Corso di Chimica applicata e Tecnologia dei Materiali

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1 Corso di Chimica applicata e Tecnologia dei Materiali Prof. Federica Zanotto (Tecnologia dei Materiali) Laura triennale in Ingegneria Civile e ambientale Università degli Studi di Ferrara Il corso intende illustrare agli studenti di Ingegneria Civile le caratteristiche più interessanti dei principali materiali (es. cementi, acciai, polimeri,) e come queste possano essere migliorate per consentire un migliore utilizzo di questi materiali. Vengono inoltre mostrate le interazioni che i materiali possono avere con l'ambiente. La parte finale del corso sarà dedicata allo studio delle acque e dei trattamenti per renderle potabili e idonee ad impieghi industriali.

2 Corso di Chimica applicata e Tecnologia dei Materiali Introduzione allo studio dei materiali Legami atomici e struttura dei materiali Principali proprietà dei materiali

3 Corso di Chimica applicata e Tecnologia dei Materiali MATERIALI CERAMICI: leganti aerei (calce, gesso); leganti idraulici, reazioni di presa e di indurimento. Cemento Portland, cemento pozzolanico, cemento d'altoforno, cemento alluminoso. Prove sui cementi. Calcestruzzo (aggregati, proprietà del calcestruzzo fresco e indurito). Durabilità dei cementi. Cenni sugli additivi per cementi. Laterizi. Silice, forme allotropiche della silice. Stato vetroso. Vetri.

4 La materia costituisce tutto ciò che ha massa. La materia è costituita da aggregati di atomi o molecole, tenuti assieme da legami di natura chimica e/o fisica. Gli atomi sono costituiti da tre particelle principali subatomiche: i protoni, i neutroni e gli elettroni. In accordo con il modello semplificato maggiormente usato, l atomo viene descritto come formato da un nucleo molto piccolo circondato da una nuvola di elettroni. Il nucleo, che costituisce quasi l intera massa dell atomo, contiene protoni e neutroni. Il protone ha carica positiva, mentre il neutrone non ha carica. L elettrone ha massa molto piccola e carica uguale ma di segno opposto a quella del protone. La nuvola elettronica costituisce quindi la maggior parte del volume dell atomo, ma rappresenta solo una piccolissima parte della sua massa.

5 Negli atomi gli elettroni occupando via via livelli energetici crescenti, ciascuno caratterizzato da una distanza dal nucleo crescente. Gli elettroni del livello energetico più alto (più esterno), detti elettroni di valenza, determinano la formazione o meno di legami e il tipo di legame fra gli atomi. Ci sono 118 tipi di atomi diversi, ovvero 118 elementi diversi (Tavola periodica). Per ciascun elemento della tavola periodica sono indicati: Numero atomico Z (in alto a sinistra) indica il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo. In un atomo neutro il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni nella sua nuvola elettronica. Massa atomica (in basso) è la massa in grammi di 6.023x10 23 atomi (numero di Avogadro N A ) di tale elemento.

6 La tavola periodica

7 CENNI DI MECCANICA QUANTISTICA Secondo la meccanica quantistica gli elettroni possono occupare solo alcuni definiti livelli di energia (chiamati orbitali). L orbitale atomico rappresenta lo stato energetico dell elettrone. Consideriamo l atomo di idrogeno (H), che consiste in un elettrone che ruota attorno a un nucleo costituito da un protone, per eccitare l elettrone ad un livello di energia più alto serve una quantità discreta di energia ΔE (se il valore di energia è inferiore alla quantità discreta richiesta, l elettrone non verrà eccitato). Se l elettrone cade ad un livello di energia più basso, emetterà una quantità discreta di energia (quanto) sotto forma di radiazione elettromagnetica, chiamata fotone. Energia assorbita Energia emessa ΔE ΔE Nella moderna teoria atomica, i livelli principali di energia che possono assumere gli elettroni sono rappresentati dal numero quantico principale n (dall equazione di Bohr). Più è alto il valore di n più è alta l energia dell elettrone e più è alta la possibilità che gli elettroni si trovino lontano dal nucleo. I valori di n vanno da 1 a 7.

