PROPRIETA DEI MATERIALI

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1 PROPRIETA DEI MATERIALI Una proprietà è la risposta di un materiale ad una sollecitazione esterna. Per i materiali solidi le proprietà possono raggrupparsi in sei differenti categorie: 1. Meccaniche 2. Elettriche 3. Termiche 4. Magnetiche 5. Ottiche 6. Di deterioramento

2 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI I materiali solidi vengono suddivisi in: 1. Metalli 2. Ceramici 3. Semiconduttori 4. Polimeri 5. Compositi 6. Materiali avanzati (biomateriali, nanostrutture,...)

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4 LEGAMI ATOMICI NEI SOLIDI: forze ed energie di legame Molte proprietà fisiche dei materiali sono legate al tipo di forze interatomiche. A grandi distanze, l interazione fra due atomi è trascurabile; quando si avvicinano interagiscono. Esistono due tipi di forze: 1. Attrattive 2. Repulsive le cui intensità dipendono dalla distanza interatomica. La forza attrattiva (che dipende dal tipo di atomi coinvolti) aumenta al diminuire della distanza; oltre un certo avvicinamento entra in gioco la forza repulsiva. Quando le due forze si bilanciano si raggiunge una condizione di equilibrio e i due atomi sono separati da una distanza di equilibrio.

5 LEGAMI ATOMICI NEI SOLIDI: forze ed energie di legame

6 Energia di legame E l energia minima necessaria da fornire al sistema per portare i due atomi a distanza infinita. Una situazione simile, benchè più complessa, vale anche per molecole poliatomiche e per i solidi; per questi ultimi è possibile definire in analogia un energia di legame associata ad un solido. L energia di legame varia da materiale a materiale e dipende dal tipo di legame atomico. Molte proprietà fisiche dipendono dall energia di legame e di conseguenza dal tipo di legame fra atomi. Ad esempio: Materiali con elevati valori di energia di legame hanno elevati punti di fusione Se a temperatura ambiente l energia di legame è elevata, si hanno sostanze solide; per basse energie, è favorito lo stato gassoso

7 LEGAMI ATOMICI Esistono tre tipi di legami atomici primari(o chimici): Ionico Covalente Metallico Ci sono inoltre altri tipi di legami, detti secondari(o fisici), che pur essendo più deboli, influenzano alcune proprietà dei solidi: Di van der Waals Idrogeno

8 LEGAME IONICO È sempre presente nei composti formati dall unione di un elemento metallico (cede facilmente gli elettroni di valenza) e di uno non metallico (acquistano elettroni).

9 A seguito di questo trasferimento di elettroni, gli atomi assumono la configurazione elettronica stabile dei gas nobili ed acquisiscono una carica (ioni). Tipico esempio è il cloruro di sodio (NaCl): il Na cede un eletrone divenendo ione positivo (Na + ) e il Cl lo acquista divenendo ione negativo (Cl - ). Gli ioni di carica elettrica opposta si attraggono per effetto dell interazione coulombiana. Il legame ionico è adirezionale(uguale in tutte le direzioni intorno allo ione); ciò implica che nella condizione di stabilità ogni ione positivo sia circondato da ioni negativi e viceversa. Il legame ionico è il legame maggiormente presente nei materiali ceramici ed è caratterizzato da un energia di legame molto alta (3-8 ev/atomo) ( temperature di fusione molto alte)

10 In fisica l'elettronvolt (simbolo ev) è un'unità di misura dell'energia, molto usata in ambito atomico, subatomico e subnucleare. È definito come l'energia cinetica acquistata da un elettrone libero quando è accelerato da una differenza di potenziale elettrico di 1 volt nel vuoto. 1 ev = J Sono molto usati i suoi multipli: kev(kilo-ev, ossia 1000 elettronvolt) MeV(mega-eV, cioè un milione di elettronvolt) GeV(giga-eV, cioè un miliardo di elettronvolt) TeV(tera-eV, cioè mille miliardi di elettronvolt).

11 SOLIDI IONICI Nel reticolo cristallino dei solidi ionici si alternano, con regolarità, ioni positivi e negativi. Sono caratterizzati da: Temperatura di fusione relativamente alta Sfaldamento diagonale rispetto ai piani reticolari Solubili in acqua Allo stato fuso ed in soluzione acquosa conducono la corrente elettrica (per presenza degli ioni liberi) Inoltre, i materiali con legami ionici sono: duri, fragili, isolantitermici ed elettrici allo stato solido

12 LEGAME COVALENTE La configurazione elettronica stabile è raggiunta in seguito alla condivisione di alcuni elettroni da parte di atomi adiacenti. Il legame covalente è direzionale, ovvero è presente tra determinati atomi e può esistere solo nella direzione congiungente gli atomi che condividono gli elettroni. Esempio di legame covalente: molecola di CH 4

13 Presentano legami covalenti: Diverse molcole di elementi non metallici (H 2, Cl 2, F 2, ) Diverse molecole contenenti atomi diversi fra loro ( CH 4, ) Questo tipo di legame si trova anche in alcuni elementi solidi come il diamante (C), silicio e germanio ed in altri composti solidi con elementi chimici che si trovano all estrema destra della tavola periodica (AsGa, InSb, SiC, )

14 Il numero massimo di legami covalenti per ciascun atomo dipende dal numero dei suoi eletroni di valenza. Un atomo avente N elettroni di valenza può formare legami covalenti con al massimo altri 8-N atomi Esempi: Cl N = 7; 8-N = 1 può legarsi solo con un altro atomo nella molecola di Cl 2 C N = 4; 8-N = 4 nel diamante ogni atomo di C si lega con 4 altri atomi di C I legami covalenti sono solitamente molto forti (es: diamante molto duro ed elevata T fus >3350 C). Questo legame è tipico dei polimeri.

