Wstęp do chemii nanomateriałów

Chemia fizyczna

Analiza instrumentalna

Chemia stosowana i materiałów

Podstawy chemii kwantowej

Chemia organiczna

przedmiot fakultatywny

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli (70 godz.):

- udział w wykładach – 20 godz.

- udział w laboratorium – 40 godz.

- konsultacje i praca z nauczycielem akademickim – 10 godz.

Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta (55 godz.):

- przygotowanie do laboratorium – 10 godz.

- przygotowanie do wykładu – 5 godz.

- czytanie literatury – 20 godz.

- przygotowanie studenta do egzaminu – 20 godz.

Łącznie: 125 godz. (5 ECTS)

Student:

W1: zna zasady nazewnictwa związków nieorganicznych – K_W01

W2: zna podstawowe prawa chemiczne – K_W01

W3: zna cząstki elementarne wchodzące w skład materii – K_W01

W4: zna teorie (klasyczne i kwantowe) budowy atomu i powstawania wiązań chemicznych – K_W01

W5: zna podstawy teoretyczne kinetyki oraz równowagi chemicznej – K_W08

W6: zna przepisy i zasady z zakresu bezpieczeństwa i higieny pracy, podstawowe pojęcia z zakresu toksykologii; akty prawne dotyczące norm i wymagań laboratoriów chemicznych oraz regulacje prawne dotyczące niebezpiecznych substancji i ich przechowywania oraz oznakowania – K_W16

W7: posiada wiedzę w zakresu podstawowych zagadnień technologii i inżynierii chemicznej – K_W15

W8: zna podstawowe aspekty budowy i metody oceny właściwości materiałów i substancji chemicznych. Ma wiedzę pozwalającą na wykorzystania materiałów do określonego celu praktycznego oraz wskazania metody ich zagospodarowania po okresie użytkowania – KW_13

W9: zna podstawowe pojęcia i metody badawcze współczesnej chemii nanomateriałów – KW_10

W10: posiada znajomość podstawowych terminów, pojęć, zasad i praw fizyki i chemii oraz ich uniwersalnego charakteru w stopniu wystarczającym do dalszej edukacji – KW_09

Student:

U1: nazywa nieorganiczne związki chemiczne – K_U01

U2: zapisuje równania reakcji zachodzących w roztworach wodnych z udziałem nanomateriałów – K_U01

U3: wykonuje doświadczenia związane z stanem równowagi w wodnych roztworach nanomateriałów – K_U05, K_U08

U4: interpretuje wyniki przeprowadzonych doświadczeń – K_U03, K_U08

U5: wykonuje obliczenia związane ze stanem równowagi w roztworach wodnych – K_U03

U6: posiada umiejętności wykonywania pomiarów podstawowych wielkości chemicznych nanomateriałów oraz potrafi opracować wyniki eksperymentów fizyko-chemicznych – K_U05

U7: potrafi wykonać analizy ilościowe z zastosowaniem metod wagowych, miareczkowych i instrumentalnych na podstawie procedur analitycznych oraz przygotować raporty z analizy – K_U06

U8: rozpoznaje grupy funkcyjne nanomateriałów i prowadzi eksperymenty z ich wykorzystaniem – K_U07

U9: umie znajdować relacje pomiędzy zachowaniem się nanomateriałów podczas formowania i użytkowania a właściwościami fizykochemicznymi, budową i rodzajem struktury – K_U13

Student:

K1: dostrzega zależności pomiędzy zjawiskami i poprawnie wyciąga wnioski – K_K01

K2: jest nastawiony na jak najlepsze wykonywanie powierzonych zadań – K_K03

K3: jest nastawiony na zdobywanie nowej wiedzy, umiejętności i doświadczeń – K_K02, K_K05

K4: zna ograniczenia własnej wiedzy i umiejętności – K_K05, K_K09

K5: pracuje systematycznie – K_K06

K6: nawiązuje współpracę w grupie – K_K09

K7: dba o środowisko naturalne – K_K08

Metody dydaktyczne podające:

- wykład informacyjny (konwencjonalny) z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych.

Metody dydaktyczne poszukujące:

- laboratorium: przedmiot obejmuje laboratorium specjalistyczne. Celem jest zapoznanie studentów z metodami stosowanymi w nanoskali w przypadku nowatorskich materiałów, które obecnie stają się jedną z podstawowych metod współczesnych materiałów inżynierskich. Zajęcia laboratoryjne związane są z treściami programowymi przerabianymi na wykładach. Student wykonuje zadania samodzielnie po przygotowaniu w oparciu o dostępną instrukcję oraz zalecaną literaturę. W oparciu o poczynione obserwacje i wyniki pomiarów student zapisuje stosowne równania reakcji, wykonuje obliczenia oraz wyciąga wnioski.

- pokaz

- opis
- pogadanka
- wykład informacyjny (konwencjonalny)
- wykład konwersatoryjny
- wykład problemowy

- biograficzna
- ćwiczeniowa
- laboratoryjna
- obserwacji

Przedmiot składa się z serii wykładów oraz pracowni stanowiących wprowadzenie do szeroko rozumianej chemii materiałowej oraz nanotechnologii. Pomimo, że jest to przedmiot do wyboru, to jest on prowadzony z powodzeniem od kilku lat. Wykład obejmuje omówienie metod otrzymywania nanomateriałów. W czasie zajęć szczególna uwaga zwracana jest na metody otrzymywania oraz charakteryzację ich właściwości fizykochemicznych. Omawiane są aspekty praktyczne związane z komercyjnym zastosowaniem nanomateriałów.

