STAGE PRESSO DIPARTIMENTO CHIMICA SEZIONE CHIMICA-FISICA DI PAVIA

1. STAGE PRESSO DIPARTIMENTO CHIMICA SEZIONE CHIMICA-FISICA DI PAVIA Fabio Porta Scarta Alessia Corsico

2. Premessa Lo stage effettuato presso il dipartimento di chimica-fisica si è rivelato un’esperienza formativa che ci ha permesso di apprendere nozioni importanti e approfondire argomenti che non vengono trattati nelle scuole superiori per la loro complessità. Lavorare quasi in modo autonomo ci ha reso più indipendenti e sicuri. Tutto ciò è stato possibile grazie al personale molto qualificato che per due settimane ci ha seguito nel nostro percorso di orientamento.

3. Prerequisiti Nell’arco delle due settimane di stage abbiamo sintetizzato sei composti, di cui 3 fluoruri (BaCoF4,Ba2CoF6,Ba2Co3F10) e 3 ossidi (La8Y2Ge6O27, Sr2MgSi2O7, Sr2MgGe2O7). Quasi tutti questi composti sono stati realizzati tramite reazioni solido-solido, cioè particolari reazioni caratterizzate da reagenti allo stato solido che per essere portate a compimento necessitano di reattivi ben pressati affinché le molecole siano più vicine possibile tra loro e infine scaldati a opportune temperature. L’ultimo ossido è stato preparato con una metodica differente, cioè Solgel, che consiste nel solubilizzare i reagenti in acqua deionizzata con un complessante e successivamente far evaporare tutto il solvente; il rimanente deve essere posto in stufa a temperature adeguate. Per determinare la totale formazione dei composti abbiamo utilizzato un diffrattometro a raggi X.

4. DIFFRATTOMETRO A RAGGI X Si tratta di uno strumento che utilizza radiazioni, che ricadono nel campo dei raggi x, per determinare la struttura di composti organici ed inorganici. Questo è possibile grazie alla diffrazione dei fasci che interagiscono con la materia cristallina e policristallina creando interferenze costruttive o distruttive. Il fenomeno di diffrazione si ha solo nei casi di interferenza costruttiva. L’interazione avviene poiché i raggi X possiedono una lunghezza d’onda nell’ordine dell’Å, esattamente come la distanza tra gli atomi di un solido, in questo modo i raggi X vengono diffratti dai piani reticolari del cristallo secondo la legge di Bragg

5. Legge di Bragg 2dsen=n dove:θ (theta) è l'angolo che il fascio incidente forma col piano cristallino,λ (lambda) è la lunghezza d'onda della radiazioned è la distanza tra due piani adiacenti.

6. Componenti del Diffrattometro a raggi X Il diffrattometro a raggi X è costituito da una camera composta da pareti in Piombo, per impedire la dispersione di radiazioni nell’ambiente esterno; all’interno della camera è presente un alloggiamento per il campione e due braccia: il primo contiene il cosiddetto tubo di Coolidge che emette radiazioni X, il secondo un monocromatore e un rivelatore. Il tubo di Coolidge è costituito da un'ampolla di vetro, all'interno della quale viene fatto il vuoto, posta dentro un involucro metallico rivestito di piombo. All'interno dell'ampolla vi sono anodo e catodo. Il catodo è costituito da un filamento, tipicamente di tungsteno. Questo viene attraversato da una corrente intensa che riscalda il catodo e determina la fuoriuscita degli elettroni di conduzione per emissione termoionica. Tali elettroni vengono poi accelerati verso l'anodo grazie all'alta differenza di potenziale che viene applicata tra il catodo e l'anodo. Gli elettroni prodotti al catodo sono accelerati verso l'anodo da un potenziale maggiore di 100 kV e bombardando la targhetta bersaglio producono i raggi X.

7. Fluoruri BaCoF4,Ba2CoF6,Ba2Co3F10 sono composti particolari per le loro caratteristiche piezometriche (e magnetiche), cioè sono in grado di produrre un d.d.p. quando vengono compressi, e se attraversati da una corrente elettrica, per mezzo di elettrodi, si piegano di un determinato angolo, proporzionale all’intensità di corrente fornita.

