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Daniele MALFERRARI
Professore Associato
Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche - Sede Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche
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Insegnamento: Mineralogia analitica e applicata
Scienze chimiche (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
L'obiettivo dell'insegnamento è fornire agli studenti le nozioni fondamentali inerenti la mineralogia e, soprattutto, le principali applicazioni dei minerali (e, più in generale, materie prime e prime/seconde) in ambito ambientale, industriale ed agronomico. Il raggiungimento di questo risultato prevede l’acquisizione di conoscenze fondamentali relativamente:
(1) Alla classificazione ed ai metodi analitici di riconoscimento dei minerali con particolare riferimento a quelli che si prestano ad applicazioni.
(2) Ai modelli di reazioni che intercorrono all'interfaccia solido/liquido e solido/gas tra minerali (principalmente fillosilicati e zeoliti) e soluzioni/dispersioni gassose contenenti molecole inquinanti (ad es. ammoniaca, acido sofidrico, aromatici, etc) o maleodoranti (tioli, ammine, mercaptani, etc).
(3) Ai metodi di produzione di materiali ibridi (minerali modificati).
(3) Alle metodologie di analisi dei minerali (naturali) e, soprattutto, modificati.
(4) Al ruolo dei minerali in contesti applicativi in ambito ambientale, industriale ed agronomico. Per ogni classe di minerali che verrà descritta saranno spiegati i principali contesti applicativi e verranno illustrate le metodologie necessarie allo studio.
Prerequisiti
Propedeuticità consigliate: Chimica Generale, Chimica Analitica.
In particolare, gli studenti dovranno essere in grado di:
1) interpretare diagrammi di fase
2) conoscere le principali metodologie analitiche di ambito chimico (misure di elementi in soluzione e su solido mezzo tecniche spettroscopiche e spettrometriche; analisi elementare; calcoli stechiometrici di base)
3) conoscere i differenti tipi di legame chimico ed il significato delle formule chimiche
Programma del corso
NOTA: La suddivisione dei contenuti per CFU (e di conseguenza delle ore impiegate) potrà variare sensibilmente in funzione dei feedback ricevuti.
MINERALOGIA ANALITICA, 2 CFU. Descrizione delle principali metodologie analitiche nell’ambito della mineralogia generale ed applicata. Verranno riprese ed approfondite le seguenti metodologie riferendole all’impiego per analisi mineralogiche: Diffrazione X da polvere con riferimenti alle misure di tessiture (orientazioni preferenziali morfologiche e di reticolo) ed alla analisi quantitatia delle fasi in miscele di polvere multifase (metodo Rietveld). Analisi termogravimetriche e termodifferenziali abbinate a spettrometria di massa dei gas emessi. Spettroscopia di assorbimento dei raggi X (con particolare riferimento alla analisi della regione XANES). Estrazioni sequenziali e selettive per la determinazioni di elementi in traccia in frazioni minerali. Per tutte le metodologie verranno illustrati e commentati esempi di misure riferite ai minerali (inclusa l’interpretazione di misure sperimentali).
MINERALOGIA ANALITICA, 0.25 CFU. Descrizione delle principali classi di minerali soffermandosi maggiormente su quelle che comprendono minerali di rilevante interesse applicativo. Prevede una sintetica descrizione cristallochimica delle seguenti classi: elementi nativi, solfuri, alogenuri, ossidi, carbonati, fosfati, solfati, silicati (tutti i minerali descritti verranno anche osservati macroscopicamente). Verrà quindi data maggiore enfasi (maggiore approfondimento della cristallochimica di bulk e di superfice) ai seguenti gruppi di minerali: Minerali delle argille, in particolare caolinite, smectite, vermiculite; Zeoliti, con particolare riferimento alle zeoliti naturali.