Realizację zajęć zaplanowano w laboratoriach Katedry Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy. Obejmują one syntezę wybranych grup nanomateriałów, modyfikacje ich struktury oraz natury chemicznej. Duża uwaga zwracana jest na jak najszersze wykorzystanie metod instrumentalnych. Zajęcia laboratoryjne związane są z treściami programowymi przerabianymi na wykładach. Studenci wykonuje zadania samodzielnie po przygotowaniu w oparciu o dostępną instrukcję oraz zalecaną literaturę.

Treści programowe wykładu:

1. Metody - nanotechnologia a „zielona chemia”.

2. Nanomateriały: klasyfikacja, rodzaje, podobieństwa, różnice.

3. Historia otrzymywania nanomateriałów oraz rozwoju nanotechnologii.

4. Przedstawienie tła historyczne oraz czynników determinujących rozwój nanotechnologii.

5. Synteza nanomateriałów.

6. Sposoby i techniki ich charakteryzacji.

7. Defekty. Nieidealność struktury.

8. Chemiczne modyfikacje – funkcjonalizacja.

9. Aktywność biologiczna. Toksyczność.

10. Wykorzystanie nanomateriałów: fotochemia, fotowoltaika, elektrochemia, magazynowanie energii, nanokataliza, optoelektronika, nanomedycyna.

11. Odpowiedź na pytania: Co dalej? Czy czeka nasz dalsza rewolucja nanotechnologiczna.

Treści programowe laboratorium:

1. Synteza i badanie właściwości fizykochemicznych hydroksyapatytów

2. Otrzymywanie nanocząstek srebra metodą redukcji chemicznej

3. Modyfikacja chemiczna nanorurek węglowych

4. Metody badań powierzchniowych grup tlenowych – określenie chemizmu powierzchni materiałów węglowych metodą Boehma

5. Synteza biokatalizatorów - immobilizacja katalazy na CNT

6. Badania XPS chemizmu powierzchni nanomateriałów węglowych - interpretacja widm XPS

7. Metody badań powierzchniowych grup tlenowych - TPD

8. Interpretacja widm FTIR modyfikowanych nanomateriałów węglowych

9. Synteza nanokrystalicznych proszków TiO2 metodą zol-żel

10. Aktywność katalityczna nanomateriałów węglowych - rozkład H2O2

11. Mikrofalowa synteza nanocząstek ZnO

12. Filtry do opalania a nanocząstki ZnO

Literatura podstawowa:

1. I.J. Nejmark, Syntetyczne adsorbenty mineralne, WNT, Warszawa, 1988.

2. Z. Sarbak, Nieorganiczne materiały nanoporowate, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2009.

3. Z. Sarbak, Adsorpcja i adsorbenty: teoria i zastosowania, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2000.

4. R.C. Bansal, M. Goyal, Adsorpcja na węglu aktywnym, WNT, Warszawa, 2009.

5. Z. Sarbak, Metody instrumentalne w badaniach adsorbentów i katalizatorów, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2005.

6. M. Ziółek, I. Nowak, Kataliza heterogeniczna. Wybrane zagadnienia, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 1999.

7. B. Grzybowska-Świerkosz, Elementy katalizy heterogenicznej, PWN, Warszawa, 1993.

8. B. C. Gates, Catalytic Chemistry, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1992.

9. W. Przygocki, Fulereny i nanorurki, Wyd, Naukowo-Techniczne, 2001.

10. A. Huczko, Nanorurki węglowe – czarne diamenty XXI wieku, BEL, 2004.

11. P.J.F. Harris, Carbon Nanotube Science: Synthesis, Properties and Applications, Cambridge University Press, 2009

Literatura uzupełniająca:

1. E. J. Bottani and J.M.D. Tascon (Editors), Adsorption by Carbons, Elsevier, Amsterdam, 2008.

2. R.T. Yang, Adsorbents: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2003.

3. J.A. Moulijn, P.W.N.M. van Leeuwen and R.A. Santen (editors), Catalysis: An Integrated Approach to Homogeneous, Heterogeneous and Industrial Catalysis, Elsevier, Amsterdam, 1993.

4. J. M. Thomas, W. J. Thomas, Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis, VCH, Weinheim, 1997.

5. R. Setton et al., Carbon Molecules and Related Materials, Taylor, Londyn, 2002.

6. H. Marsh, F. Rodriguez – Reinoso, Sciences of Carbon Materials, Alicante, 2000.

7. P.J.F. Harris, Carbon Nanotubes and Related Structures. New Materials for the Twenty-First Century, Cambridge University Press, 1999.

Metody oceniania:

wykład – egzamin: W1-W5, W7-W10

laboratorium – raporty: W5-W7, W9, W10, K1-K9

Kryteria oceniania:

Wykład:

Zaliczenie blokowe z następującymi wagami:

- 50% egzamin pisemny obejmujący treści omawiane na wykładzie

- 50 % ocena z laboratorium

Wymagany próg na ocenę:

- dostateczną: 50 -60 %

- dostateczną plus: 61 – 65 %

- dobrą: 66 – 75 %

- dobrą plus: 76 – 80 %

- bardzo dobrą: 81-100 %

Laboratorium:

Zaliczenie na ocenę w oparciu o:

- sporządzone raporty z wyników samodzielnie przeprowadzonych zadań

Wymagany próg na ocenę:

- dostateczną: 50 -60 %

- dostateczną plus: 61 – 65 %

- dobrą: 66 – 75 %

- dobrą plus: 76 – 80 %

- bardzo dobrą: 81-100 %