8. Sintesi Fluoruri • Pesare reagenti (BaF2 e CoF2), dopo opportuni calcoli stechiometrici, con bilancia con sensibilità fino a quattro cifre decimali; • Unire le polveri in un mortaio per amalgamare; • Chiudere le polveri in sacchettini di plastica impermeabili; • Utilizzare la pressa idraulica per comprimere i reagenti; • Deporre la pallina ottenuta in una lamina di platino e il tutto in un tubo di silice • Inserire il tubo nel forno tubolare e rendere l’atmosfera satura di argon per impedire che il composto si ossidi • Lasciare in forno per 24h a 800°c; • Raffreddare • Eliminare eventuale ossidazione sulla superficie della pallina con la carta vetro • Polverizzare la pallina • Analizzare con Diffrattometro a raggi X per verificare la presenza di impurezze

9. Analisi dei grafici Abbiamo seguito il decorso di reazione confrontando i grafici relativi ai reagenti e quelli relativi ai prodotti. Nel caso della prima sintesi (come si può vedere nella slide successiva) i picchi di diffrazione dei reagenti sono diversi da quelli del campione finale in quanto nel composto non ancora reagito sono presenti BaF2 e CoF2. Quando i picchi dei due fluoruri non sono più presenti identifichiamo che è avvenuta la reazione, che ci aspettavamo. Analoghe considerazioni possono essere estese a tutti gli altri prodotti sintetizzati.

10. BaCoF4 Sintesi dei fluoruri per ottenere 10g di campione Reazione: BaF2 + CoF2 BaCoF4 MM = 272,29 g/mol Moli necessarie: 10g/272,29g/mol = 0,03693 moli MMBaF2: 175,3 g/mol ; MMCoF2: 96,93 g/mol ; Rapporto stechiometrico 1:1 Massa BaF2: 175,3g/mol x 0,03693moli= 6,4394g Massa CoF2: 96,93g/mol x 0,03693moli=3,5606g

11. Sintesi dei fluoruri per ottenere 10g di campione Reazione: 2BaF2 + CoF2 Ba2CoF6 MM = 447,53 g/mol Moli necessarie: 10g/447,53g/mol = 0,02234 moli MMBaF2: 175,3 g/mol ; MMCoF2: 96,93 g/mol ; Rapporto stechiometrico 2:1 Massa BaF2: (175,3g/mol x 0,02234moli)x2= 7,8341g Massa CoF2: 96,93g/mol x 0,02234moli=2,1659g Ba2CoF6

12. Sintesi del fluoruro per ottenere 10g Reazione: 2BaF2 + 3CoF2 Ba2Co3F10 MM = 641,39 g/mol Moli necessarie: 10g/641,39g/mol = 0,01559 moli MMBaF2: 175,3 g/mol ; MMCoF2: 96,93 g/mol ; Rapporto stechiometrico 2:3 Massa BaF2: (175,3g/mol x 0,01559moli)x2= 5,4663g Massa CoF2: (96,93g/mol x 0,01559moli)x3=4,5337g Ba2Co3F10 Il grafico relativo al composto Ba2Co3F10 non è disponibile per mancanza di tempo.

13. La8Y2Ge6O27 Sintesi degli ossidi per ottenere 10g di campione Reazione: 4La2O3 + Y2O3 + 6GeO2  La8Y2Ge6O27 MMcampione: 2156,6138 g/mol • La2O3 MM = 325,8182 g/mol Molcampione= 4mol La2O3 = (10g/2156,6138 g/mol)*4 = 0,018547595 mol Massa La2O3 = 0,018547595 mol * 325,8182 g/mol = 6,0431 g La2O3 • Y2O3 MM = 225,8082 g/mol Molcampione = mol Y2O3 = (10g/2156,6138 g/mol) = 0,004636898 mol Massa Y2O3 = 0,004636898 mol * 225,8082 g/mol = 1,0470 g Y2O3 • GeO2 MM = 104,5888 g/mol Molcampione= 6mol GeO2 = (10g/2156,6138 g/mol)*6 = 0,027821392 mol Massa GeO2 = 0,027821392 mol * 104,5888 g/mol = 2,9098 g GeO2

14. Conclusione L’attività di stage svolta da noi presso il Dipartimento di Chimica-Fisica di Pavia ci ha consentito di seguire le tappe fondamentali della sintesi e della caratterizzazione mediante diffrazione ai raggi x di fluoruri, apatiti e melilite. L’indagine analitica svolta con l’utilizzo di un diffrattometro a raggi x ci ha confermato la natura dei composti da noi sintetizzati.