Corso di Laurea in Ingegneria Energetica APPUNTI DELLE LEZIONI DI Scienza e Tecnologia dei Materiali (Energetica) Anno Accademico 2012/2013 Sito web: http://www.uniroma2.it/didattica/stm_ene Prof. Ing. Francesca Nanni Studio c/o Dip. Scienze e Tecnologie Chimiche (edifici Sogene) Settore 6 -Livello 1 E-mail: fnanni@ing.uniroma2.it tel. 06.7259.4496
Programma Scienza dei materiali (Prof. Ing. F. Nanni): Legami atomici e struttura cristallina Cenni di diagrammi di stato Materiali metallici: acciaio e leghe non ferrose Materiali Polimerici Materiali Ceramici Cenni ai materiali compositi Esempi applicativi nell ambito dei materiali per la produzione di energia da fonti alternative Corrosione e protezione dei Materiali (Prof. G. Montesperelli): Meccanismi di corrosione dei materiali metallici
Scopo del corso Scopo del corso: Conoscenza principali classi di materiali Conoscenza elementi di scienza dei materiali Conoscenza delle principali proprietà meccaniche, fisiche e chimiche dei materiali Correlazione struttura/proprietà
I legami atomici Obiettivo della lezione: comprendere come atomi individuali si legano tra loro in strutture di grandi dimensioni che assumono poi le proprietà e le caratteristiche di molti materiali differenti fra loro. I meccanismi di legame tra gli atomi sono strettamente correlati alla loro struttura atomica. Cariche: Elettroni e protoni hanno cariche rispettivamente negative e positive dellastessaentità(1.6x10-19 Coulombs). Ineutronisonoelettricamenteneutri Masse: Neutroni e protoni hanno la medesima massa (1.27x 10-27 kg). Gli elettroni hanno massa molto minore (9,11x 10-31 kg) che può essere tralasciata nel calcolo della massa atomica. Massa atomica = massa nuetroni+ massa protoni Numero atomico (Z) = numero di protoni che identifica chimicamente l elemento Numero di neutroni: identifica l isotopo.
I legami atomici Gli elettroni che occupano il guscio elettronico più esterno, detti elettroni di valenza, sono responsabili della formazione dei legami atomici. Gli atomi in cui l guscio esterno è pieno e stabile sono detti inerti, non reattivi, o gas nobili. La struttura elettronica degli atomi definisce il carattere della loro interazione. Atomi che hanno livelli elettronici esterni incompleti tendono a raggiungere una configurazione stabile elettroni. Trasferendo o mettendo a comune
I legami atomici I legami che tengono uniti gli atomi possono essere: Primari : Ionici, Covalenti, Metallici gli elettroni vengono trasferiti o messi in comune. Si tratta di legami forti che fondono a temperature dell ordine di 1000-5000 K. Secondari: Legami tra dipoli fluttuanti (gas inerti) o permanenti (Van Der Walls, Idrogeno) Non c è trasferimento o messa a comune ma interazione tra dipoli atomici/molecolari. Sono legami deboli che fondono tra 100-500 K
I legami atomici Le forze che tengono uniti gli atomi (legami interatomici) agiscono come piccole molle Il modo in cui gli atomi sono disposti gli uni rispetto agli altri, determina quante molle sono presenti per unità di volume e quanto possono essere deformate
Legami primari: Il legame ionico Avviene tra elementi con differente elettronegatività: tipicamente tra elementi situati alle estremità orizzontali della tavola periodica. Tra i quali è favorito il trasferimento elettronico
Legami primari: Il legame ionico Avviene tra elementi con differente elettronegatività: tipicamente tra elementi situati alle estremità orizzontali della tavola periodica. Formazione del legame ionico: 1. Mutua ionizzazione che avviene per trasferimento elettronico. Formazione di cationi ed anioni. 2. Gliionisiattraggonopermezzodiunaforteattrazionetracariche.Nederivala non direzionalità del legame(interazione tra cariche sferiche)
Legami primari: Il legame ionico Energie in gioco: Attrazione coulombiana tra ioni di carica opposta Repulsione tra le nubi di elettroni
Legami primari: I Solidi ionici La forte interazione tra anioni e cationi porta alla formazione di un solido ionico caratterizzato dal fatto che ciascun catione è circondato da anioni e viceversa. Ogni forza esterna che tende a disturbare l equilibrio ionico del reticolo cristallino ionico incontra grandi resistenze: i solidi ionici sono duri e fragili!
Legami primari: Il legame covalente Il legame covalente avviene tra solidi con elettronegatività simile o la stessa (formazione delle molecole) Nel legame covalente gli elettroni vengono condivisi per saturare la valenza. In questo caso gli elettroni di legami sono localizzati tra atomi di provenienza e si forma un legame fortemente direzionale. Formazione del legame covalente: 1. Condivisione degli elettroni di valenza. 2. Vi è sovrapposizione degli orbitali atomici a formare l orbitale molecolare 3. Il legame avviene nella direzione di maggiore sovrapposizione ed è fortemente direzionale 4. Un atomo può formare al massimo 8-N legami covalenti. Con N = n elettroni di valenza Forma 1 solo legame covalente:
Legami primari: Il legame covalente ILcarboniopuòformare4legami Grafene= 1 foglio PE - Polietilene Diamante Grafite = pacchetti di grafene Nanotubi Fullerene
Legami primari: Il legame metallico Il legame metallico avviene tra elementi elettropositivi Nel legame metallico gli elettroni di valenza vengono messi a comune a formare una nube elettronica dislocata tra gli ioni positivi. In questo caso gli elettroni di legami sono delocalizzati tra atomi di provenienza e si forma un legame adirezionale. le strutture cristalline risultanti sono molto dense. Quando vi è un riarrangiamento atomico i legami non si rompono e questo consente una buona deformabilità dei metalli. I metalli di transizione (Fe, Ni,ecc.) hanno un legame intermedio tra quello metallico e quello covalente, pertanto sono meno duttili di Au o Cu!
Legami secondari I legami secondari = interazione dipolo = Van der Waals = legami fisici derivano dall interazione di dipoli atomici o molecolari Tra le molecole polari, nelle quali vi è una distribuzione asimmetrica di regioni positive e negative (HCl, H 2 O), esistono dipoli permanenti. asimmetrici legami secondari tra molecole polari adiacenti sono i legami secondari più forti.
Legami secondari Molecole polari possono indurre una certa polarità anche in molecole adiacenti non polari, il risultante legame si chiama dipolo indotto. Anche in molecole simmetriche e non polari si possono indurre nel tempo dipoli fluttuantichegeneranoilegamisecondaripiùdeboli(es.neigas,h 2,Cl 2 )
Legami e materiali Spessoneimaterialièpresentepiùdiunatipologiadilegame
Verifica obiettivi di apprendimento Quali sono i legami primari? Che differenza c è tra legami primari e secondari? Cose è la forza di attrazione di Coulomb? Cosa è il legame idrogeno? Quali legami sono tipici dei materiali ceramici? Quali legami primari sono direzionali? Tra quali elementi della tavola periodica si formano i legami ionici? Quanti legami covalenti può formare al massimo un atomo?