8 CENNI DI MECCANICA QUANTISTICA Il secondo numero quantico, l, detto numero quantico azimutale, specifica i livelli secondari di energia all interno dei livelli principali di energia. I livelli secondari sono chiamati orbitali (s, p, d, f). Il termine orbitale si riferisce alla regione di spazio in cui la densità di un elettrone o di una coppia di elettroni è alta. Si possono avere al massimo un orbitale s, tre orbitali p, 5 orbitali d e sette orbitali f per ciascun livello secondario di energia. Secondo la meccanica quantistica ci sono 7 strati (gusci) di elettroni principali, cioè sono strati un cui vi è un alta densità elettronica. Ciascun guscio, però, può contenere solo un certo numero di elettroni (anch esso imposto dalla meccanica quantistica), questo numero è legato al valore del numero quantico principale n ed è pari a 2n 2. Pertanto ci possono essere al massimo 2 elettroni nel primo guscio principale (n = 1), 8 nel secondo (n = 2), 18 nel terzo (n = 3), 32 nel quarto (n = 4), ecc. La configurazione elettronica di un atomo descrive il modo con cui gli elettroni si collocano negli orbitali. Le configurazioni elettroniche sono scritte con una notazione di tipo convenzionale, ovvero il numero quantico principale, seguito da una lettera, che indica il numero quantico azimutale (cioè l orbitale), e da un apice sopra la lettera che indica il numero di elettroni contenuti in nell orbitale. Es: l Ossigeno (Z = 8) ha configurazione elettronica 1s 2 2s 2 2p 4, l Elio (Z = 2, gas nobile) ha configurazione 1s 2, l Argon (Z = 18, gas nobile) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6.

9 Le proprietà chimiche degli atomi degli elementi dipendono principalmente dalla reattività dei loro elettroni più esterni. I più stabili e meno reattivi fra tutti gli elementi sono i gas nobili, per i quali sono presenti 8 elettroni nel livello energetico più esterno (con eccezione dell elio), ovvero la configurazione elettronica del guscio più esterno è s 2 p 6. Quando non si raggiungono 8 elettroni nel livello energetico più esterno, gli atomi tendono a riarrangiarsi formando legami con altri atomi in modo da raggiungere una configurazione più stabile di quella che hanno se non sono legati tra loro (vi è una diminuzione di energia). Secondo la teoria degli orbitali molecolari, gli orbitali atomici si riarrangiano per dare gli orbitali molecolari. Formazione della molecola di idrogeno (H 2 ). I due singoletti (uno per ogni atomo di H) tendono a occupare il livello energetico più basso. Visto che non ci sono altri elettroni l'orbitale molecolare antilegante non viene riempito. H H = H 2

10 Molecola: La più piccola porzione di materia, capace di conservarne tutte le proprietà chimico/fisiche. Può essere formata da un singolo atomo (gas nobili), da più atomi dello stesso elemento (O 2 ossigeno), da più atomi di elementi diversi (H 2 O acqua). Esempi: La molecola dell'acqua è costituita da tre atomi: due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O) legati tra loro. Una molecola di glucosio (formula C 6 H 12 O 6 ), cioè la più piccola quantità di materia che ha le caratteristiche di questa sostanza, è formata da 6 atomi di C (carbonio),12 di H e 6 di O.

11 MATERIA La materia può essere costituita da sostanze elementari o composte: Le sostanze elementari (elementi) sono quelle formate da atomi tutti uguali. Le sostanze composte (composti) sono costituite da aggregati di atomi di natura diversa Le sostanze sono caratterizzate dalla loro composizione, dalla struttura e dallo stato di aggregazione. La composizione è data dal tipo di atomo (elementi) o dai tipi di atomi (composti) e dal loro rapporto numerico. La struttura è data dal modo in cui gli atomi sono legati fra loro. Lo stato di aggregazione definisce la consistenza fisica delle sostanze. La materia può trovarsi in 3 stati di aggregazione diversi: - STATO SOLIDO (conserva una forma propria e un volume proprio) - STATO LIQUIDO (conserva un volume proprio ma non ha forma propria) - STATO GASSOSO (non può mantenere nè un volume nè una forma propria).

12 I cambiamenti di stato che può subire una sostanza sono: 1) FUSIONE e SOLIDIFICAZIONE; 2) EVAPORAZIONE e CONDENSAZIONE; 3) SUBLIMAZIONE e BRINAMENTO MATERIALI Il concetto di materiale è strettamente legato allo stato solido. Lo studio della natura dei materiali viene effettuato a diversi livelli di dettaglio: - natura dei legami chimici - microstruttura del materiale - macrostruttura del materiale

13 La struttura atomica o molecolare descrive il modo con cui gli atomi o le molecole che costituiscono il materiale sono legati fra loro. Il sodio metallico : legame metallico Acqua: legame covalente fra gli atomi legame ad idrogeno fra le molecole Il sale (cloruro di sodio): legame ionico Polimeri: legame covalente lungo le catene forze di Van der Waals (legame debole) fra catene diverse Perchè studiare la natura atomica e i legami interatomici dei materiali? Perchè in molti casi, il tipo di legame permette di spiegare molte delle proprietà presentate dai materiali.

