- Oggetto:
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Chimica Fisica dei Materiali con laboratorio
- Oggetto:
Physical Chemistry of Materials with Laboratory
- Oggetto:
Anno accademico 2020/2021
- Codice dell'attività didattica
- MFN1259
- Docenti
- Prof.ssa Silvia Casassa (Titolare del corso)
Prof. Domenica Scarano (Titolare del corso) - Corso di studi
- Scienza e Tecnologia dei Materiali
- Anno
- 3° anno
- Periodo didattico
- Primo semestre
- Tipologia
- Caratterizzante
- Crediti/Valenza
- 6
- SSD dell'attività didattica
- CHIM/02 - chimica fisica
- Modalità di erogazione
- Mista
- Lingua di insegnamento
- Italiano
- Modalità di frequenza
- Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
- Tipologia d'esame
- Orale
- Prerequisiti
- Chimica generale - Matematica
Basic Chemistry and Mathematics - Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
L’obiettivo dell'insegnamento è quello di fornire agli studenti, che già conoscono il linguaggio e i fondamenti della termodinamica e del legame chimico in semplici molecole, la comprensione qualitativa e quantitativa della struttura elettronica di molecole poliatomiche fino ai materiali solidi a dimensionalità crescente, utilizzando la teoria degli orbitali molecolari. In particolare gli orbitali molecolari verranno descritti in termini di combinazione lineare di orbitali atomici (LCAO), combinazioni lineari di simmetria, approssimazione di Huckel, teoria del campo dei leganti. Inoltre, l'insegnamento si propone di illustrare le correlazioni con le proprietà strutturali, spettroscopiche (vibrazionali, elettroniche) e magnetiche.
Gli studenti dovranno essere in grado di realizzare semplici simulazioni al calcolatore in aula informatica, comprenderne e spiegarne i risultati, noti i concetti di base delle spettroscopie fondamentali (IR, UV-vis).
Con tali competenze di base lo studente sarà in grado di contribuire positivamente al lavoro di un team interdisciplinare che si occupa della sintesi e caratterizzazione di materiali e, sotto la guida di figure professionali più esperte, potrà fornire elementi di conoscenza per realizzare processi, analisi o prodotti innovativi.
DIDATTICA ALTERNATIVA: Obiettivi formativi invariati
The aim in general is to provide the students, that already know the language and the rudiments of the thermodynamics and of the chemical bond in simple molecules, with some tools to understand, qualitatively and quantitatively, the electronic structure of polyatomic molecules until the solid materials with increasing dimensionality, by means of molecular orbitals theory. In particular the molecular orbitals will be described by using LCAO methods, Huckel approximations, ligand field theory. Some more the course will introduce the students to the relationships with the structural, spectroscopic (vibrational, electronic) and magnetic properties.
The students will be able to apply their knowledge of chemical bonding, spectroscopy, thermodynamics and crystallography to advanced applications involving advanced materials, by performing simple computer simutations.
On the basis of such fundamental expertise, the student will be able to contribute within an interdisciplinar group, to the synthesis and characterization of the materials, and under the supervision of experts he will be able to provide the team with suitable knowledge to perform processes, analyses or new products.
ALTERNATIVE TEACHING: unchanged educational goals
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
Conoscenza e capacità di comprensione
Lo/la studente/ssa dovrà essere in grado di saper comprendere le proprietà chimico fisiche dei materiali sulla base dei metodi descritti
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo/la studente/ssa dovrà:
- saper gestire semplici simulazioni al calcolatore per la previsione di proprietà strutturali, elettroniche, vibrazionali, dielettriche e magnetiche di materiali cristallini perfetti e difettivi
- essere in grado di interpretare i dati acquisiti attraverso il calcolo e saperli confrontare con eventuali dati sperimentali.
DIDATTICA ALTERNATIVA: Risultati dell'apprendimento attesi invariati
Knowledge and understanding ability
The student should be able to understand the physical chemical properties of the materials on the basis of the described methods
Abilility to apply knowledge and comprehension
The student should be able:
- to handl simple computer simulations to predict the structural, electronic, vibrational, dielectric and magnetic properties of perfect and defective crystalline materials
- to interpret the data obtained by means of calculation methods and to compare them with the experimental results.
