Applicazioni di chimica analitica strumentale
A.A. 2024/2025
Obiettivi formativi
L'insegnamento fornisce le basi su i) principi e applicazioni della diffrazione di polveri; ii) analisi termiche; iii) analisi chemiometriche; iv) spettroscopia di massa v) risonanza magnetica nucleare, per rendere gli studenti autonomi nella risoluzione di problematiche qualitative e quantitative comuni.
Risultati apprendimento attesi
Al termine del corso lo studente sara' in grado di:
-interpretare eventi termici in analisi DSC e TGA
-interpretare gli spettri di diffrazione di polveri, utilizzare le banche dati ed effettuare semplici analisi quali e quantitative di miscele di polveri policristalline
- interpretare il risultato di un'analisi multivariata
- interpretare spettri e individuare la struttura di semplici composti organici dai relativi spettri 1H e 13C NMR e MS.
-interpretare eventi termici in analisi DSC e TGA
-interpretare gli spettri di diffrazione di polveri, utilizzare le banche dati ed effettuare semplici analisi quali e quantitative di miscele di polveri policristalline
- interpretare il risultato di un'analisi multivariata
- interpretare spettri e individuare la struttura di semplici composti organici dai relativi spettri 1H e 13C NMR e MS.
Periodo: Primo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Primo semestre
Programma
Modulo di Diffrazione e Analisi Termiche.
Stati della materia. L'anisotropia e il significato di ordine. Richiami di cristallografia elementare. Piani e direzioni cristallografiche. Teoria della diffrazione: storia, natura e produzione dei raggi X. Sorgenti di raggi-X convenzionali e radiazione di sincrotrone. Diffrazione di raggi X: diffusione da parte di un elettrone, di un atomo (il fattore di scattering atomico) e di un reticolo (il fattore di struttura). Diffusione da un cristallo: l'interpretazione di Bragg, il reticolo reciproco, la sfera di Ewald. La figura di diffrazione di un campione policristallino. Tecniche sperimentali: geometrie di diffrazione per campioni policristallini. Preparazione del campione e strategie di acquisizione dati. Aspetti pratici della diffrazione di raggi-X da polveri (PXRD). Analisi qualitativa delle fasi presenti in una miscela mediante diffrazione da polveri. Analisi quantitativa da polveri: il metodo del RIR e il metodo di Rietveld. Determinazione della componente amorfa e utilizzo dello standard interno. Utilizzo delle banche dati cristallografiche. La banca dati PDF ed il suo uso per il riconoscimento delle fasi; gli standard NIST per la diffrazione a polveri; la caratterizzazione della microstruttura e il problema dell'orientazione preferenziale. L'utilizzo della radiazione di sincrotrone per l'analisi quantitativa da polveri. Richiami di Fluorescenza di raggi X (XRF): principi. Analisi qualitativa e quantitativa con XRF.
Le analisi termiche: principi. Termogravimetria e calorimetria a scansione differenziale. Strumentazione e aspetti pratici. Analisi termiche simultanee (STA e DTA). Analisi dei termogrammi, determinazione del contenuto di solvente e del residuo finale, determinazione della purezza enantiomerica e identificazione di polimorfi. Analisi termiche in atmosfera controllata. Analisi termiche combinate: la termodiffrattometria. Esempi di analisi quali/quantitativa con tecniche combinate. Esempi di applicazioni industriali della diffrazione di polveri e delle analisi termiche in ambito farmaceutico, nella scienza dei materiali e nel campo dei beni culturali.
Modulo di Spettroscopia NMR e spettrometria MS.
Le basi della spettroscopia NMR. Nuclei NMR attivi. La spettroscopia ad impulsi. I tempi di rilassamento T1 e T2. Le osservabili NMR: il chemical shift, la costante di accoppiamento e l'integrale.
Lo spettro NMR del protone (1H): valori tipici di chemical shift e costante di accoppiamento.
Lo spettro NMR del carbonio (13C): valori tipici di chemical shift e costanti di accoppiamento. L'utilizzo del disaccoppiamento e le sequenze semplici nell'acquisizione di spettri al 13C. Spettri DEPT.
L'osservazione dello scambio chimico nello spettro NMR.
Assegnazione di spettri monodimensionali 1H e 13C di molecole a formula nota e incognita.
