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ANALISI INORGANICA E ELETTROCHIMICA CON LABORATORIO

Oggetto:

Inorganic analysis and electrochemistry with laboratory

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Anno accademico 2016/2017

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
Caratterizzante
Crediti/Valenza
10
SSD dell'attività didattica
CHIM/01 - chimica analitica
CHIM/03 - chimica generale e inorganica
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Matematica di base
Fondamenti di chimica analitica
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

L’insegnamento, 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.

The teaching, consisting of lectures and practical exercises, has two objectives: a) to provide the knowledge and train the ability to choose between sophisticated instrumental analysis techniques applied to the determination of inorganic components, up to the level of ultratrace in complex matrixes (e.g. air, water, soil); b) to provide a solid cultural about fundamentals, properties and applications of electrochemistry, such as the conversion light/energy.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Al termine dell’insegnamento, 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.

At the end of the teaching students will have to demonstrate to have a good command of the most important inorganic analysis and electrochemical techniques, criticism knowledge about how to choose the most appropriate techniques to solve analytical problems and apply them in autonomy, increased manual and interpretive skills in laboratory, paying a special attention to environmental applications.

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Modalità di insegnamento

La presenza alle lezioni frontali è facoltativa mentre al laboratorio ed alle esercitazioni è obbligatoria.

Attendance at lectures is optional; it is compulsory during laboratory and exercises.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La valutazione (in trentesimi) viene effettuata mediante esame orale. Per accedere all’esame è richiesta una relazione per l’attività di laboratorio relativa al modulo 1.

The evaluation is obtained by oral examination. To access at the exam a report, prepared for activity carried in the laboratory for module 1, is requested.

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Programma

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 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-, GC-, LC-).

-        Metodi chemiometrici: generalità e finalità. Pretrattamento dei dati: dati mancanti, trasformazione delle variabili, scalatura dei dati. Metodi chemiometrici di visualizzazione: Analisi dei Componenti Principali (PCA), Analisi a Cluster (CA), Analisi dei Fattori (FA). Metodi chemiometrici di validazione: Leave-one-out, Leave-more-out, Training/Evaluation Splitting, Bootstrap. Metodi chemiometrici di classificazione: k-nearest neighbours (K-NN), Soft Indipendent Models of Class Analogy (SIMCA), Analisi Discriminante Fattoriale (FDA).

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 dell’ambiente: Elettrochemiluminescenza (OLED), celle solari classiche e di terza generazione (DSSC), cenni alle celle “tandem” ed alla riduzione della CO2.

Modulo 3. Tecniche Elettroanalitiche: Teoria ed Applicazioni

-        Breve introduzione sui fondamenti dell’elettroanalisi. 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; 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.

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).

-        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-, GC-, LC-).

-        Chemometrics: generality and finality. Pretreatment of data: missing data, transformation of the variables, data scaling. Unsupervised chemometric methods: Principal Component Analysis (PCA), Cluster Analysis (CA), Factor Analysis (FA). Supervised chemometric methods for validation: Leave-one-out, Leave-more-out, Training/Evaluation Splitting, Bootstrap. Supervised chemometric methods for classification: k-nearest neighbours (K-NN), Soft Indipendent Models of Class Analogy (SIMCA), Factorial Discriminant Analysis (FDA).

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.

Module 3. Electroanalytical Techniques: Theory and Applications

-        Short introduction on the fundamentals of electroanalysis. 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; 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.

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. Einax; H.W. Zwanziger; J.W. Einax; S. Geiβ; S. Geiss, "Chemometrics in Environmental Analysis" Vch Verlagsgesellschaft Mbh, Weinheim, Germany.

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.

Modulo 3

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).

Infine sono di seguito indicati siti internet di interesse:

http://www3.interscience.wiley.com/journal/26571/home. E’ il sito di “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.

Recommended basic texts for the course are:

Module 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. Einax; H.W. Zwanziger; J.W. Einax; S. Geiβ; S. Geiss, "Chemometrics in Environmental Analysis" Vch Verlagsgesellschaft Mbh, Weinheim, Germany.

Module 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.

Module 3

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).

 

Indeed interesting internet sites to look for in-depth study are:

http://www3.interscience.wiley.com/journal/26571/home. It is the site of “Electroanalysis”, one of the most prestigious journals in the field of electroanalysis http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/504104/description#description. It is the site of the journal “Sensors and Actuators. B. Chemistry”

http://lem.ch.unito.it/chemistry/esp_manual.html. It is the link to the electrochemical simulator

http://www.liv.ac.uk/chemistry/links/links.html. It is the site of the University of Liverpool, which reports several links to sites dealing with the techniques treated in the course



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Ultimo aggiornamento: 13/06/2016 12:10
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