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Coronavirus: aggiornamenti per la comunità universitaria / Coronavirus: updates for UniTo Community
Oggetto:
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Physical Chemistry

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Physical Chemistry

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Academic year 2020/2021

Course ID
MFN1343
Teaching staff
Prof. Silvia Bordiga (Lecturer)
Prof. Lorenzo Maschio (Lecturer)
Dr. Valentina Crocellà (Lecturer)
Prof. Elena Clara Groppo (Lecturer)
Degree course
Scienza dei Materiali [LM-53]
MaMaself
Year
1st year
Teaching period
Second semester
Type
Characterizing
Credits/Recognition
8
Course disciplinary sector (SSD)
CHIM/02 - chimica fisica
Delivery
Class Lecture + Lab Practicals
Language
English
Attendance
Obligatory
Type of examination
Oral
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

La prima parte del corso ha come obbiettivo 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.

La seconda parte del corso si propone di fornire strumenti generali per la costruzione di funzioni d’onda multielettroniche.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png EMERGENZA CORONAVIRUS- DIDATTICA ALTERNATIVA: Obiettivi formativi invariati

The first part of the course supplies both theoretical and experimental tools  for understanding the phenomena occurring at the surfaces of the materials, from adsorption to reactivity.

The goal in the second part of the course is to give general tools for multielectronic wave function building.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png CORONAVIURS EMERGENCY - REMOTE TEACHING: The objectives of the course are unchanged

Oggetto:

Results of learning outcomes

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.

Comprensione dei fattori dominanti dell’interazione interelettronica, e conoscenza delle tecniche teoriche più comuni per il loro studio.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png EMERGENZA CORONAVIRUS- DIDATTICA ALTERNATIVA: Risultati dell'apprendimento attesi invariati

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.

Understanding of the leading factors of the inter-electronic interaction, and knowledge of the most diffuse theoretical techniques for their study.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png CORONAVIURS EMERGENCY - REMOTE TEACHING:The expected learning results of the course are unchanged

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.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png  EMERGENZA CORONAVIRUS- DIDATTICA ALTERNATIVA: 

Nel perdurare della emergenza sanitaria, in atto ed in ottemperanza alle misure di contenimento della diffusione dell’infezione da Coronavirus l’insegnamento verrà erogato secondo modalità di didattica alternativa con le seguenti modalità:

PARTE PRIMA (prof.ssa Elena Groppo, prof.ssa Silvia Bordiga e dott.ssa Valentina Crocellà): lezioni FRONTALI IN AULA IN PRESENZA con possibilità di seguire anche da remoto la diretta streaming attraverso la piattaforma WebEx, utilizzando i seguenti link:

1) Stanza Webex personale della prof.ssa Elena Groppo:  

https://unito.webex.com/meet/elena.groppo

2) Stanza Webex personale della dott.ssa Valentina Crocellà:  

https://unito.webex.com/meet/valentina.crocella

3) Stanza Webex personale della prof.ssa Silvia Bordiga:  

https://unito.webex.com/meet/silvia.bordiga

 

Tutto il Materiale Didattico sarà pubblicato sulla pagina Moodle del corso, comprese le registrazionii delle lezioni.

Il laboratorio della PARTE PRIMA (Groppo, Bordiga, Crocellà) sarà erogato in presenza se consentito dalla situazione sanitaria, altrimenti in modalità a distanza. Le modalità di erogazione di questa offerta didattica sostitutiva sono attualmente allo studio dei docenti, che ne daranno tempestiva comunicazione agli studenti.

 

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.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png CORONAVIURS EMERGENCY - ALTERNAIVE TEACHING: 

In concurrence with the COVID-19 emergency and in compliance with the relevant dispositions of the Ministry and of the University, the teaching will be provided according to alternative teaching methods in the following ways:

PART I (prof.ssa Elena Groppo, prof.ssa Silvia Bordiga and dott.ssa Valentina Crocellà): LECTURES IN THE CLASSROOM IN PRESENCE with the possibility of following the live streaming even remotely through the WebEx platform, using the following links:

1) Personal Webex room of Prof. Elena Groppo:

https://unito.webex.com/meet/elena.groppo

2) Personal Webex room of Dr. Valentina Crocellà:

https://unito.webex.com/meet/valentina.crocella

3) Personal Webex room of Prof. Silvia Bordiga:

https://unito.webex.com/meet/silvia.bordiga

All the teaching material will be published on the Moodle page of the course, including the recordings of the lessons.

