- Oggetto:
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Physical Chemistry
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Physical Chemistry
- Oggetto:
Academic year 2015/2016
- Course ID
- MFN1343
- Teaching staff
- Prof. Silvia Bordiga (Titolare del corso)
Dott. Lorenzo Maschio (Titolare del corso)
Dott. Elena Clara Groppo (Titolare del corso) - Degree course
- Laurea Magistrale in inglese -MaMaself
- Year
- 1° anno
- Teaching period
- Secondo semestre
- Type
- Caratterizzante
- Credits/Recognition
- 8
- Course disciplinary sector (SSD)
- CHIM/02 - chimica fisica
- Delivery
- Tradizionale
- Language
- Inglese
- Attendance
- Facoltativa
- Type of examination
- Scritto ed orale
- Prerequisites
-
Buone basi di fisica e chimica fisica, meccanica quantistica, struttura atomica, legame chimico, termodinamica e termochimica, elementi basilari di cristallografia, conoscenza di tecniche spettroscopiche di indagine.
Solid basis in physics and chemistry, atomic structure, chemical bond, termodinamicand thermochemistry,
crystallography, knowledge ofspectroscopies - Oggetto:
Sommario del corso
- Oggetto:
Course objectives
Nella prima parte il corso si propone di fornire strumenti generali per la costruzione di funzioni d’onda multielettroniche.
Nella seconda, l’obiettivo è quello di fornire strumenti teorici e sperimentali che permettano la comprensione dei fenomeni che avvengono alla superficie dei materiali, a partire dall’adsorbimento fino alla reattività.
The goal in the first part of the course is to give general tools for multielectronic wave function building. In the second part the main goal is to supply theoretical tools and experimental methods for understanding the phenomena occurring at the surfaces of the materials, from adsorption to reactivity.
- Oggetto:
Results of learning outcomes
Comprensione dei fattori dominanti dell’interazione interelettronica, e conoscenza delle tecniche teoriche più comuni per il loro studio.
Capacità di prevedere, interpretare e studiare con le opportune tecniche sperimentali i fenomeni che avvengono alle interfasi liquido-solido, solido-solido e in particolare alla interfase solido-gas. Si prevede che lo studente acquisisca i principi alla base della catalisi: come vengono attivate molecole semplici da parte di sistemi omogenei e alla superficie dei materiali e perché; quali sono i fattori che determinano la reattività alle superfici di diverse categorie di materiali.
Understanding of the leading factors of the inter-electronic interaction, and knowledge of the most diffuse theoretical techniques for their study.
Ability to foresee, understand and study by the suitable experimental techniques the liquid-liquid, solid-solid and in particular solid-gas interface phenomena. It is expected that the student will learn the basic principles at the basis of catalysis: types of activation of simple molecules by homogeneous systems and by surfaces, and why; which are the factors affecting the reactivity at the surfaces of different kind of materials.
- Oggetto:
Course delivery
Tipologia Insegnamento
Lezioni frontali : 56 ore.
Laboratorio: 16 ore.
Totale: 72 ore
Frequenza:
La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.
Lessons: 56 hours;
Laboratory: 16 hours
Total: 72 hours.
Attendance
The attendance at the lessons is not compulsory. The attendance at the laboratory is compulsory and cannot be less than 70% of the total.
- Oggetto:
Learning assessment methods
L'esame è separato in due parti.
La prima parte (Prof. Maschio) consiste in una prova scritta.
La seconda parte (Profs. Bordiga e Groppo) consiste in un colloquio orale. Lo studente dovrà essere in grado di elaborare in forma di grafici i risultati degli esperimenti condotti in laboratorio e di commentarli. A partire da questa prima discussione, verranno fatte ulteriori domande volte ad appurare l'apprendimento di quanto svolto a lezione.
Il voto sarà la media delle due parti, espresso in trentesimi.
Per gli studenti italiani sarà possibile sostenere l'esame in lingua italiana.
The exam is separated in two parts.
The first part of the exam (Prof. Maschio) is written.
The second part (Profs. Bordiga and Groppo) is oral. The student should be able to elaborate the results of the experiments performed in the lab in the form of graphs and to comment them. Starting from this preliminary discussion, additional questions will be done, in order to verify the knowledge of the topics developed during lessons.
The mark will result as the average of the two parts, expressed in thirties.
Italian students may sustain the exam in italian.
- Oggetto:
Program
PARTE PRIMA
– Elementi di Chimica quantistica dei materiali.
– Il problema multielettronico: funzioni multi e mono –elettroniche; antisimmetria e detor.
– Hamiltoniana e i suoi termini, operatori di momento angolare, mono e multielettronici.
– Il metodo di Hartree-Fock e la sua equazione; elementi di matrice tra detor: le regole di Slater; l’Interazione di Configurazioni; Teorema di Brillouin; il metodo perturbativo di Moeller Plesset e il Coupled Cluster. Il funzionale della densità.
– I gruppi finiti e le regole di selezione per gli elementi di matrice, operatore proiezione; elementi di teoria delle bande, spazio reciproco e prima zona di Brillouin; funzioni di Bloch e teorema relativo.
– Livello di Fermi e superficie di Fermi; il problema multielettronico per i sistemi cristallini.
PARTE SECONDA
1) Fenomeni d'interfaccia
L'interfaccia liquido-solido
Viscosità, tensione superficiale e interfacciale, capillarità.
