimenti). - Sensori: caratteristiche generali. Sensori potenziometrici (es. ISE, ISFET); sensori voltammetrici (es. elettrodi modificati, sensori per gas); sensori conduttimetrici e nasi elettronici; sensori piezoelettrici (es. microbilancia al quarzo); sensori termici (es. catalitici); biosensori. Caratteristiche strutturali (es. screen printed; a semiconduttori). - Utilizzo di sensori in sistemi in flusso. Applicazioni dei sensori nella quotidianità (es. rilevazione di gas e di fumi). Sistemi lab-on-a-chip. - La corrosione: aspetti analitici; metodi di prevenzione. - Cenni sulla registrazione del segnale analitico: segnali analogici e digitali; componenti fondamentali di un circuito digitale. Segnale analitico e rumore.

Module 1. Techniques of Inorganic Analysis: Theory and Applications. - Sample treatment and preparation: physical treatments; procedures of dry and wet ashing, fusion and volatilization. Procedures for analysis at trace and ultra-trace levels; problems of contamination and methods for its removal; detection limit. Fractionation techniques (e.g. Tessier and BCR). - Ion spectroscopy: Rutherford backscattering spectroscopy (principles and applications); Mössbauer spectroscopy (principles and applications). - Atomic mass spectrometry: mass spectrometry with inductively coupled plasma source, ICP-MS (principles and applications; quadrupole and high resolution analyzers; spectral and matrix interferences; hyphenation with LA-, FI-, GC-, LC-); hint on spark source mass spectrometry (SSMS) and accelerator mass spectrometry (AMS). - Metodi radiochimici: generalità e strumentazione; analisi per attivazione neutronica (principi ed applicazioni); diluizione isotopica (principi ed applicazioni). Radiochemical methods: principles and instrumentation; neutron activation analysis, NAA (principles and applications); isotope dilution, ID (principles and applications). Electronic Paramagnetic Resonance, EPR (principles and applications). Flow Injection Analysis (FIA): theory, instrumentation and applications to various analytical techniques. Module 2. Electrochemical Techniques: Theory and Applications - Fundamentals of electrochemical techniques (how to prepare a measurement in solution, various kinds of working, counter and reference electrodes, and instrumentation). Mass transport in solution and theory of electrochemical processes, Nernst equation, kinetic concept of heterogeneous electron transfer, and Butler-Volmer equation. Associated homogeneous chemical reactions, changes of the voltammetric response and investigation of chemical species reactive at the electrode. Chemical and electrochemical reversibility/irreversibility and electrochemical mechanisms. - Overview of electrochemical techniques (chronoamperometry, polarography, cyclic voltammetry, square wave) using "Digital Simulation" (computer simulation) with a double aim for a) didactic (it helps the intimate understanding of concepts and equations and their transfer to the experimental data); and b) research (it validates electrochemical mechanisms, by extracting thermodynamic and kinetic parameters). - Hint on impedance-based techniques. - Applications in the field of energy-saving, sustainable development and rational exploitation of environmental resources: Electrochemiluminescence (OLED), classic and third generation (DSSC) solar cells; hint to tandem cells and to reduction of CO2. - Controlled potential analytical techniques. Relation between potential waveform (linear, pulse, ac, square wave) and resulting voltammogram: mathematical and chemical aspects. - Choice of operating conditions and practical procedures for performing voltammetric analyses; application to real systems (environmental samples and other samples). - Other classical electroanalytical techniques: constant current techniques; spectroelectrochemical techniques; electrogravimetry and coulometry (close examination). - Sensors: general properties. Potentiometric sensors (e.g. ISE, ISFET); voltammetric sensors (e.g. modified electrodes; gas sensors); conductimetric sensors and electronic noses; piezoelectric sensors (e.g. quartz crystal microbalance); thermal sensors (e.g. catalytic sensors). Biosensors. Structural characteristics (e.g. screen printed, semiconductor-base sensors). - Use of sensors in flow systems. Applications of sensors in everyday life (e.g. gas and smoke detection). Lab-on-a-chip systems. - Corrosion: analytical aspects; methods of prevention. - Hint on the recording of the analytical signal: analogic and digital signals; fundamental components of a digital circuit. Analytical signal and noise.

Descrizione

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

I testi base consigliati per il corso sono: Modulo 1 D.A. Skoog, F.J. Holler, S.R. Crouch, Chimica Analitica Strumentale, Edises, Napoli. A. Montaser, “Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry” Wiley-VCH, New York. J.A. Weil, J.R. Bolton, “Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications” John Wiley & Sons, New York. J. Ruicka, E.H. Hansen, “Flow Injection Analysis” John Wiley & Sons, New York. M. Trojanowicz, “Flow Injection Analysis: Instrumentation and Applications” World Scientific, Singapore. Modulo 2 A.J. Bard, L. R. Faulkner, “Electrochemical Methods. Fundamentals and Applications”, Wiley, New York. A. E. Kaifer, M. Gómez-Kaifer, “Supramolecular Electrochemistry“, Wiley-VCH, New York. D. Astruc, “Electron Transfer and Radical Processes in Transition Metal Chemistry“, Wiley-VCH, New York. D.A. Skoog, F.J. Holler, S.R. Crouch, Chimica Analitica Strumentale, Edises, Napoli. D.Diamond, “Chemical and Biological Sensors” Wiley, New York. J. Wang, “Analytical Electrochemistry”, Wiley, New York. F.G. Thomas, G. Henze, “Introduction to Voltammetric Analysis”, CSIRO Publishing, Collingwood (Australia). E’ fortemente consigliato l’utilizzo del seguente materiale per approfondimenti e integrazioni: Infine sono di seguito indicati altri siti internet di interesse: http://www3.interscience.wiley.com/journal/26571/home. E’ il sito della rivista “Electroanalysis”, una delle riviste scientifiche più prestigiose nel campo della chimica elettroanalitica http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/504104/description#description. E' il sito della rivista “Sensors and Actuators. B. Chemistry http://lem.ch.unito.it/chemistry/esp_manual.html É il link del simulatore elettrochimico. http://www.liv.ac.uk/chemistry/links/links.html É il sito dell’Università di Liverpool in cui sono riportate molti collegamenti a siti che trattano le tecniche affrontate nel corso

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