MINERALOGIA ANALITICA, 0.25 CFU. Meccanismi genetici dei minerali (cenni) con particolare riferimento alle relazioni tra chimismo del sistema genetico / cristallochimica e proprietà dei minerali. Minerali primari e minerali secondari (processi di alterazione supergenica in dipendenza da potenziale ionico, eH e pH). Proprietà chimiche e fisiche dei minerali osservabili a scala macroscopica e misurabili (cenni) con particolare rilevanza verso quella a maggiore valenza applicativa (stato di aggregazione; lucentezza, colore, colore della polvere, sfaldatura, durezza, piezoelettricità, radioattività)
MINERALOGIA APPLICATA, 2 CFU. Dalla ricerca alle applicazioni: esempi recenti di applicazioni di minerali in ambito agroalimentare, industriale ed ambientale. Verranno illustrate alcune esperienze correlate alla recente ricerca applicata di settore. Più in dettaglio: Interazioni all’interfaccia solido/liquido tra minerali delle argille e soluzioni contenenti complessi organometallici. Interazione e catalisi all’interfaccia solido/gas tra materiali ibridi (silicati variamente complessati) e composti gassosi maleodoranti o tossici (funzionalità e salute ambientale). Misure di speciazione chimica in sistemi complessi (suoli, sedimenti e materiali inquinati) applicando le metodologie prima descritte.
MINERALOGIA ANALITICA E APPLICATA, 1.5 CFU. Analisi di casi reali in laboratorio. Una miscela di minerali verrà caratterizzata mediante metodologie chimiche, termiche e diffrattometriche studiate durante il corso. Verrà quindi steso una report di prova analogo a quello che viene richiesto da aziende di settore.
Metodi didattici
L’insegnamento viene erogato in lingua italiana mediante lezioni frontali svolte in presenza (ovvero a distanza se imposto da normative sanitarie urgenti) che prevedono anche analisi di laboratorio (preparazione dei campioni per analisi mineralogiche/applicative, diffrazione X da polvere, misure termiche combinae con spettrometria di massa dei gas emessi, analisi chimiche mediante fluorescenza X). La frequenza alle lezioni non è obbligatoria sebbene sia fortemente consigliata. Il metodo didattico prevede sia un approccio tradizionale frontale in cui il docente fornisce le basi conoscitive del problema sia un approccio cooperativo in cui gli studenti sviluppano assieme al docente strategie per l'approfondimento delle tematiche proposte. Più in dettaglio prevede: 1) Lezioni frontali in senso stretto con l'impiego di mezzi audiovisivi (presentazioni power-point o similari) 2) Discussioni in classe condotte dal docente con coinvolgimento diretto degli studenti. 3) Dimostrazioni da parte del docente e, successivamente, degli studenti (anche mediante l'impiego di software per l'analisi dei dati). 4) Prove pratiche relative alla identificazione delle proprietà macroscopiche dei minerali, alla interpretazione di misure analitiche (analisi diffrattometriche, analisi termogravimetriche, analisi chimiche di materiali). In primis il docente opererà con gli studenti (analisi guidata delle misure); successivamente l’interpretazione verrà svolta autonomamente dagli studenti e verificata dal docente. Gli studenti non frequentanti devono contattare il docente che fornirà loro indicazioni su specifici argomenti integrativi/sostitutivi per l'affinamento delle abilità pratiche. Orario di ricevimento: su appuntamento richiesto via e-mail (daniele.malferrari@unimore.it).
Testi di riferimento
TEXTBOOKS REFERENCE - TESTI DI RIFERIMENTO
Notes provided by the teacher related to scientific literature. Appunti forniti dal docente relativi a bibliografia di settore.
A.F. Gualtieri - Introduzione alle tecniche analitiche strumentali. Edizioni libreriauniversitaria.it
C. KLEIN A.R. PHILPOTTS - Mineralogia e petrografia (tradotto a cura di G. Gasparotto ed R. Braga). Edizioni Zanichelli.
Swapna Mukherjee - Applied Mineralogy - Applications in Industry and Environment. Edizioni Springer.
GT. Nickel - Applied Mineralogy and industrial use of minerals.