L’interfaccia solido-gas
Il fenomeno dell'adsorbimento : aspetti termodinamici elementari del processo di adsorbimento e loro valutazione sperimentale.
La fisisorzione: il modello BET, l’area superficiale, la porosità superficiale e loro determinazione.
La chemisorzione: i principali tipi di isoterma, atti alla descrizione della chemisorzione, e le informazioni che ne derivano. Chemisorzione molecolare e dissociativa su metalli, su ossidi, su ossidi riducibili e su nanocompositi metallo-ossido: effetti elettronici, chemisorzione cumulativa e depletiva.
L’interfaccia solido-solido
Le nanoparticelle: struttura, termodinamica, tensione superficiale.
Considerazioni termodinamiche all’interfaccia metallo-ossido (adesione, bagnabilità reciproca, riducibilità dell’ossido), effetti elettronici all’interfaccia metallo-semiconduttore.
Metodi sperimentali per la caratterizzazione di sistemi metallo-ossido capaci di agire da catalizzatori per reazioni tra gas: valutazione del ruolo del supporto e delle dimensioni delle particelle metalliche.
2) Reattività alla superficie di materiali
Reattività di singoli siti
a) Complessi omogenei come singoli siti perfetti
- il catalizzatore di Wilkinson per reazioni di idrogenazione; l'attivazione della molecola di idrogeno da parte di un singolo centro metallico.
- complessi metallocenici per le reazioni di polimerizzazione delle olefine; l'attivazione della molecola di etilene.
b) Singoli siti su superfici
- zeoliti protoniche: la reazione di oligomerizzazione di molecole con doppi e tripli legami
- TS-1:reazioni di ossidazione selettiva; il ruolo del titanio nell'attivazione dell'ossidante (H2O2)
- il catalizzatore Phillips Cr/SiO2 per la polimerizzazione dell'etilene
Reattività di metalli
a) Reattività di superfici metalliche estese (singoli cristalli)
b) da cristalli singoli a nano-particelle
c) idrogenazione di idrocarburi e come indurre la selettività.
Reattività di ossidi
a) proprietà di bulk e di superficie di ossidi
b) reattività di ossidi con proprietà isolanti
- la silice
- l’ossido di magnesio;
c) reattività di ossidi con comportamento di semi-conduttori
- ossido di zinco
- biossido di titanio
Reattività di metallo cloruri
I catalizzatori Ziegler-Natta per la polimerizzazione delle olefine come esempio di sistemi complessi.
FIRST PART
– Materials quantum chemistry.
– The multielectronic problem. Mono and multi-electronic functions; detor and antisymmetry.
– Terms in the hamiltonian. Mono and multi particle angular momentum operators.
– The Hartree-Fock method and equation. Matrix elements among detors: the Slater rules. The configuration Interaction, The Brillouin theorem. The Moeller Plesset perturbative scheme and the Coupled Cluster method. The Density Functional Theory.
– Finite Groups and selection rules for the matrix elements of the hamiltonian. Projector Operator; Band theory; reciprocal space and first Brillouin zone. Bloch functions and Bloch theorem.
– The Fermi level and Fermi surface. The multi-electronic problem for crystalline systems.
SECOND PART
1) Interface phenomena.
Solid-liquid interface
viscosity, surface and interfacial tension, capillarity.
Solid-gas interface
The adsorption phenomenon: elementary thermodynamic aspects of the adsorption process and their experimental evaluation.
Physisorption: BET model, surface area, surface porosity and their determination.
Chemisorption: main isotherm models for its description and information that could arise from. Molecular and dissociative chemisorption on metals, oxides, reducible oxides, and on metal-oxide nanocomposites: electronic effects, cumulative and depletive chemisorption.
Solid-solid interface
Nanoparticles: structure, thermodynamic, surface tension
Thermodynamic consideration at the metal-oxide interface (adhesion, mutual wettability, oxide reducibility), electronic effects at the metal-semiconductor interface.
Experimental methods for the characterization of metal-oxide systems able to catalyze reactions between gases: evaluation of the support role and of the metal particle size role.
2) Reactivity at the surfaces of materials
Reactivity at single-sites
a) Homogeneous complexes as “perfect” single-sites
- The Wilkinson catalyst for hydrogenation reactions; the activation of the hydrogen molecule by a single-metal site
- Metallocene complexes for olefin polymerization; activation of ethylene molecule
b) Heterogeneous single-sites
- protonic zeolites: the oligomerization of molecules with double and triple bonds
- TS-1: selective oxidation reactions; the role of titanium in the activation of the oxidant (H2O2);
- the Phillips catalyst Cr/SiO2 for ethylene polymerization.
Reactivity at metal surfaces
a) Reactivity of extended metal surfaces (single crystals)
b) From single crystals to nanoparticles
c) Hydrogenation of hydrocarbons and how to induce selectivity.
Reactivity at metal-oxides
a) Bulk and surface properties of metal oxides
b) Reactivity of metal-oxides having insulating behavior
- Silica and silica-based materials
- magnesium oxide
c) Reactivity of metal-oxides having semi-conducting behavior
- zinc oxide
- titanium dioxide
Reactivity of metal chlorides
Ziegler-Natta catalysts for olefin polymerization as an example of complex systems.
Suggested readings and bibliography
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Dispense dei docenti
Slides and notes given by the professors
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Class schedule
Giorni Ore Aula Lezioni: dal 01/03/2016 al 10/06/2016 Nota: Per l'orario delle lezioni consultare la pagina "Orario Lezioni" http://scienzadeimateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl
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