14 La microstruttura è la struttura del materiale osservata con l ausilio di microscopi che consentono di individuare la forma, la dimensione dei grani cristallini, l eventuale presenza di porosità, fasi diverse o costituenti strutturali. Grano cristallino Lo studio della microstruttura consente anche di individuare eventuali difetti e anomalie che possono causare problemi durante l'impiego del materiale. La verifica della conformità microstrutturale di un materiale è uno dei primi passi da compiere durante una failure analysis (analisi della causa di rottura di un componente). Fasi e costituenti strutturali di un acciaio al carbonio (diversi colori e morfologie).

15 Anomalie della microstruttura nella dimensione e forma dei grani cristalline danno informazioni sulle cause di frattura, sulla durezza, sulla storia che ha subito il materiale. La micrografia ottica mostra l'aspetto di una filettatura realizzata in superlega a base nichel. E' visibile l'effetto sul materiale della lavorazione meccanica eseguita per ottenere il filetto. La freccia indica una cricca che si è aperta, durante l'impiego, sul fondo del filetto. La sua modalità di propagazione lungo i bordi dei grani cristallini è utile per comprendere le cause della rottura. In questo caso l'analisi metallografica viene applicata allo studio delle cause di rottura del materiale.

16 La struttura a livello macroscopico: le proprietà di un materiale vengono considerate a livello macroscopico e sono misurate con prove sperimentali su campioni dell ordine dei centimetri. Il materiale viene considerato con caratteristiche omogenee e costanti in tutto il campione, quindi si valutano le proprietà medie del campione. Prova di compressione per determinare la resistenza a compressione di un calcestruzzo. In generale, le proprietà del calcestruzzo (ad esempio resistenza meccanica) possono essere determinate sperimentalmente senza conoscere la sua specifica composizione e microstruttura.

17 Macroscopicamente il materiale può essere: - isotropo: le sue proprietà sono uguali in tutte le direzioni dello spazio (metalli, ceramici, vetri ) -anisotropo (legno, molti compositi, ). Ad esempio la resistenza meccanica di una tavola di legno nella direzione parallela alla direzione delle fibre è diversa rispetto alla resistenza meccanica nella direzione ortogonale alla direzione delle fibre. Micrografia di un legno. Direzione delle fibre

18 Il calcestruzzo a diversi livelli di indagine Una colonna in calcestruzzo La microstruttura del calcestruzzo I geli di silicato di calcio nella pasta di cemento I legami nel silicato di calcio e nel silicato di calcio idrato

19 TIPI DI LEGAMI ATOMICI E MOLECOLARI In generale i legami chimici tra gli atomi possono essere divisi in due gruppi: legami atomici primari (o legami forti) e legami atomici secondari (o legami deboli). Legami atomici primari (legami forti): Legame ionico: che comporta il trasferimento di elettroni da un atomo all altro con la formazione di ioni, è un legame non direzionale. Legame covalente: che comporta la condivisione di elettroni fra due o più atomi con formazione di un legame direzionale. Legame metallico: comporta la messa in comune di elettroni in modo delocalizzato per formare legami non direzionali fra gli atomi. Legami atomici e molecolari secondari (legami deboli): Legami dipolo/dipolo come il legame idrogeno e i legami di Van der Waals; Legame ionico e covalente: La formazione di questi legami si giustifica tramite la cosiddetta regola dell ottetto, che presuppone il raggiungimento della configurazione elettronica esterna uguale a quella dei gas nobili (es: Neon s 2 p 8 ), ovvero con 8 elettroni nel livello energetico esterno.

20 Legame ionico Gli elementi vengono classificati anche in base all elettronegatività: l'elettronegatività è una misura relativa della capacità di un atomo di attirare elettroni quando prende parte ad un legame chimico. Tavola periodica della elettronegatività con utilizzo della scala di Pauling (giallo = elemento poco elettronegativo, rosso = elemento molto elettronegativo) Attinoidi

21 Legame ionico Andamento dell'elettronegatività lungo la tavola periodica. Lungo un gruppo, dall'alto verso il basso, diminuisce. Lungo un periodo, da sinistra verso destra, aumenta.

22 Legame ionico Il legame ionico si può formare tra elementi poco elettronegativi (elementi metallici), che hanno la tendenza a perdere elettroni, ed elementi molto elettronegativi (alcuni elementi non metallici), che hanno la tendenza a ad acquistare elettroni. Nel processo di ionizzazione l atomo che cede elettroni diventa uno ione a carica positiva (catione), quello che li riceve diventa uno ione a carica negativa (anione). Le forze di legame ionico sono dovute alle forze elettrostatiche di attrazione fra ioni di carica opposta (cioè i due ioni si attraggono reciprocamente). E un legame forte non direzionale. Gli ioni si dispongono in modo tale da mantenere localmente la neutralità della carica. Un esempio è la formazione del cloruro di sodio (NaCl), il comune sale da cucina: l atomo di sodio (Na) perde un elettrone formando il catione Na +, il cloro acquista un elettrone formando l anione Cl -. Nel processo di ionizzazione la dimensione dell atomo di sodio si riduce mentre quella dell atomo di cloro aumenta.