The PART I of the laboratory will be delivered in presence when possible, otherwise in remote mode. The modalities of this alternative teaching offer are currently being developed by the teachers, who will promptly update the students as soon as they are ready for fruition.

 

Oggetto:

Learning assessment methods

L'esame è separato in due parti.

La prima parte (Profs. Crocellà, Bordiga, 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.

La seconda parte (Prof. Maschio) consiste in una prova scritta.

Il voto sarà la media delle due parti, espresso in trentesimi.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png EMERGENZA CORONAVIRUS - ESAMI A DISTANZA: 

Nel perdurare della emergenza sanitaria dovuta al Covid-19 e fino a quando saranno in vigore le disposizioni contenute nel Decreto Rettorale 2576/2020 del 23.07.2020, gli esami si terranno in modalità telematica  utilizzando la piattaforma di tele-conferenza WebEx:

  • Prima parte (Profs. Bordiga, Crocellà, Groppo): colloquio orale utilizzando la piattaforma di tele-conferenza Webex. Lo studente dovrà essere in grado di rispondere a domande relative al programma delle lezioni e di commentare i grafici dei risultati degli esperimenti di laboratorio.
  • Seconda parte (Prof. Maschio) colloquio orale utilizzando la piattaforma di tele-conferenza Webex o simile. Lo studente dovrà essere in grado di rispondere dettagliatamente a domande di teoria.

The exam is separated in two parts.

The first part (Profs. Crocellà, Bordiga, 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 second part of the exam (Prof. Maschio) is written.

The mark will result as the average of the two parts, expressed in thirties.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png CORONAVIURS EMERGENCY - REMOTE EXAMS:

In concurrence with the COVID-19 emergency situation and until the Rectoral Decree  2576/2020 on 23.07.2020 will hold, exams will be carried out only in remote (via Webex) with the following modalities:

  • First part (profs. Crocellà, Bordiga, Groppo): oral interview using the Webex tele-conference platform. The student should be able to answer questions related to the lessons program and to comment on the graphs of the results of the laboratory experiments.
  • Second part (prof. Maschio): oral interview using the Webex tele-conference platform. The student should be able to answer in full detail to questions related to the theoretical aspects of the subjects developed.
Oggetto:

Support activities

 

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png EMERGENZA CORONAVIRUS  - I docenti sono disponibili su appuntamento telematico a discutere e chiarire i concetti spiegati nelle lezioni. 

 

 upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png CORONAVIURS EMERGENCY - The teachers can be contacted through email to discuss and clarify any concept explained during the lessons.

Oggetto:

Program

PARTE PRIMA

1. BULK, SUPERFICI E INTERFACCE
Diversi tipi di superficie: esterna, interna, singoli cristalli, nano-particelle- Proprietà che cambiano alla nano-scala; fenomeni che avvengono alla superficie.

2 MISURARE LA SUPERFICIE
Adsorbimento: fisi e chemisorbimento
Adsorbimento di N2 a 77 K, tipi di isoterme. Equazioni usate per descrivere le isoterme sperimentali (Henry, Langmuir, BET)
Micro e mesopori
Metodi complementari alle misure volumetriche: micro-calorimetria e VT-IR

3. UN ESEMPIO DI MATERIALI POROSI: LE ZEOLITI
Definizione e descrizione di una zeolite, topologie ecc. Sinergia tra siti attivi e porosità
Protoni in zeoliti
Come misurare l’acidità: metodi volumetrici, FT-IR di molecole sonda (CO e H2)
Catalisi acida: oligomerizzazione di alcheni e alchini, FCC, HDC, MTH e processi correlati.
Cationi in zeoliti
Come influiscono sulle proprietà di adsorbimento. Qualche esempio in catalisi
Zeoliti metallo-sostituite
Il caso della TS1