15 Tuttavia, esistono pochi composti aventi legami puramente ionici o covalenti. In un composto chimico la percentuale relativa dei due tipi di legami dipende dalle posizioni occupate nella tavola periodica ovvero dalla loro differenza di elettronegatività. Sono detti elettropositivigli elementi che cedono facilmente i loro pochi elettroni di valenza; elettronegativiquelli che accettano elettroni, o che mettono in comune i propri. Elettronegatività crescente Elettronegatività crescente

16 Maggiore è la distanza nella tavola periodica, maggiore è la precentuale di legame ionico; minore è la distanza, maggiore è la precentuale di legame covalente. La percentuale di legame ionico fra due atomi A(più elettronegativo, con elettronegatività X A ) e B(meno elettronegativo, con elettronegatività X B ) può essere calcolata con: % _ legame _ ionico = [ ] ( ) 1 X A B e X 100 Elettronegatività crescente Elettronegatività crescente

17 % _ legame _ ionico( NaCl) = [ ] ( X ) 1 Cl X Na e 100 = [ ] ( ) 1 e 100 = 66.8% % _ legame _ ionico( SiC) =? Elettronegatività crescente Elettronegatività crescente

18 % _ legame _ ionico( NaCl) [ ] % = [ ] ( X ) 1 Cl X Na e 100 = 1 e 0.25 ( ) = 66.8 % _ legame _ ionico( SiC) [ ] % = [ ] ( ) 1 X C Si e X 100 = 1 e 0.25 ( ) = 11.5 Elettronegatività crescente Elettronegatività crescente

19 SOLIDI COVALENTI Nel reticolo cristallino sono presenti gli atomi legati con legame covalente In generale grande durezza Isolanti o semiconduttori Insolubili in acqua

20 LEGAME METALLICO Tipico di metalli e leghe, può essere schematizzato mediante un modello efficace, in cui gli elettroni di valenza non sono legati ad un particolare atomo (ioni in posizioni fisse) ma liberi di muoversi nel metallo (nuvola elettronica): Il legame metallico è adirezionale e può essere sia forte, sia debole, con energie di legame nel range ( ev/atomo) ( temperature di fusione nel range C)

21 SOLIDI METALLICI Nel reticolo cristallino sono presenti ioni positivi avvolti da una nuvola elettronica Elevata densità (elevato impacchettamento) Buona conducibilità termica ed elettrica Buona malleabilità e duttilità Conducono la corrente sia allo stato solido sia liquido Non sono solubili in acqua

22 LEGAME SECONDARIO DI VAN DER WAALS È molto più debole dei legami primari e le energie di legame sono dell ordine di 0.1 ev/atomo. In teoria può essere sempre presente fra tutti gli atomi/molecole, ma è trascurabile se è contemporaneamente presente anche un legame primario. Le forze di legame secondarie sono dovute alla formazione di dipoli elettrici in atomi/molecole e all attrazione coulombiana fra le estremità di carica opposta dei dipoli (permanenti o indotti)

23 Legami a dipolo indotto fluttuante Legame fra atomi/molecole normalmente elettricamente simmetrici, in cui si genera un momento di dipolo istantaneo che può indurre momenti di dipoli anche negli atomi/molecole adiacenti Legami a dipolo indotto nelle molecole polari Legame che coinvolge molecole elettricamente asimmetriche, con un momento di dipolo permanente che può indurre momenti di dipoli negli atomi/molecole adiacenti, normalmente elettricamente neutri Legami a dipolo permanente Legame fra molecole con un momenti di dipolo permanente

24 LEGAME SECONDARIO IDROGENO Si trova nelle molecole in cui l idrogeno forma un legame covalente con il fluoro (come nell HF), con l ossigeno (come nell H 2 O) o l azoto (come nell NH 3 ). Nei legami H-F, H-O, H-N l elettrone dell H condiviso con gli altri atomi lascia carica positivamente l estremità dell H, che attrae fortemente l estremità negativa di un altra molecola. H + fa da ponte tra due ioni di due molecole polari

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26 SOLIDI MOLECOLARI Nel reticolo cristallino sono presenti molecole legate con deboli legami intermolecolari Temperatura di fusione bassa Scarsa durezza Non conducono corrente né allo stato solido, né allo stato liquido Sono solubili in acqua se formati da molecole polari, in solventi apolari se formati da molecole apolari

27 Nella tabella sono elencate alcune proprietà fisiche di alcuni solidi. Determinare se si tratta di solidi molecolari (polari/apolari), metallici, ionici o covalenti. Solido Punto di fusione ( C) Solubilità in acqua Conducibilità elettrica del solido Conducibilità elettrica allo stato fuso A 70 Insolubile Non conduce Non conduce B 1085 Insolubile Conduce Conduce C 2810 Solubile Non conduce Conduce D 146 Solubile Non conduce Non conduce E 4100 Insolubile Non conduce Non conduce