23 Legame covalente Legame covalente: Si realizza quando gli atomi mettono in comune gli elettroni di valenza (quelli più esterni) con altri atomi, in modo che ciascun atomo assuma la configurazione elettronica più stabile (8 elettroni sul livello energetico più esterno). Contrariamente al legame ionico, il legame covalente si forma fra atomi con piccole differenze di elettronegatività e che sono vicini fra loro nella tavola periodica. Legame covalente semplice: se ogni atomo mette in compartecipazione un solo elettrone, a). Legame covalente doppio: se ogni atomo mette in compartecipazione due elettroni, b). Legame covalente triplo: se ogni atomo mette in compartecipazione tre elettroni, c) a) b) F O + F F F F-F + O O O O=O c) N + N N N N=N _

24 Legame covalente I legami covalenti possono essere omopolari (se formati da atomi uguali, ad esempio F-F, Br-Br) o polari (se formati da atomi diversi, C-H, C-O, H-Cl). In quest ultimo caso ci sarà una differenza di elettronegatività fra gli atomi coinvolti: l atomo più elettronegativo attirerà maggiormente gli elettroni di legame. Il legame viene definito polare (polarizzato) perché dal punto di vista elettronico si forma una regione positiva ed una negativa. La molecola viene definita dipolo elettrico. Se in una molecola la nuvola elettronica è distribuita simmetricamente attorno ai due nuclei la molecola è apolare. Molecola apolare La coppia di elettroni di legame è equidistante dai due nuclei. dipolo La coppia di elettroni di legame è più spostata verso il cloro.

25 Legame covalente Un atomo può essere in grado di formare contemporaneamente più legami covalenti semplici; è il caso del carbonio, C, che avendo 4 elettroni di valenza, per raggiungere la configurazione stabile crea fino a 4 legami covalenti. Si possono così formare, come nel caso dei polimeri, lunghe catene di atomi di carbonio che presentano lateralmente legami con atomi di H, N, O. Polietilene

26 Legame covalente I composti covalenti, contrariamente a quelli ionici, nella maggior parte dei casi sono costituiti da molecole singole ben distinguibili Soltanto in alcuni casi, i legami covalenti possono dare origine a strutture estese con singole molecole indistinguibili: i cosiddetti composti solidi a struttura aperta. L'esempio più comune di questo tipo di struttura è la silice (SiO 2, costituente principale della sabbia), nella quale ogni atomo di silicio è legato a 4 atomi di ossigeno e ogni atomo di ossigeno è legato a due atomi di silicio, formando un reticolo rigido tridimensionale che potrebbe estendersi all'infinito. Silice (SiO 2, quarzo ) struttura cristallina in cui l unità fondamentale è il tetraedro (SiO 4 ) 4-

27 Legame covalente E un legame forte, di natura direzionale. Le proprietà dei materiali che devono la loro resistenza alla presenza di legami covalenti potranno essere differenti nelle varie direzioni. Kevlar: fibre aramidiche per il rinforzo delle materie plastiche, hanno un elevata resistenza a trazione nella direzione della loro lunghezza, mentre nella direzione trasversale la resistenza è bassa. Le catene delle fibre di Kevlar si formano per ripetizione dell unità strutturale in neretto. Quindi si hanno dei legami covalenti lungo la catena. Mentre le diverse catene polimeriche sono tenute insieme da legami idrogeno (legame debole). Unità strutturale Legame idrogeno Le fibre di Kevlar si utilizzano nei materiali compositi per elevate prestazioni sove sono richiesti basso peso e resistenza meccanica e rigidezza elevate (giubbotti antiproiettile, attrezzature per sport estremi, componenti per aeromobili.

28 Legame metallico Il Legame metallico riguarda i metalli allo stato solido. Si realizza quando gli elettroni di valenza sono poco numerosi e legati debolmente al loro nucleo. Quando si è in presenza di molti atomi metallici, in genere di uno stesso elemento, gli elettroni di valenza di ciascun atomo non restano più vincolati al singolo atomo, ma sono liberi di muoversi fra tutti gli atomi vicini. Si instaura in questo modo una forte attrazione elettrostatica fra i nuclei, carichi positivamente, e la nuvola elettronica, carica negativamente. La caratteristica di avere elettroni di valenza che possono facilmente muoversi (per questo si definiscono elettroni liberi) spiega l elevata conducibilità elettrica dei metalli, come nel caso del rame (fili elettrici). E un legame di forza media, di tipo non direzionale. I metalli possono subire deformazioni senza sensibili alterazioni della loro struttura cristallina. I piani del cristallo, costituiti da ioni positivi, possono scorrere l uno rispetto all altro pur restando costantemente legati dalla nuvola di elettroni che li circonda. Questo li rende materiali duttili.

