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.