Spettri NMR bidimensionali omonucleari (COSY) e eteronucleari (HSQC)
Le basi della spettrometria di massa (MS). La ionizzazione e le principali sorgenti: impatto elettronico (EI), ionizzazione chimica (CI), bombardamento con atomi veloci (FAB), ionizzazione laser assistita da matrice (MALDI), elettrospray (ESI). Come leggere uno spettro di MS e la frammentazione dei principali gruppi funzionali in MS. Risoluzione e Accuratezza. Gli analizzatori: analizzatore magnetico, a doppia focalizzazione, quadrupolo (e derivati), trappola ionica, tempo di volo (TOF), a risonanza ciclotronica ionica in trasformata di Fourier (FT-ICR). I rilevatori. Le tecniche combinate cromatografia-MS: GC-MS e LC-MS e loro applicazioni.
Esempi di interpretazione di spettri NMR e MS per l'identificazione di molecole organiche incognite.
Stati della materia. L'anisotropia e il significato di ordine. Richiami di cristallografia elementare. Piani e direzioni cristallografiche. Teoria della diffrazione: storia, natura e produzione dei raggi X. Sorgenti di raggi-X convenzionali e radiazione di sincrotrone. Diffrazione di raggi X: diffusione da parte di un elettrone, di un atomo (il fattore di scattering atomico) e di un reticolo (il fattore di struttura). Diffusione da un cristallo: l'interpretazione di Bragg, il reticolo reciproco, la sfera di Ewald. La figura di diffrazione di un campione policristallino. Tecniche sperimentali: geometrie di diffrazione per campioni policristallini. Preparazione del campione e strategie di acquisizione dati. Aspetti pratici della diffrazione di raggi-X da polveri (PXRD). Analisi qualitativa delle fasi presenti in una miscela mediante diffrazione da polveri. Analisi quantitativa da polveri: il metodo del RIR e il metodo di Rietveld. Determinazione della componente amorfa e utilizzo dello standard interno. Utilizzo delle banche dati cristallografiche. La banca dati PDF ed il suo uso per il riconoscimento delle fasi; gli standard NIST per la diffrazione a polveri; la caratterizzazione della microstruttura e il problema dell'orientazione preferenziale. L'utilizzo della radiazione di sincrotrone per l'analisi quantitativa da polveri. Richiami di Fluorescenza di raggi X (XRF): principi. Analisi qualitativa e quantitativa con XRF.
Le analisi termiche: principi. Termogravimetria e calorimetria a scansione differenziale. Strumentazione e aspetti pratici. Analisi termiche simultanee (STA e DTA). Analisi dei termogrammi, determinazione del contenuto di solvente e del residuo finale, determinazione della purezza enantiomerica e identificazione di polimorfi. Analisi termiche in atmosfera controllata. Analisi termiche combinate: la termodiffrattometria. Esempi di analisi quali/quantitativa con tecniche combinate. Esempi di applicazioni industriali della diffrazione di polveri e delle analisi termiche in ambito farmaceutico, nella scienza dei materiali e nel campo dei beni culturali.
Modulo di Spettroscopia NMR e spettrometria MS.
Le basi della spettroscopia NMR. Nuclei NMR attivi. La spettroscopia ad impulsi. I tempi di rilassamento T1 e T2. Le osservabili NMR: il chemical shift, la costante di accoppiamento e l'integrale.
Lo spettro NMR del protone (1H): valori tipici di chemical shift e costante di accoppiamento.
Lo spettro NMR del carbonio (13C): valori tipici di chemical shift e costanti di accoppiamento. L'utilizzo del disaccoppiamento e le sequenze semplici nell'acquisizione di spettri al 13C. Spettri DEPT.
L'osservazione dello scambio chimico nello spettro NMR.
Assegnazione di spettri monodimensionali 1H e 13C di molecole a formula nota e incognita.
Spettri NMR bidimensionali omonucleari (COSY) e eteronucleari (HSQC)
Le basi della spettrometria di massa (MS). La ionizzazione e le principali sorgenti: impatto elettronico (EI), ionizzazione chimica (CI), bombardamento con atomi veloci (FAB), ionizzazione laser assistita da matrice (MALDI), elettrospray (ESI). Come leggere uno spettro di MS e la frammentazione dei principali gruppi funzionali in MS. Risoluzione e Accuratezza. Gli analizzatori: analizzatore magnetico, a doppia focalizzazione, quadrupolo (e derivati), trappola ionica, tempo di volo (TOF), a risonanza ciclotronica ionica in trasformata di Fourier (FT-ICR). I rilevatori. Le tecniche combinate cromatografia-MS: GC-MS e LC-MS e loro applicazioni.