29 Legami atomici e molecolari secondari (legami deboli): I legami secondari, sono generati da interazioni elettrostatiche che si instaurano fra atomi o molecole che presentano dipoli elettrici fluttuanti o permanenti. Nei gas nobili (es. He, Ar) la distribuzione asimmetrica della carica elettrica genera dei dipoli elettrici fluttuanti o istantanei, ovvero in ogni istante c è un elevata probabilità che ci sia più carica elettrica da un lato dell atomo che dall altro. Pertanto dipoli fluttuanti vicini possono attrarsi creando deboli legami interatomici non direzionali. Vengono chiamati legami di van der Waals. Sono legami molto deboli. Dipoli fluttuanti o istantanei Legami di Van der Waals tra dipoli permanenti

30 Legami di Van der Waals: Sono legami di tipo elettrostatico fra dipoli elettrici permanenti o fluttuanti. Sono legami deboli non direzionali. Questo tipo di interazione dà origine a una sostanza molecolare, ossia un aggregato di molecole che interagiscono debolmente fra di loro, ma che raramente può essere considerata un materiale, in quanto non mostra una significativa resistenza alle sollecitazioni. L importanza dei legami deboli Un eccezione è costituita dalle sostanze macromolecolari. Si definisce macromolecola una molecola costituita da lunghe catene di atomi legati con legame covalente (ottenute per ripetizione di un unità monomerica). Spesso le lunghe catene sono legate le une alle altre solo da legami di Van der Waals. Anche se questi legami sono deboli, essendo molto numerosi, determinano la formazione di solidi strutturali che presentano un elevata resistenza alle sollecitazioni, come nel caso dei materiali polimerici. Unità monomerica del Polietilene Singole catene polimeriche visualizzate al microscopio a forza atomica Aggrovigliamento delle catene polimeriche

31 Legame idrogeno E più debole rispetto al legame covalente e ionico ed è più debole rispetto a molti legami metallici, ma è più forte dei legami di Van der Waals. E un legame elettrostatico fra dipoli elettrici permanenti. Quando in una molecola uno o più atomi di idrogeno sono legati covalentemente ad un atomo fortemente elettronegativo (F, O, N) si genera un dipolo in cui l atomo o gli atomi di idrogeno rappresentano la parte positiva. La positivizzazione dell atomo di H è tale da consentire ad esso di formare un legame elettrostatico con un altro atomo elettronegativo (O, N, F) della stessa o di un altra molecola. E un legame fortemente direzionale. Ad esempio, il legame idrogeno è presente nell acqua (H 2 O). Gli elettroni del legame O-H sono attratti dall atomo più elettronegativo, cioè l ossigeno; si forma pertanto una parziale carica positiva sugli atomi di H e una parziale carica negativa sugli atomi di O. Il legame idrogeno si forma tra la zona caricata negativamente di una molecola e la zona caricata positivamente di un altra molecola.

32 Importanza del legame ad idrogeno Ogni proteina ha una struttura primaria piuttosto complessa data dalla sequenza aminoacidica che la compone, una struttura secondaria sorretta dai legami a idrogeno che conferisce alle proteine una struttura ad alfaelica, molto importante per assolvere, ad esempio, alle funzioni enzimatiche. L acqua ha una densità maggiore allo stato liquido che allo stato solido. Infatti le molecole di acqua a 0 C cominciano a formare cristalli nei quali esse sono legate da legami idrogeno, che essendo direzionali occupano un volume maggiore rispetto allo stato liquido. Perciò il ghiaccio galleggia sull acqua, il che ha importanti ripercussioni sul clima della terra.

33 Solidi possono essere classificati sulla base del tipo di legame che li costituisce: solidi ionici, covalenti, metallici, molecolari. Tuttavia i solidi caratterizzati da legami deboli (Van der Waals e idrogeno), ovvero i solidi molecolari, in genere non sono considerati solidi strutturali (es. lo zucchero, la canfora, il ghiaccio), eccetto quando il numero di legami che tengono insieme le unità strutturali è altissimo: è il caso della grafite (una delle forme allotropiche del carbonio che è caratterizzata da un reticolo esagonale a strati, con legami covalenti fra gli atomi di uno stesso piano e legami deboli fra atomi di strati diversi) o dei materiali polimerici (lunghe catene tenute insieme da legami di Van der Waals). Un primo confronto fra i materiali: Le tre principali classi di materiali strutturali, ovvero i ceramici, i metalli, i polimeri hanno proprietà assai diverse, a causa del diverso tipo di legami in essi esistenti: Ceramici sono solidi ionici e/o covalenti I metalli sono solidi metallici I polimeri possono essere considerati solidi molecolari