4. LA SUPERFICIE DI OSSIDI
Proprietà di bulk e proprietà elettroniche. Strutture di superficie e gruppi terminali, acidità e basicità
Silice e silicati
Silice pirogenica e processi sol-gel. La superficie dei silicati e il ruolo degli OH.
Come sondare le proprietà di superficie della silice: molecola sonda, reagenti, e specie che si graffano.
Allumina e acidità di superficie
Allumine di transizione e siti acidi di Lewis Al3+
Come caratterizzare le proprietà acide dell’allumina: FT-IR di molecole sonda.
Proprietà catalitiche dell’allumina
Ossido di magnesio e ossido di zinco
Coppie acido-base per splittare la molecola di H2. Un esempio di applicazione della tecnica VT-IR
Ossido di titanio
Sinergia tra superficie e bulk: principi della fotocatalisi

5. LA SUPERFICE DEI METALLI E DI NANO-PARTICELLE METALLICHE
Singoli cristalli
Struttura dei metalli (fcc) e loro superfici.
Geometrie di adsorbimento
Come caratterizzare la superficie di un metllo (singoli cristalli): CO come molecola sonda
Reattività di superficie: l’attivazione dell’H2
Nanoparticelle metalliche
Dimensione, distribuzione di dimensione, morfologia, superfici esposte
Metodi di preparazione e problemi associati (surfattanti, sintering, ricostruzione)
Nanoparticelle supportare: il ruolo del supporto, interazione metallo-supporto, bagnabilità dei supporti
Come caratterizzare le nanoparticelle metalliche e le loro superfici: molecole sonda (CO, FT-IR in confronto a chemisorbimento, H2)
Reattività nei confronti dell’H2.

PARTE SECONDA

– 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.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png EMERGENZA CORONAVIRUS- DIDATTICA ALTERNATIVA: Programma invariato

FIRST PART

1. BULK, SURFACES AND INTERFACES
Different types of surfaces: external and internal, single crystals and nano-particles, Properties that change at the nano-scale, Phenomena occurring at the surfaces.

2. MEASURING THE SURFACE
Adsorption: physisorption and chemisorption
N2 adsorption at 77 K, types of isotherms
Equations used to describe experimental isotherms (Henry, Langmuir, BET)
Micro and meso pores
Methods complementary to volumetric measurements: micro-calorimetry and VT-IR

3. AN EXAMPLE OF POROUS MATERIALS: ZEOLITES
Definition and description of a zeolite, zeolite topologies etc. The synergy between active sites and porosity
Protons in zeolites
How to measure the surface acidity: volumetric method, FT-IR of molecular probe (CO and H2)
Acid catalysis: Oligomerization of double and triple C-C bonds, FCC, HDC, MTH and related processes, etc.
Cations in zeolites
How they affect the adsorption properties
Some example of applications in catalysis
Metal-substituted zeolites
The case of TS1

4. THE SURFACE OF METAL-OXIDES
Bulk properties and electronic behaviour
Surface structures and terminal groups, acidity and basicity
Silica and silicates
Pyrogenic silica and sol-gel processes.
The surface properties of silicates and the role of the OH groups
How to probe the surface of silica: molecular probes, reactants, grafting species
Alumina and surface acidity
Transitional alumina and the Al3+ Lewis acid sites
How to probe the acidity of alumina: FT-IR of molecular probes (CO and basic molecules, e.g. pirydine)
Catalytic properties of alumina (and variations thereof)
Magnesium oxide and Zinc oxide
Acid-base couple to split hydrogen – an example of application of VT-IR technique
Titanium dioxide
Synergy between surface and bulk: some principles of photo-catalysis

5. THE SURFACE OF METALS AND METAL NANO-PARTICLES
Single crystals
Structure of metals (fcc) and their surface, adsorption sites and defects
Adsorbate Geometries & Structures on Metals
How to probe the surface of a metal (single crystals): CO as molecular probe
Reactivity at surfaces (single crystals): the case of hydrogen activation
Metal nano-particles
Particle size, particle size distribution, morphology, exposed surfaces
Preparation methods and associated problems (surfactants, sintering phenomena, reconstruction, etc.)
Supported metal nano-particles: the role of support, Strong metal support interaction phenomena, wettability of metal oxides
How to characterize metal nano-particles and their surface properties: probe molecules (CO, FT-IR in comparison with CO chemisorption, H2)
Reactivity of metal nanoparticles towards H2.

SECOND 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.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png CORONAVIURS EMERGENCY - REMOTE TEACHING: The program of the course is unchanged

Suggested readings and bibliography

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Dispense dei docenti

Slides and notes given by the professors



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Class schedule

Lessons: dal 01/03/2021 to 11/06/2021

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Last update: 24/03/2021 09:04
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