Insegnamento SOLID STATE CHEMISTRY
Nome del corso di laurea | Chimica |
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Codice insegnamento | A000755 |
Curriculum | Comune a tutti i curricula |
Docente responsabile | Riccardo Vivani |
Docenti |
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Ore |
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CFU | 6 |
Regolamento | Coorte 2020 |
Erogato | Erogato nel 2022/23 |
Erogato altro regolamento | |
Attività | Affine/integrativa |
Ambito | Attività formative affini o integrative |
Settore | CHIM/03 |
Anno | 3 |
Periodo | Secondo Semestre |
Tipo insegnamento | Opzionale (Optional) |
Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
Lingua insegnamento | INGLESE |
Contenuti | Principali tipi di strutture cristalline. Solidi ionici: energia reticolare, difetti di punto, cenni di termodinamica dei difetti, trasporto ionico e difetti. Elettroliti solidi e loro applicazioni. Struttura elettronica dei solidi: modello dell'elettrone libero, struttura a bande dei metalli e dei semiconduttori. |
Testi di riferimento | "Solid State Chemistry and its applications", A.R. West, Ed. Wiley. "Solid State Chemistry, an Introduction", L.E. Smart, E.A. Moore, Ed. CRC Press. |
Obiettivi formativi | Principali conoscenze acquisite - Concetto di cella elementare, unità asimmetrica, reticolo cristallino, sistemi cristallini. - Conoscenza dei principali tipi di struttura dei solidi. - Fattori responsabili della struttura e della stabilità dei solidi ionici. - Conoscenza delle principali tipologie di difetti. - Potenziale chimico dei difetti di punto. - Relazione fra struttura/difetti e proprietà di trasporto ionico. - Impiego degli elettroliti solidi nella conversione elettrochimica dell’energia. - Natura del legame, capacità termica e conducibilità elettrica dei metalli. - Energia di Fermi e livello di Fermi nei metalli. - Struttura a bande nei metalli, semiconduttori ed isolanti. - Tipologie di semiconduttori. Principali abilità - Individuare gli indici di Miller di una famiglia di piani reticolari e calcolarne la distanza interplanare sulla base dei parametri della elementare. - Calcolare i numeri di coordinazione di anioni e cationi in un solido sulla base della condizione di elettroneutralità locale. - Calcolare i raggi ionici per mezzo delle mappe di densità elettronica - Scrivere le reazioni di formazione dei difetti, scrivere la condizione di elettroneutralità fra difetti carichi e calcolarne la concentrazione. - Prevedere qualitativamente le proprietà di trasporto ionico di un solido sulla base della sua struttura. - Calcolare l’energia di attivazione per la conducibilità ionica. - Calcolare l’energia di Fermi in base alla configurazione elettronica e ai parametri della cella elementare di un metallo. - Calcolare il numero di stati elettronici occupati per un metallo in un dato intervallo di energia sulla base del modello del gas di Fermi. - Calcolare la concentrazione dei portatori di carica di un semiconduttore estrinseco in base alla concentrazione delle impurezze eterovalenti. |
Prerequisiti | Si richiede di aver superato il corso di Chimica Generale e Inorganica I (primo anno) e di aver seguito i corsi di Chimica Inorganica e Chimica Fisica I (secondo anno). E’ inoltre necessaria la conoscenza elementare del calcolo differenziale e integrale. |
Metodi didattici | Il corso di Chimica dello Stato Solido consiste in 21 lezioni in aula, di due ore ciascuna, su tutti gli argomenti del corso, per i quali sono a disposizione dispense a cura del docente. |
Altre informazioni | Aula: biblioteca del Laboratorio di Chimica dei Materiali, Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie (edificio B). |
Modalità di verifica dell'apprendimento | Il corso di Chimica dello Stato Solido prevede un esame orale che consiste in una discussione di circa trenta minuti di alcuni degli argomenti trattati nel corso (elementi di cristallografia, struttura e proprietà di trasporto elettrico dei solidi ionici, struttura elettronica e proprietà di trasporto dei metalli e dei semiconduttori) il primo dei quali è scelto dallo studente. La prova ha lo scopo di valutare sia la conoscenza degli argomenti del programma, sia la capacità di esposizione e di elaborazione delle conoscenze acquisite. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa |
Programma esteso | Definizione di cristallo ed elementi di cristallografia. Strutture compatte cubiche ed esagonali. Dimensioni di atomi e ioni; criteri di Pauling per la previsione della struttura di un solido ionico. Calcolo dell'energia reticolare da dati termodinamici e sulla base del modello di solido ionico ideale. Definizione di difetto e classificazione dei difetti. Elementi di termodinamica dei difetti: potenziale chimico dei difetti. Difetti di Frenkel e di Schottky. Centri di colore negli alogenuri alcalini. Conducibilità dei solidi ionici secondo la teoria del "random walk". Conducibilità di AgCl e NaCl. Elettroliti solidi: caratteristiche strutturali e loro applicazioni. Esempi di elettroliti solidi a base di Ag+ e Na+. Elettroliti solidi protonici e meccanismi di trasporto protonico. Conduttori protonici costituiti da ossidi perovskitici e polimeri aromatici e alifatici fluorurati. Impiego dei conduttori protonici nelle celle a combustibile. Proprietà chimico-fisiche e strutturali dei metalli. Teoria del gas di elettroni: modello di Drude-Lorentz e del gas di Fermi. Conducibilità e capacità termica dei metalli secondo il modello del gas di Fermi. Interazione elettrone – reticolo e struttura elettronica a bande. Descrizione qualitativa della struttura a bande per Na, Mg, Al e C(diamante). Struttura a bande e proprietà di trasporto elettrico dei semiconduttori. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci; semiconduttori di tipo p ed n. Dipendenza della conducibilità dalla temperatura per un semiconduttore intrinseco o estrinseco. Proprietà ed applicazioni della giunzione p-n. |