Esempi di interpretazione di spettri NMR e MS per l'identificazione di molecole organiche incognite.
Prerequisiti
Conoscenze dei concetti di base della chimica organica, della struttura molecolare. Matematica e calcolo numerico (come da programma del primo anno).
Per questo insegnamento sono inoltre consigliati i seguenti corsi come prerequisiti:
-Chimica organica I e II
-Chimica generale e inorganica.
-Complementi di matematica e calcolo numerico.
Per questo insegnamento sono inoltre consigliati i seguenti corsi come prerequisiti:
-Chimica organica I e II
-Chimica generale e inorganica.
-Complementi di matematica e calcolo numerico.
Metodi didattici
L'approccio didattico prevede una combinazione di metodi per migliorare l'apprendimento e il coinvolgimento. Le lezioni frontali con proiezione di slide prevedono l'erogazione strutturata dei contenuti, integrati da spiegazioni alla lavagna per una comprensione più approfondita. Esercitazioni guidate, inclusi casi di studio, consentono l'applicazione pratica dei concetti con il supporto del docente.
Il coinvolgimento interattivo potrà essere favorito anche attraverso l'uso di un'app, che consente l'interazione in tempo reale con la classe. Domande semplici potranno essere poste in modo anonimo per valutare immediatamente la comprensione, facilitare la partecipazione attiva e consentire un rapido feedback. Sessioni pratiche con i computer verranno all'occorrenza sfruttate per offrire esperienza pratica, in cui gli studenti applicano i metodi appresi a casi di studio reali.
Il coinvolgimento interattivo potrà essere favorito anche attraverso l'uso di un'app, che consente l'interazione in tempo reale con la classe. Domande semplici potranno essere poste in modo anonimo per valutare immediatamente la comprensione, facilitare la partecipazione attiva e consentire un rapido feedback. Sessioni pratiche con i computer verranno all'occorrenza sfruttate per offrire esperienza pratica, in cui gli studenti applicano i metodi appresi a casi di studio reali.
Materiale di riferimento
- Analisi di Materiali Policristallini Mediante Tecniche di Diffrazione, Guagliardi & Masciocchi Ed.s, Insubria University Press, Varese 2007.
- Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, Second Edition. Pecharsky, Vitalij, Zavalij, Peter.
- Introduction to Thermal Analysis: Techniques and Applications - Edited by Michael E. Brown. Springer; 2nd edition.
- Guida Pratica alla Interpretazione di Spettri NMR, Antonio Randazzo, Loghia, 2018
- Dispense e materiale di approfondimento fornito dai docenti. Queste risorse servono a integrare le lezioni frontali e a fornire agli studenti una copertura completa degli argomenti discussi in classe.
- Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials, Second Edition. Pecharsky, Vitalij, Zavalij, Peter.
- Introduction to Thermal Analysis: Techniques and Applications - Edited by Michael E. Brown. Springer; 2nd edition.
- Guida Pratica alla Interpretazione di Spettri NMR, Antonio Randazzo, Loghia, 2018
- Dispense e materiale di approfondimento fornito dai docenti. Queste risorse servono a integrare le lezioni frontali e a fornire agli studenti una copertura completa degli argomenti discussi in classe.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La verifica dell'apprendimento verrà condotta attraverso una prova scritta con un punteggio massimo di 30/30. L'esame sarà diviso in due sezioni: una incentrata sulle analisi diffrattometriche/termiche e l'altra sulla spettrometria di massa (MS) e sulla risonanza magnetica nucleare (NMR). Ciascuna sezione conterrà sia domande teoriche che esercizi, per ciascuno dei quali sarà disponibile un punteggio totale di 30 punti. Il voto finale sarà calcolato come media aritmetica dei punteggi ottenuti in entrambe le sezioni.
CHIM/01 - CHIMICA ANALITICA - CFU: 6
Lezioni: 48 ore
Docenti:
Colombo Valentina, Vasile Francesca
Turni:
Siti didattici
Docente/i
Ricevimento:
su appuntamento
Ufficio personale