34 La struttura dei materiali Gli atomi o le molecole che costituiscono un materiale possono disporsi nello spazio in modo più o meno ordinato; in particolare si può parlare di struttura cristallina, amorfa e semicristallina. Struttura cristallina disposizione spaziale degli atomi ordinata e regolare che determina una struttura reticolare tridimensionale. Struttura amorfa disposizione spaziale in cui non è riconoscibile un ordine geometrico (disposizione casuale). Un tipico esempio è il vetro. Struttura semicristallina in cui sono presenti zone a struttura cristallina e zone a struttura amorfa. Un esempio sono i polimeri semicristallini.

35 Struttura cristallina In una struttura cristallina gli atomi o i gruppi di atomi sono disposti nello spazio in modo ordinato e ripetitivo e formano un solido caratterizzato da un ordine a lungo raggio. Hanno una struttura cristallina i materiali metallici (legame metallico) ed alcuni materiali ceramici (legame ionico e covalente). La disposizione degli atomi nei solidi cristallini può essere descritta immaginando gli atomi come punti di intersezione delle linee di una maglia tridimensionale, chiamata reticolo spaziale che può ripetersi come una sequenza infinita di punti. A. J. Bravais mostrò che 14 celle elementari standard (unità elementari ripetitive) possono descrivere tutti i possibili reticoli cristallini. Sistema cristallino Cubico Tetragonale Ortorombico Romboedrico Esagonale Monoclino Triclino Reticolo spaziale Cubico semplice Cubico corpo centrato Cubico facce centrate Tetragonale semplice Tetragonale corpo centrato Ortorombico semplice Ortorombico corpo centrato Ortorombico assi centrali Ortorombico facce centrate Romboedrico semplice Esagonale semplice Monoclino semplice Monoclino basi centrate Triclino semplice Reticolo spaziale

36 Un primo confronto fra i materiali: MATERIALI METALLICI I materiali metallici sono costituiti da atomi di uno o più elementi metallici (Fe, Cu, Al, Ti, Ni, ) più eventualmente elementi non metallici (C, N,..). STRUTTURA Sono materiali cristallini, ovvero gli atomi si legano ordinatamente nello spazio a formare reticoli cristallini tridimensionali, caratterizzati dalla presenza di soli legami forti adirezionali (legame metallico). Gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi tra i vari atomi del reticolo cristallino. Reticolo cubico a corpo centrato (ccc) Reticolo cubico a facce centrate (cfc) Impaccamento delle celle unitarie a formare i reticoli cristallini. La maggior parte dei metalli solidifica secondo una di queste 3 strutture cristalline. Reticolo esagonale compatto (ec)

37 Difetti reticolari influenzano le proprietà dei materiali metallici I reticoli cristallini dei metalli e delle leghe sono caratterizzati dalla presenza di difetti. Questi possono essere localizzati in una zona molto limitata (difetti di punto: vacanze, interstiziali e sostituzionali) oppure possono riguardare zone più ampie in questo caso si parla di difetti di superficie (bordi dei grani) e di difetti lineari (dislocazioni). DIFETTI PUNTUALI Vacanze: posizioni reticolari non occupate da atomi. La presenza di vacanze facilita enormemente i processi di diffusione di atomi allo stato solido (formazione di leghe metalliche), in particolare alle elevate temperature, quando la mobilità atomica è maggiore. Infatti le vacanze possono muoversi scambiando posizione con atomi vicini. Atomi interstiziali: atomi di metallo diverso (impurezze) o dello stesso metallo (autointerstiziale) che occupano posizioni non reticolari. Atomi sostituzionali: atomi di metallo diverso (impurezze) che sostituiscono atomi del reticolo cristallino.

38 DIFETTI DI SUPERFICIE Bordi di grano I bordi di grano sono le superfici di confine tra due grani adiacenti. Questa regione è caratterizzata da un cattivo arrangiamento atomico, in quanto è la zona in cui si uniscono i diversi reticoli cristallini caratterizzati da orientazioni diverse. Cenni di solidificazione - I metalli sono materiali policristallini. Durante la solidificazione del metallo fuso si formano diversi nuclei di cristallizzazione intorno alla quale si formerà la prima cella (nucleazione (1)); accanto a questa cella si formeranno altre celle (accrescimento (2)). L accrescimento del singolo cristallo in seno al liquido avverrà fin tanto che non incontrerà i cristalli vicini (3), cresciuti nel frattempo, dando luogo a un grano dal contorno irregolare, che insieme agli altri grani forma un solido policristallino. (1) (3) (2) Orientamento cristallografico casuale: questo fa si che le proprietà complessive del metallo risultino uguali in tutte le direzioni (comportamento isotropo) anche se ciascun grano ha un comportamento anisotropo.