ALTERNATIVE TEACHING:unchanged expected learning outcomes
- Oggetto:
Modalità di insegnamento
L'insegnamento prevede lezioni teoriche per un totale di 5 CFU (40 ore) e una parte laboratoriale di 1 CFU (16 ore). Le lezioni non sono obbligatorie ma fortemente consigliate al fine di una migliore comprensione delle attività laboratoriali, che invece sono obbligatorie, con la partecipazione ad almeno il 70% delle ore previste dal laboratorio
DIDATTICA ALTERNATIVA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, verrà garantita l'erogazione di tutte le lezioni teoriche in presenza con collegamento diretto con gli studenti che non possono partecipare in modalità telematica sincrona, seguendo una ben definita calendarizzaione delle lezioni nel periodo didattico. Le video-registrazioni delle lezioni saranno disponibili per lo scaricamento dalle pagine e-learning/moodle e CampusNet del corso. La didattica di laboratorio verrà erogata in presenza.
Incontri periodici tramite meeting Webex.
Verrà messo a disposizione degli studenti il seguente materiale didattico:
Su moodle:dispense del docente e registrazione delle lezioni sincrone proposte agli studenti secondo il calendario didattico
Su campusnet: link alle registrazioni e alle dispense
I links alle lezioni on-line sono:
http://unito.webex.com/meet/domenica.scarano
http://unito.webex.com/meet/silvia.casassa
Comunicazione con gli studenti: email per specifiche domande
The course is based on frontal lessons for a total of 5 CFU (40 hours) and an computer lab of 1CFU (16 hours). The lessons are not compulsory, but highly recommended to better understand the computer simulations, that on the contrary are compulsory. The participation to the 70% of the hours of the laboratory is mandatory.
ALTERNATIVE TEACHING: In concurrence with the sanitary emergency, all lectures will be given in presence and simultaneously online in synchronous mode with the students, that are not able to attend the lecture. All the lectures will be given according to the well defined academic timetable. The video-recordings of the lectures will be downloadable from the e-learning/moodle and campusnet webpages of the course. The laboratory teaching will be carried out in presence.
Periodic recap meetings by Webex.
The following material will be available for the students.
On moodle webpage: lecture notes and video-recordings of the lectures
On campusnet webpage: link to the lecture notes and video-recordings of the lectures
Links to the on-line lectures:
http://unito.webex.com/meet/domenica.scarano
http://unito.webex.com/meet/silvia.casassa
Comunications with students by e-mail for specific questions.
- Oggetto:
Modalità di verifica dell'apprendimento
Lo/la studente/essa deve dimostrare di avere acquisito una comprensione globale della materia e di essere in grado di utilizzare gli strumenti teorici e pratici forniti, al fine di comprendere le esperienze condotte in laboratorio.
La verifica delle conoscenze acquisite avverrà mediante un colloquio che prevede la discussione di concetti forniti a lezione e di una relazione, basata sulla raccolta e commento di tutti gli esperimenti effettuati.
L’esame prevede: una valutazione in trentesimi.
MODALITA' ESAMI
Nel perdurare della emergenza sanitaria, gli esami si terranno sia in presenza (D.R. 2576/2000) che a distanza (Decreto Rettorale n.1097/2020), utilizzando la piattaforma di tele-conferenza Webex, per far fronte a situazioni legate a fragilità di salute o di residenza remota dello studente rispetto alla sede universitaria. In particolare, la commissione sarà formata di almeno 2 docenti, e ciascun esame si terrà in presenza di almeno uno studente auditore. Tali modalità di verifica dell'apprendimento potranno subire variazioni sulla base di future disposizioni emanate dall'Ateneo e/o dal Corso di Studi.
The student has to show his whole comprehension of the subject and his ability to use all the supplied theoretical/experimental tools, to explain the obtained results.
The examination of the acquired knowledge will be made through the discussion of the themes of the lectures and of the report containing the collection and explanation of all the experiments, carried out in laboratory.
The valutation will be made in thirtieths.
EXAMS MODE
In concurrence with the sanitary emergency, the exams will be taken either in presence (D.R. 2576/2000) either on-line (Decreto Rettorale n.1097/2020), by adopting the Webex tele-conference platform, in case of health problems or remote residency of the students with respect to the University site. In particular, each evaluation commission will be composed by at least two teachers, and at least one student will participate as witness. Such procedures will be subject to possible variations, on the basis of future dispositions of the University of Torino and/or of the Physics Degree council.
- Oggetto:
Attività di supporto
Le necessarie misure di didattica integrativa (sessioni telematiche di tutoraggio e assistenza agli studenti via webex) saranno concordate con gli studenti ed organizzate per facilitare la comprensione dei contenuti didattici. La videoriunione sarà disponibile su Campusnet e/o Moodle.