W. Petruk - Applied Mineralogy in the Mining Industry - Elsevier
Verifica dell'apprendimento
L'accertamento e la valutazione delle conoscenze acquisite avviene attraverso una prova scritta oppure orale che verterà sugli argomenti svolti durante le lezioni teoriche e prevede domande inerenti gli argomenti riportati nella sezione "Contenuti del Corso". Saranno inoltre parte integrante dell'esame anche i risultati dell'esperienza di laboratorio. Il voto finale è la somma dei punteggi (si veda in seguito) attribuiti durante la prova e varierà da un valore minimo di zero (livello completamente insoddisfacente) ad un valore massimo di 30 (livello pienamente soddisfacente, privo o quasi completamente privo di punti di debolezza). La lode viene attribuita automaticamente qualora il punteggio finale sia maggiore di 30 punti. In caso di esito negativo (punteggio inferiore a 18 punti) il non superamento della prova non verrà registrato e la prova non potrà essere ripetuta prima di 30 giorni. L’esito della prova viene comunicato al termine della prova stessa. In caso di superamento lo studente ha la facoltà di rifiutare il voto; in questa circostanza decade il vincolo dei 30 giorni prima della ripetizione.
Le domande di entrambe le prove sono mirate alla:
1) Verifica della CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE: valutata attraverso tre domande inerenti almeno tre tra i punti del programma riportati nella sezione “Contenuti del Corso”. Punteggio massimo: 20 punti.
2) Verifica della CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE: valutata attraverso una domanda relativa all’interpretazione di dati ricavati da una misura analitica ed una domanda la cui risposta richiede sapere correlare le nozioni relative a più argomenti. Punteggio massimo: 10 punti.
3) Verifica delle ABILITÀ COMUNICATIVE: valutata sulla base delle capacità di interlocuzione e discussione e della proprietà di linguaggio. Punteggio massimo: 5 punti e concorre maggiormente alla assegnazione della lode.
Risultati attesi
I risultati di apprendimento attesi riguardano:
LA CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE. Tramite lezioni in aula ed esercitazioni guidate di laboratorio lo studente apprenderà:
i) informazioni dettagliate relativamente alla cristallochimica ed alle proprietà fisiche e chimiche dei principali e, in particolare, di quelli che si prestano ad applicazioni di varia natura; ii) le principali metodologie per l’identificazione di detti minerali e delle loro proprietà applicative; iii) le applicazioni a cui possono prestarsi determinati minerali; iv) le modalità di approvvigionamento e recupero di materie prime e seconde.
LA CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE. Tramite discussioni collegiali ed attività pratiche lo studente sarà in grado di:
i) riconoscere, anche attraverso l’impiego di strumenti w specifiche metodologie analitiche, i minerali impattanti sull’ecosistema e quantificarne le proprietà chimiche e fisiche misurabili; ii) modulare quantitativamente minerali attivi per determinati applicazioni; iii) valutare i potenziali effetti sull’ambiente e sulla salute umana dei minerali.
L’AUTONOMIA DI GIUDIZIO. Tramite discussioni collegiali e lavoro in gruppo lo studente potrà migliorare le proprie capacità nel:
i) formulare idee e proporre deduzioni sulla base delle conoscenze acquisite (ad esempio sapere riconoscere minerali rinvenuti autonomamente e collocarli nel corretto contesto applicativo); ii) comprendere quali soluzioni adottare in determinati contesti ambientali oppure applicativi (ad esempio quale minerale utilizzare per ottenere un determinato obiettivo in uno specifico ambito).
Lo sviluppo di ABILITÀ COMUNICATIVE. Tramite discussioni di gruppo e lo svolgimento della prova d’esame lo studente acquisirà adeguate competenze e strumenti comunicativi per:
i) utilizzare un linguaggio scientifico accurato; ii) la presentazione di misure analitiche e l’approntamento di schede descrittive; iii) comunicare con linguaggio semplice, ma al contempo obiettivo e rigoroso il potenziale impatto di definiti minerali sull’ecosistema.
Lo sviluppo di CAPACITA' DI APPRENDIMENTO. Lo studente attraverso le nozioni apprese durnate il proprio percorso universitario sarà in grado di:
i) completare autonomamente la conoscenza scientifica necessaria per affrontare indagini in autonomia utilizzando il metodo scientifico (ad esempio interpretare misure sperimentali, caratterizzare una materia prima, etc.) e quindi ad aggiornare in autonomia le proprie conoscenze; ii) comprendere aggiornamenti delle ricerche scientifiche; iii) mettere a frutto terminologia, schemi, concetti quali strumenti per raggiungere una conoscenza a 360 gradi; iv) impadronirsi ed affinare il proprio linguaggio scientifico, ricordandone gli elementi costitutivi ed espressivi.