39 PROCESSI di SOLIDIFICAZIONE NUCLEAZIONE (riordinamento): a) OMOGENEA, b) ETEROGENEA Aggregazione di un numero non molto elevato di atomi per formare piccolissime porzioni o nuclei di cristallo. ACCRESCIMENTO Progressiva associazione di altri atomi con aumento della fase cristallina e diminuzione del liquido.

40 DIFETTI DI LINEARI Dislocazioni Sono difetti che causano distorsioni nel reticolo cristallino, concentrate attorno a una linea. Possono essere di due tipi: a spigolo e a vite, ma la maggior parte delle dislocazioni nei cristalli è di tipo misto (una combinazione dei due). Dislocazione a spigolo: inserzione nel reticolo di un mezzo piano aggiuntivo di atomi Dislocazione a vite: costituita da atomi spostati dalle loro posizioni reticolari secondo una successione che segue il percorso di una vite Nei materiali metallici lo sforzo necessario per ottenere una deformazione plastica (deformazione permanente per scorrimento di una parte del cristallo rispetto all altra) è più basso di ciò che ci si potrebbe aspettare, grazie alla presenza di dislocazioni.

41 Se non esistessero le dislocazioni per deformare un cristallo sarebbe necessario ottenere lo scorrimento contemporaneo di tutto un piano di atomi rispetto a quello adiacente; ciò implicherebbe che in un certo istante venissero rotti contemporaneamente un gran numero di legami atomici, richiedendo uno sforzo molto elevato. La deformazione plastica, invece, avviene per scorrimento progressivo della dislocazione dentro il cristallo; questo comporta la rottura di un numero limitato di legami atomici e necessita quindi l applicazione di uno sforzo minore. Scorrimento in presenza di dislocazione a spigolo Scorrimento in presenza di dislocazione a vite

42 DISLOCAZIONI E DEFORMAZIONE PLASTICA Le dislocazioni svolgono un ruolo fondamentale nel consentire una facile deformazione plastica dei metalli. Esempio: spostamento di un tappeto A-B: tirando il tappeto serve una forza abbastanza elevata C-D: facendo scorrere una piega la forza da applicare è notevolmente inferiore

43 DISLOCAZIONI E DEFORMAZIONE PLASTICA Il meccanismo di deformazione appena illustrato è consentito dalla non direzionalità del legame metallico: la distorsione del legame non ne comporta rottura. Perciò in generale, i metalli sono dotati di duttilità e possono essere lavorati per deformazione plastica. Questo è un metodo di lavorazione in cui si prevede di imprimere al materiale metallico la forma voluta sfruttandone le proprietà plastiche, cioè la capacità di deformarsi in modo permanente, sia a caldo che a freddo, quando è sottoposto ad appropriate forze.

44 Un primo confronto fra i materiali: MATERIALI METALLICI PROPRIETA Elevate proprietà meccaniche (es. resistenza a trazione, durezza) dovute al fatto che i legami metallici fra atomi sono legami forti. Deformabili plasticamente (gli atomi del metallo vengono spostati permanentemente dalla loro posizione di origine) grazie alla presenza di dislocazioni (difetti lineari) nel reticolo cristallino. La duttilità, ovvero l attitudine di un materiale a essere deformato plasticamente senza rompersi è una delle proprietà tecnologiche più utili dei metalli. Comportamento a frattura solitamente di tipo tenace. Cioè si osserva una certa deformazione del campione prima di arrivare a rottura. Possibilità di formare leghe (quando elementi diversi, di cui almeno uno è di tipo metallico, possono coesistere in un unico reticolo cristallino. Ad esempio gli ottoni sono leghe rame (Cu) zinco (Zn), oppure gli acciai sono leghe ferro-carbonio, dove il carbonio è un elemento non metallico). Conducibilità elettrica e termica elevate, dovuta alla mobilità degli elettroni di valenza. Lucentezza e riflettività legate alla mobilità degli elettroni di valenza. LAVORABILITA La presenza di dislocazioni nel reticolo cristallino, permettendo lo scorrimento relativo di una parte del reticolo cristallino rispetto all altra, rende possibile le lavorazioni per deformazione plastica.

