Chimica

OLGA RUSSINA
MARIA CHIARA DI GREGORIO

Obiettivi del corso
1. Presentare agli studenti i concetti fondamentali della strutturistica chimica e illustrarne l'importanza nello sviluppo della chimica, della biologia strutturale, della chimica farmaceutica e della fisica dei materiali.
2. Favorire lo sviluppo di una solida comprensione dei principi basilari della struttura cristallina, compresi reticoli cristallini, simmetria cristallografica e gruppi spaziali.
Illustrare i concetti teorici della diffrazione dei raggi X e dei neutroni e mostrarne l'applicazione pratica nell'analisi strutturale dei materiali cristallini e delle polveri.
3. Integrare le conoscenze acquisite nel corso per affrontare sfide scientifiche e tecnologiche legate alla strutturistica chimica.
4. Stimolare la curiosità e la creatività degli studenti nell'applicare i principi della strutturistica chimica per risolvere problemi complessi e contribuire all'avanzamento della conoscenza nel campo della chimica e delle scienze correlate.

Finalità dell'apprendimento
Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:
1. Apprezzare le molteplici applicazioni pratiche della strutturistica chimica nella progettazione di nuovi materiali, nello sviluppo di farmaci e in altri campi correlati.
2. Applicare le conoscenze acquisite per analizzare e interpretare la struttura dei cristalli, sia in termini di disposizione spaziale degli atomi che di simmetria cristallografica.
3. Comprendere e utilizzare le Tabelle Internazionali di Cristallografia.
4. Comprendere i concetti teorici della diffrazione dei raggi X e dei neutroni e la loro applicazione nell'analisi strutturale dei materiali cristallini e delle polveri.
5. Interpretare dati di diffrazione e risolvere semplici problemi cristallografici.
6. Sviluppare capacità di comunicazione efficace nella discussione degli argomenti del corso.

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:
1. Apprezzare le molteplici applicazioni pratiche della strutturistica chimica nella progettazione di nuovi materiali, nello sviluppo di farmaci e in altri campi correlati.
2. Applicare le conoscenze acquisite per analizzare e interpretare la struttura dei cristalli, sia in termini di disposizione spaziale degli atomi che di simmetria cristallografica.
3. Comprendere e utilizzare le Tabelle Internazionali di Cristallografia.
4. Comprendere i concetti teorici della diffrazione dei raggi X e dei neutroni e la loro applicazione nell'analisi strutturale dei materiali cristallini e delle polveri.
5. Interpretare dati di diffrazione e risolvere semplici problemi cristallografici.
6. Sviluppare capacità di comunicazione efficace nella discussione degli argomenti del corso.

Conoscenza dei fondamenti del corso di Fisica II (Elettromagnetismo, Onde, Ottica)

