Insegnamento SOLID STATE CHEMISTRY

Corso
Chimica
Codice insegnamento
A000755
Curriculum
Comune a tutti i curricula
Docente
Riccardo Vivani
Docenti
  • Riccardo Vivani
Ore
  • 42 ore - Riccardo Vivani
CFU
6
Regolamento
Coorte 2019
Erogato
2021/22
Attività
Affine/integrativa
Ambito
Attività formative affini o integrative
Settore
CHIM/03
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.
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