45 Un primo confronto fra i materiali: MATERIALI POLIMERICI Sono materiali a base di composti organici (composti essenzialmente di C e H ) costituiti da lunghe catene macromolecolari. Le catene delle macromolecole possono essere lineari, ramificate, reticolate. Quando il polimero è costituito dalla ripetizione di due diverse unità monomeriche (R e S) si dice copolimero (il concatenamento può essere casuale, alternato, a blocchi e a innesto). STRUTTURA Le catene sono formate da unità monomeriche, unite da legami covalenti. Le diverse catene sono tenute insieme da legami di Van der Waals (deboli). Le catene possono disporsi nello spazio in modo disordinato (polimeri amorfi) oppure parzialmente ordinato (polimeri semicristallini). Unità monomerica del Polietilene Aggrovigliamento delle catene polimeriche (struttura semicristallina)

46 Un primo confronto fra materiali - MATERIALI POLIMERICI PROPRIETÀ -Inerzia chimica e ambientale (resistenza a determinati solventi e no corrosione) -Leggerezza (bassa densità) -modeste proprietà meccaniche (legami deboli fra le macromolecole) -utilizzabili a temperature non elevate (alle alte temperature rammolliscono) -Isolamento termico ed elettrico (gli elettroni di valenza sono vincolati per formare i legami covalenti) LAVORABILITÀ -Facilmente stampabili in forme complesse dopo riscaldamento a temperature relativamente basse

47 Un primo confronto fra materiali - MATERIALI CERAMICI Sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici, legati fra loro prevalentemente da legami ionici e/o covalenti. Comprendono ceramici tradizionali (argille, porcellane) ceramici avanzati (allumina, zirconia,.), cementi, vetri. STRUTTURA -Disposizione ordinata (struttura cristallina) nello spazio di atomi o ioni metallici e non metallici in rapporto costante (per ottenere la neutralità elettrica sia a livello locale che a livello macroscopico), che sono legati chimicamente fra loro da legami ionici, legami covalenti e misti ionico-covalenti. -Gli elettroni di valenza sono utilizzati per formare i legami che tengono insieme gli atomi. Esempio Struttura del rutilo (TiO 2 ): i cationi di titanio (atomi chiari) sono al centro e ai vertici della cella tetragonale a corpo centrato, mentre gli anioni di ossigeno (atomi scuri) formano un ottaedro distorto di 6 atomi. Questa struttura assicura la neutralità elettrica.

48 Un primo confronto fra materiali - MATERIALI CERAMICI Struttura -Il vetro è un eccezione in quanto ha struttura disordinata: non è un materiale cristallino, è amorfo. Vetro Quarzo α -Le proprietà sono anche legate alla natura del legame chimico, prevalentemente ionico o prevalentemente covalente. Quindi le strutture dei ceramici si possono distinguere da una lato in strutture covalenti generate da legami covalenti puri e in strutture ioniche pure o modificate più o meno da un parziale legame covalente. Struttura del diamante (covalente) ogni atomo di C è legato mediante legame covalente ad altri 4 atomi di C In questo casi si parla di grado di covalenza del legame ionico. Maggiore è il grado di covalenza maggiore è la direzionalità del legame.

49 PROPRIETÀ -Elevata resistenza meccanica a compressione, ma bassa resistenza a trazione -Comportamento fragile alla frattura - Elevata resistenza chimica -Resistenza alle alte temperature -Generalmente (non sempre) elevata resistenza elettrica e isolamento termico. LAVORABILITÀ Un primo confronto fra materiali - MATERIALI CERAMICI -I materiali ceramici non possono essere deformati plasticamente -Assumono una forma definitiva nel corso della cottura ovvero alla produzione. -I vetri possono essere rammolliti alle alte temperature

50 Nei ceramici a legame covalente, il legame è molto forte e direzionale: sono materiali fragili, perchè la loro deformazione comporterebbe ogni volta la ROTTURA e la RIFORMAZIONE del legame. Nei ceramici a legame ionico, il legame è non direzionale e tuttavia si tratta ancora di materiali fragili. Perchè? Perchè si verifichi la deformazione gli atomi di un piano devono scorrere sugli atomi di un piano adiacente. Nel caso dei materiali ceramici gli atomi sono ioni carichi e una forte repulsione elettrostatica impedisce agli ioni della stessa carica di arrivare a contatto. SI NO NO Es. Caso del reticolo cristallino di NaCl Si riduce il numero di sistemi di scorrimento disponibili

51 Proprietà dei MATERIALI CERAMICI -Elevata resistenza meccanica a compressione, ma bassa resistenza a trazione -Comportamento fragile alla frattura - Elevata resistenza chimica -Resistenza alle alte temperature -Generalmente (non sempre) elevata resistenza elettrica e isolamento termico. -I materiali ceramici non possono essere deformati plasticamente -Assumono una forma definitiva nel corso della cottura ovvero alla produzione. -I vetri possono essere rammolliti alle alte temperature TECNOLOGIA DI PRODUZIONE DEI CERAMICI TECNOLOGIA DI PRODUZIONE DEI VETRI