The necessary measures of integrative teaching (online tutoring and counseling sessions via webex meeting) will be defined together with the students in order to facilitate the understanding of the course contents. The video-meeting will be available on Campusnet and/or Moodle.
- Oggetto:
Programma
Riepilogo dei fondamenti della Teoria degli Orbitali Molecolari con metodo LCAO
Metodo LCAO per molecole poliatomiche: - ibridazione - sistemi delocalizzati e transizioni elettroniche - combinazioni lineari di simmetria - approssimazione di Huckel - teoria del campo dei leganti
Metodo LCAO per teoria delle bande nei solidi: - solidi unidimensionali (massa efficace, conducibilità elettronica) - solidi bidimensionali (densità degli stati, zona di Brillouin)- solidi tridimensionali (isolanti, metalli e semiconduttori)
- semiconduttori omogenei intrinseci ed estrinseci, a gap diretto e indiretto: transizioni elettroniche dirette e indirette, assorbimenti dovuti a livelli impurezza e a portatori liberi di carica.
Campo cristallino: - configurazioni d e termini - teoria dei gruppi - transizioni elettroniche
Accenno alle proprietà magnetiche dei solidi: diamagnetismo, paramagnetismo; materiali con ordine magnetico.
Effetto delle dimensioni finite e dei difetti. Richiami ai difetti reticolari puntuali termodinamici di equilibrio e trattazione dei difetti di stechiometria nei solidi. Esempi di composti non stechiometrici. Superfici ed interazioni con molecole
Proprietà quanto-meccaniche dei solidi cristallini: introduzione ai fondamenti e alle equazioni della chimica computazionale e loro sviluppo all'interno di software scientifico per il calcolo delle proprietà strutturali ed elettroniche di sistemi macroscopici.
Simulazione al calcolatore (aula informatica) delle proprietà elettroniche (struttura a bande, DOSs,…) e vibrazionali (simulazione spettro IR) di materiali cristallini puri e difettivi. Ad esempio: ossidi e centri di colore, semiconduttori puri o drogati. Per i calcoli verrà usato il programma di calcolo ab initio periodico CRYSTAL.
DIDATTICA ALTERNATIVA: Programma invariato
Summary of the basis of the Molecular Orbital Theory with LCAO method.
LCAO method for polyatomic miolecules: - ibridation -delocalized systems and electronic transitions - linear combinations of symmery - Huckel approximation - ligands field theory
LCAO method for solid band theory: unidimensional solids - (effective mass, electronic conductivity) - bidimensional solids (states density , Brillouin zones) - threedimensional solids (insulating, metals and semiconductors).
-Homegeneous intrinsic and extrinsic semiconductors, direct and indirect gap: direct and indirect electronic transitions; absorptions due to doping levels and to free charge carriers.
Crystalline field: d configurations and terms - Groups theory- electronic transitions
Principles of magnetic properties of materials: diamagnetism, paramagnetism; materials showing magnetic order.
Effect of the finite dimensions and defects: point and stoichiometric defects in solids and examples. Surfaces and interaction with molecules.
Quantum-mechanics periodic simulation of crystalline materials: an introduction to the approximated methods of computational chemistry and their exploitation in scientific program for the calculations of the electronic and structural properties of solids.
Computer simulations of the electronic (e.g. band structure, DOSs, …) and vibrational properties (e.g. simulated IR spectrum) of pure and doped crystalline materials. For instance: oxides and coloured centers; semiconductors pure and with defects. Calculations will be carried out by means of the ab initio periodic CRYSTAL code.
ALTERNATIVE TEACHING: unchanged program
Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004 ; P.W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, 1983; Dispense fornite dai docenti e scaricabili dal sito come file pdf o power point
P. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica Zanichelli 2004 ; P.W. Atkins, R.S. Friedman, Meccanica Quantistica Molecolare, Zanichelli, 1983; Lecture notes available from the website as pdf file or ppt slides.
- Oggetto:
Orario lezioni
Lezioni: dal 01/10/2020 al 22/01/2021
Nota: Per l'orario dettagliato delle lezioni consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl- Oggetto:
Note
“Le modalità di svolgimento dell'attività didattica potranno subire variazioni in base alle limitazioni imposte dalla crisi sanitaria in corso. In ogni caso è assicurata la modalità a distanza per tutto l'anno accademico”.
" The procedures for carrying out the lectures may change in agreement with the sanitary emergency restrictions. Anyway the online learning will be ensured for the whole year"- Oggetto:
