I materiali nella storia dell’Umanità
I materiali sono solidi o miscugli
di solidi preparati per realizzare
oggetti aventi ben precise
proprietà.
I MATERIALI
COMPOSITI
SEMPLICI
Semiconduttori
Biomateriali
CERAMICI
METALLICI
POLIMERICI
Combinazione di due
tipi di materiali
semplici, di cui uno ha
la funzione di matrice
MATERIALI CERAMICI
TRADIZIONALI
Hanno come materia
prima l’argilla, gli
elementi più comuni
sono Si, Al, Ca, K.
NEOCERAMICI
Refrattari, e materiali
non ossidici quali
nitruri, nitruri, boruri.
E VETRI…
MATERIALI METALLICI
Metalli puri
Leghe metalliche
Leghe ferrose: acciai e ghise
Leghe leggere: a base di Al, Ti, Mg
Leghe di rame: bronzi e ottoni
Superleghe: a base di Co, Ni, Fe
MATERIALI POLIMERICI
I materiali compositi
Sono il risultato di una combinazione tridimensionale di
almeno due materiali tra loro chimicamente differenti
con un’interfaccia di separazione, uno dei quali costituisce
la matrice.
I MC si distinguono dai metalli in quanto si tratta della
combinazione di materiali tra loro differenti per
composizione o forma. Ciascun costituente mantiene la
propria identita’ nel composto finale senza dissolversi o
fondersi completamente nell’altro.
Esempi:
Il cemento armato e’ un eccellente esempio di struttura
composita dove cemento e acciaio mantengono la loro
identita’. Le barre d’acciaio sopportano i carichi di
tensione mentre il cemento sopporta quelli in
compressione. In questo caso la matrice è il cemento.
Nel campo delle costruzioni aeronautiche il termine
“strutture composite” si riferisce a combinazioni di
tessuti e resine dove il tessuto e’ imbevuto di resina e
tuttavia mantiene la sua identita’.
Il risultato e’ un risparmio di peso nelle strutture
aeronautiche, ad esempio, a causa di un migliorato
rapporto peso-resistenza.
La maggior parte dei materiali compositi moderni
combinano una matrice in resina termoindurente con
rinforzi in fibra oltre a cellule di rinforzo quali schiume
dure e strutture a nido d’ape (honeycomb).
Rinforzi comunemente usati sono il vetro, il carbonio e
altre fibre disponibili in varie forme (continue,
frammentate, multi-assiali o intessute).
Proprieta’ dei materiali compositi
In rapporto a quelli tradizionali, tra le proprieta’ dei
materiali compositi si annoverano una combinazione unica di
robustezza, leggerezza, resistenza alla corrosione e agli
agenti chimici, isolamento termico ed elettrico.
Le proprieta’ dei materiali compositi permettono di
disegnare il prodotto finale in modo tale da aumentarne le
caratteristiche di resistenza e rigidita’ solo nei punti
maggiormente sottoposti a sollecitazione, una prerogativa
resa possibile dal tipo di rinforzo e dall’orientamento delle
fibre.
Lo sviluppo tecnologico dei materiali
9000 A.C.
fibre vegetali
7000
mattoni di fango essiccato
6000
terracotta
5000
canapa
3000
smalti vetrosi
2500
seta
2000
fusione del vetro
1500
ceramica
500
mattoni smaltati
0
carta
80 D.C.
rivestimenti in piombo
600
porcellana cinese
1700
porcellana di Meissen
1800
gomma vulcanizzata
acciaio
cemento
celluloide
1900
seta artificiale
gomma sintetica
bakelite
1950
materie plastiche
fibre sintetiche (nylon)
materiali elettronici
leghe metalliche
cristalli liquidi
2000
ceramici avanzati
compositi
superconduttori ad alta T
età della pietra
età del bronzo
età del ferro
età dei materiali
elettronici
Il comportamento dei materiali e
la loro natura chimica
•Configurazione elettronica
•Proprietà Periodiche
•Formazione di legami tra atomi
legame ionico
legame covalente
legame metallico
La tavola periodica degli elementi
Periodi: righe orizzontali
Gruppi: colonne verticali
Configurazioni elettroniche
analoghe si riproducono
periodicamente: elementi con
analoga configurazione elettronica
presentano forti analogie dal punto
di vista fisico e nel comportamento
chimico, cioè nel combinarsi.
Gli elementi chimici che presentano analoga configurazione
elettronica (che hanno lo stesso numero di elettroni
nell’orbitale più esterno) hanno anche analoghe proprietà
chimiche e fisiche (aspetto delle sostanze allo stato
elementare, reattività, capacità di dare composti con
determinati elementi).
Esempio:
Li
1s2 2s1
Na
1s2 2s2 2p6 3s1
K
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
Hanno tutti configurazione esterna ns1 (n numero quantico
principale) cioè 1 solo elettrone nell’orbitale più esterno.
Quando due o più atomo reagiscono fra loro si ha uno
scambio di elettroni, il numero degli elettroni e la loro
distribuzione negli orbitali determinano il tipo ed il numero
di legami che un atomo può dare.
La configurazione elettronica degli elementi dell’ottavo
gruppo cioè i gas nobili è ns2, np6. Tutti i sottolivelli s e p
sono completamente occupati. Gli elettroni dei livelli pieni
non prendono parte alle reazioni chimiche quindi questi
elementi sono inerti.
Le proprietà periodiche:
•raggio atomico
ra
•energia di ionizzazione
Ei
•affinità elettronica
Ae
•elettronegatività
Il legame ionico:
scambio di elettroni
Tiene uniti ioni di carica opposta mediante
forze elettrostatiche .
Si forma tra ioni (o gruppi di atomi) diversi,
il primo dei quali ha una forte propensione a
cedere elettroni e il secondo ad acquistarli.
L’interazione si estende in tutte le
direzioni e porta ad una continua alternanza
di ioni positivi e negativi sia allo stato solido
che allo stato liquido (dove però gli ioni sono
liberi di muoversi).
E’ un legame forte.
Il legame covalente:
compartecipazione di elettroni
Quando due elementi sono tra loro uguali o simili in
energia di ionizzazione e affinità elettronica si
combinano non cedendo ma mettendo in
compartecipazione gli elettroni del livello più
esterno.
Questi elettroni vengono detti “elettroni di
valenza” quelli cioè che danno all’atomo la
potenzialità di reagire.
Sovrapposizione degli orbitali atomici: possono essere
condivisi soltanto due elettroni a spin opposto.
Perché il legame si formi la sovrapposizione degli
orbitali atomici deve portare ad una stabilizzazione del
sistema.
Il legame covalente è direzionale poiché gli orbitali
atomici hanno una precisa orientazione nello spazio.
Il legame covalente si può formare tra atomi uguali, e
anche tra atomi diversi.
Si possono formare molecole piccole o grandi
(idrogeno e emoglobina), oppure reticoli di atomi
collegati tra loro (diamante e quarzo).
Il legame metallico
Si ha con elementi a bassa energhia di
ionizzazione per messa in comune tra tutti gli
atomi degli elettroni di valenza con formazione
di una serie di ioni positivi tenuti insieme da un
“mare” di elettroni.
Gli elettroni messi in comune sono liberi di
muoversi all’interno di tutto lo spazio occupato
dall’insieme di atomi e quindi di condurre la
corrente elettrica.
Caratteristiche comuni dei solidi
– Incompressibilità
– Rigidità
– Forma definita
Quali sono le forze che tengono
insieme le particelle che
formano un solido?
I solidi elementari
Poveri di elettroni
Ricchi di elettroni
Elementi del gruppo s:
Metalli alcalini e alcalino
terrosi, Na, K, Ca, Mg…
Elementi del gruppo p: non
metalli P4, S8, N2:
formazione di legami
covalenti puri
Si ottiene un solido metallico
Il fosforo elementare
è tetraatomico,
solido, e molto
infiammabile, poiché
tende ad ossidarsi
facilmente e si può
presentare in diverse
forme allotropiche.
Solidi molecolari
S8
N2
N
N
A temperatura ambiente
è un gas
S
S S
S
S
S
S
S
A basse
temperature
può
trasformarsi
in solido
molecolare
Elementi a 4 elettroni:
il Carbonio
Si formano legami covalenti puri.
Diamante
C60 Fullerene
Grafite
Solidi cristallini e solidi amorfi
Solidi cristallini
 particelle disposte
regolarmente nello
spazio
 anisotropia
 punto di fusione ben
definito
Solidi amorfi
 disposizione
disordinata delle
particelle
 isotropia
 punto di fusione
non ben definito
I solidi amorfi sono in realtà
dei liquidi ad elevata viscosità
Classificazione dei solidi cristallini
I legami chimici nei solidi
•
•
•
•
Solidi ionici
Solidi covalenti
Solidi molecolari
Solidi metallici
Solidi ionici
Solidi covalenti
Solidi molecolari
Solidi metallici
Caratteristiche dei solidi ionici
Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi ionici si
alternano, con regolarità, ioni positivi e negativi
•
•
•
•
•
•
Temperatura di fusione
relativamente alta
Fragilità alla trazione
Sfaldamento diagonale rispetto
ai piani reticolari
Allo stato fuso conducono la
corrente elettrica
Solubili in acqua
In soluzione acquosa conducono
la corrente
Esempi: Cloruro di sodio,ossidi
La struttura di NaCl
Conducibilità e temperatura
di fusione
La
conducibilità delle soluzioni acquose e
allo stato fuso deriva dalla presenza degli
ioni liberi quando il reticolo viene demolito.
La
temperatura di fusione relativamente
alta si spiega con la forza del legame ionico
Sfaldabilità e solubilità
I
solidi ionici si oppongono allo sfaldamento
parallelo ai piani reticolari in quanto lo scorrimento
genererebbe repulsione fra ioni dello stesso segno.
Lo
sfaldamento avviene lungo i piani diagonali
contenenti tutti atomi con carica dello stesso segno
La
solubilità in acqua è buona perché il reticolo
viene distrutto e gli ioni vengono solvatati dall’acqua.
Le proprietà meccaniche
Sono funzione delle dimensioni ioniche e delle
cariche dei singoli ioni. Per cationi piccoli la
coesione del sistema è maggiore e la durezza
raggiunge valori elevatissimi (il massimo nella scala
di Mohs è 10 per il diamante).
BeO
MgO CaO
SrO
BaO
D(A-B)
1.65
2.10
2.40
2.57
2.77
durezza
9
6.5
4.5
3.5
3.3
Caratteristiche dei solidi covalenti
Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi covalenti sono
presenti gli atomi legati con legame covalente
•
•
•
•
Temperatura di fusione molto
alta
In generale grande durezza
Isolanti o semiconduttori
Insolubili in acqua
Esempi:silice,diamante
Durezza e alto punto di fusione
Il
legame covalente è molto forte per cui i
reticoli covalenti sono difficili da rompere
ciò spiega perché questi solidi hanno ,in
generale, temperature di fusione molto alte
I
legami covalenti sono fortemente
direzionati; da ciò deriva la durezza (fatte
le debite eccezioni) dei solidi covalenti ed
anche la loro fragilità.
Normalmente
un solido covalente è
trasparente perché la differenza di energia
tra i livelli elettronici occupati e quelli liberi
è elevata e maggiore dell’energia della luce
visibile.
Caratteristiche dei solidi molecolari
Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi molecolari
sono presenti molecole legate con deboli legami
intermolecolari
• Temperatura di fusione
bassa
• Scarsa durezza
• Alta tensione di vapore
• Scadenti proprietà
meccaniche
Esempi: ghiaccio, iodio, naftalina
I legami intermolecolari
La
bassa temperatura di fusione è conseguenza
delle deboli forze esistenti fra le molecole; i legami
sono infatti legami intermolecolari e quindi molto
più deboli di quelli interatomici; alle stesse ragioni
sono imputabili la scarsa durezza e l’alta tensione di
vapore.
I solidi molecolari risultano quindi
deformabili, non fragili e
generalmente non conduttori.
Le forze di London sono la causa
dell’attrazione tra molecole che non
presentano dipoli permanenti e sono
legate a fluttuazioni casuali della
distribuzione elettronica della
molecola .
L’interazione tra dipoli dipende fortemente dalla distanza
Eattr. = -K /r6
Dove  è la polarizzabilità della molecola.
Se si aggiunge la componente repulsiva relativa alla
compenetrazione delle nuvole elettroniche si ottiene il
potenziale di Lennard-Jones
E(L-J) = -A /r6 + B/r12
In un cristallo molecolare l’energia complessiva si valuta
calcolando tutte le possibili interazioni. Quando la
molecola presenta un momento dipolare permanente ()
l’energia di interazione dipolo-dipolo diventa:
Eatt = K /r6 KT
Le strutture cristalline dei solidi molecolari dipendono dalla
geometria delle molecole.
Per molecole sferiche si realizzano condizioni di massimo
impacchettamento, per molecole complesse subentrano
distorsioni.
Questa eccezione vale anche nel caso di alcuni polimeri in cui
si hanno forme di ripiegamento delle catene.
Il legame a idrogeno fra due molecole di acqua
Il legame a idrogeno consiste in una interazione di tipo
prevalentemente elettrostatico fra un atomo di idrogeno con
parziale carica positiva di una molecola e un doppietto
elettronico libero di un atomo sufficientemente
elettronegativo di un'altra molecola. È un legame che ha spesso
caratteristiche direzionali (i legami a idrogeno più forti si
formano quando l'idrogeno è allineato con i due atomi più
elettronegativi). Esso è possibile grazie alle piccolissime
dimensioni dell'atomo di idrogeno, che rendono
particolarmente concentrata su una superficie molto ridotta la
sua parziale carica positiva.
Le regole di massimo impacchettamento vengono meno
anche nel caso di componenti direzionali.
Il legame idrogeno determina la struttura di alcuni solidi
molecolari e innalza l’energia di coesione del cristallo e la
direzionalità dell’interazione.
La scarsa densità della struttura del ghiaccio è
dimostrata dal fatto che è meno denso del suo liquido.
O
H
O
H
104.5°
H
109°
H
Caratteristiche dei solidi metallici
Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi metallici sono
presenti ioni positivi legati da legame metallico. Il
reticolo è avvolto dalla nuvola elettronica
• Temperatura di fusione
generalmente alta
• Elevata densità
• Buona conducibilità termica
ed elettrica
• Lucentezza al taglio
La conducibilità termica
La
conducibilità termica ed elettrica dei metalli è
spiegabile con il fatto che gli elettroni di valenza
che fanno parte della nuvola elettronica che avvolge
il reticolo sono liberi di muoversi.
L’elevata
densità dei metalli si deve
all’impacchettamento compatto; gli atomi si
dispongono in modo da lasciare il minor spazio vuoto
possibile; in tal modo ogni atomo è circondato da
altri sei. A volte possono arrivare a coordinazioni di
8 con strutture bcc o 12 con strutture hcp e ccp.
Lavorabilità e temperatura di fusione
La
malleabilità e duttilità si devono alla struttura
del reticolo cristallino dei metalli; tirando o
piegando il reticolo infatti le forze che legano i
vari ioni e la nuvola che li avvolge rimangono
invariate.
Le
alte temperature di fusione sono una
conseguenza della forza del legame metallico che
rende il reticolo difficile da rompere.
Correlazione tra i legami
Se le En di due elementi di un composto sono simili e gli
elementi si trovano sulla dx della TP , la sostanza è
prevalentemente covalente.
Se le EN sono molto simili ma gli atomi sono all’estremità
sinistra della TP la sostanza sarà metallica
Quando la differenza di En è grande il composto è
classificato come ionico.
Il diagramma dei legami