STRUTTURISTICA CHIMICA DIFFRATTOMETRICA (A. A. 2022-23)
Lo stato cristallino
Solidi ionici semplici, con ioni molecolari, molecolari neutri, solidi covalenti, solidi metallici. La simmetria nei cristalli:
definizione di elemento e operazione di simmetria; operazioni proprie e improprie. Simmetria puntuale. Il caso dei cinque
reticoli piani. Simmetria traslazionale: reticolo di traslazione, cella elementare; i sette sistemi cristallini; reticoli di Bravais;
legge di Senone; legge di Bravais; definizione di piano reticolare ed indici di Miller; assi elicogiri e piani glide; l’equazione
zonale; simmetria puntuale dei reticoli cristallini: le classi cristalline; gruppi spaziali: unità asimmetrica; rappresentazione dei
gruppi spaziali; notazione in uso nelle Tabelle Internazionali di Cristallografia; esempi di alcuni gruppi spaziali comuni nei
sistemi di bassa simmetria.
La diffrazione dei raggi X da cristallo singolo
Tecniche di crescita di monocristalli. Scelta del campione. Uso del microscopio a luce polarizzata. Sorgenti di raggi X
convenzionali e non convenzionali: tubi a raggi X, radiazione di sincrotrone. Spettri di emissione dei raggi X. Assorbimento
dei raggi X. Tecniche di rivelazione dei raggi X. Il diffrattometro a cristallo singolo e per polveri. Richiami di diffrazione
della luce. Teoria dell'interazione dei raggi X con la materia: diffusione (coerente e incoerente) da un elettrone atomico, da
un atomo, da una molecola, da un cristallo. Equazioni di Laue. Diffrazione di Bragg. Il reticolo reciproco. Sfera di riflessione
di Ewald e sfera limite. L'intensità dell'onda diffratta. Intensità integrata e sua misura. La legge di Friedel. La diffusione
anomala. Funzioni periodiche e serie di Fourier in forma complessa e trigonometrica; Il fattore di struttura. Il fattore di
temperatura. Estinzione primaria e secondaria dei raggi X. La sintesi di Fourier e il problema della fase. Il reticolo reciproco
come conseguenza della sviluppabilità in serie di Fourier delle funzioni del punto del reticolo cristallino; sintesi di Fourier
della densità elettronica di un cristallo: osservata, calcolata e differenza. Effetto della simmetria sull’intensità di diffrazione:
assenze sistematiche e determinazione del gruppo spaziale. Determinazione della configurazione assoluta. Principali metodi
di risoluzione delle strutture cristalline. La funzione di Patterson: vettori interatomici, funzione di Patterson in forma
complessa e trigonometrica, simmetria della funzione di Patterson, deduzione di coordinate atomiche dai massimi della
funzione di Patterson, metodo dell’atomo pesante. SIR e MIR. metodi diretti. Affinamento delle strutture cristalline: il
metodo dei minimi quadrati. Constraints e restraints. Indice di disaccordo. Schema di pesaggio.Accuratezza dei parametri
strutturali ottenuti con diffrazione dei raggi X; effetto del moto termico sulle distanze di legame. Tecnica X-X. Esempi di
applicazioni della diffrazione X alla determinazione della struttura di composti inorganici, organici ed organometallici.
La diffrazione dei raggi X da polveri
Il metodo delle polveri: generalità, applicazioni e limiti. Il diffrattometro per polveri. Fattori che influenzano la forma dei
picchi di diffrazione. Metodo di Rietveld.
La diffrazione di neutroni da polveri e da cristallo singolo
Proprietà dei neutroni. Sorgenti e rivelatori di neutroni. Caratteristiche e principali applicazioni della diffrazione di neutroni.
Tecnica X-N. Studio della distribuzione della densità elettronica.
Ingegneria cristallina
Definizione di ingegneria cristallina attraverso l’uso delle interazioni intermolecolari. Concetto di sintone; strutture
condizionate dalla formazione di legami di idrogeno e di alogeno. Guida all’uso della banca dati CSD

Testi di base consigliati e disponibili in biblioteca:
C. Hammond:”The Basics of Crystallography and Diffraction” 3rd ed. (2009).
C. Giacovazzo (Ed.):"Fundamentals of Crystallography". IUCr OUP 2nd ed. (2002).

Dispense e articoli forniti da docenti.

il corso si compone di 48 ore di lezioni frontali

non obbligatoria

Al fine del corso è prevista una prova orale

Illustra l'importanza delle Tabelle Internazionali di Cristallografia nell'analisi strutturale dei materiali cristallini. Quali informazioni possono essere ottenute da queste tabelle e come vengono utilizzate per risolvere problemi pratici durante l'affinamento strutturale dei dati sperimentali?

Descrivi il processo di diffrazione dei raggi X e spiega come viene utilizzato per analizzare la struttura cristallina dei materiali. Fornisci un esempio pratico di come i dati di diffrazione possono essere interpretati per determinare i parametri di cella di un cristallo.

• Il programma del corso è suddiviso in due moduli, ciascuno corrispondente a 3 CFU (24 ore di lezione). Il primo modulo è dedicato ai fondamenti della cristallografia e introduce i principali concetti di simmetria cristallina, gruppi puntuali, reticoli cristallini, gruppi spaziali e struttura cristallina.Il secondo modulo è dedicato alla diffrazione di raggi X e alle principali tecniche di caratterizzazione strutturale dei materiali cristallini. Verranno trattati i principi della diffrazione, la legge di Bragg, i fattori che influenzano l'intensità dei picchi di diffrazione, l'identificazione delle fasi cristalline e le applicazioni della diffrazione a polveri nello studio della struttura dei materiali.