SOLIDI CRISTALLINI pdf - mazzini

&ULVWDOOLHORURSURSULHWj
STRUTTURADEIMATERIALI
CRISTALLINA
ORDINATAmetalli,ceramici
Sonocaratterizzatidaunadisposizioneordinata
degliatomi(ioni,molecole)secondounben
definitoRETICOLOCRISTALLINO.Leproprietà
ottiche,meccanicheedelettrichesonodiversea
secondadelledirezioniincuivengonomisurate
(ANISOTROPIA).Sonocaratterizzatida
temperaturedifusionebendefinite.
AMORFA
DISORDINATAvetri,polimeri
Sonocaratterizzatidaunadisposizionedisordinata
degliatomiparagonabileaquellapresentenei
liquidi.
Hannoproprietàmeccaniche,otticheedelettriche
ISOTROPE(ugualiqualunquesialadirezioneincui
vengonomisurate).
Nonsonocaratterizzatidaunatemperaturadi
fusionebendefinita.
Lesostanzecristallinesonostruttureordinateeripetitiveesonodotatetuttequindidi
simmetria.Ilpiùpiccoloinsiemediatomicheripetutopertraslazionenelletredimensioni
dellospazioèingradodigeneraretuttalastrutturasichiamacellaelementare.
STRUTTURAMONOCRISTALLINA:
tantecellecristallineorientateallostesso
modoperformareunmonocristallo
(es.Siliciopermicrolelettronica)
STRUTTURAPOLICRISTALLINA:
tantecellecristallineaccresciutesisenza
chevifosserolecondizioniperchési
orientasseroallostessomodo.Ingenerale,i
materialicristallinisonoPOLICRISTALLINI
(es.metalli,leghe,ceramici)
STRUTTURACRISTALLINA
Neimaterialicristallini(monoopoli)gliatomi,ogliioni,ole
molecolesonosistematiordinatamenteinposizionigeometriche
bendefinitedallerispettivecelle.Sonomantenutiinqueste
posizionidaiLEGAMICHIMICI.Traatomi,oioni,omolecolesi
esercitanoforzeattrattiveorepulsivetalidafarliaccostaread
unadistanzadiEQUILIBRIO (DISTANZADILEGAME).
Elementiecompostinaturali
Unelemento èunasostanzache
nonpuòessereseparataintipipiùsemplicidimateria
connormaliprocessichimici.
Ottotraglielementipresentiinnatura
costituisconodasoliil90%dellacrostaterrestre.
(OHPHQWLHFRPSRVWLQDWXUDOL
Raramenteglielementisitrovanocomeelementinativi,
cioènoncombinaticonaltrielementi.
%LVPXWR QDWLYR
(OHPHQWLHFRPSRVWLQDWXUDOL
Ingenereglielementisonocombinatichimicamente
innumerodidueopiùaformarecomposti.
/D3,5,7(
qFRVWLWXLWDGDVROLHOHPHQWL
)H6
/䇻251(%/(1'$
qFRVWLWXLWDGDEHQHOHPHQWL
1D&D0J)H$O6L2+
(OHPHQWLHFRPSRVWLQDWXUDOL
Ognicompostohaunacomposizionechimicadefinita
espressadaunaspecificaformulachimica.
,OVDOJHPPDqXQPLQHUDOH
FRPSRVWRGL62',2H&/252
HKDIRUPXOD
,OTXDU]RqXQPLQHUDOH
FRPSRVWRGL6,/,&,2H266,*(12
HKDIRUPXOD
1D&O
6L2
/DVWUXWWXUDFULVWDOOLQDGHLPLQHUDOL
Ognimineralesipresentacomeunsolidodotatodi
unaparticolareformageometricadettaabitocristallino.
4XDU]R
)HOGVSDWR
0LFD
2OLYLQD
/DVWUXWWXUDFULVWDOOLQDGHLPLQHUDOL
Ognimineralesipresentacomeunsolidodotatodi
unaparticolareformageometricadettaabitocristallino.
*UDQDWR
'LDPDQWH
&DOFLWH
*HVVR
Lastrutturacristallinadeiminerali
L’aspettodell’abitocristallinodiunmineraleèilrisultatodellaparticolaredisposizionedegli
atomiedellemolecoleall’internodeicristalli.
Questadisposizioneinternaordinata
èdettastrutturadelreticolocristallino.
5(7,&2/2
&5,67$//,12
),/$5(
$WRPLLRQLHPROHFROH
VRQRDOOLQHDWL
DXQDGLVWDQ]DILVVD
IRUPDQGRILODUL
/DVWUXWWXUDFULVWDOOLQDGHLPLQHUDOL
Duefilarinonparalleli
individuano
unpianoreticolare
3,$12
0$*/,$
Unpianoreticolare
èdatodalla
ripetizione
pertraslazione
diunamaglia
pianaelementare
/DVWUXWWXUDFULVWDOOLQDGHLPLQHUDOL
12'2
&(//$
(/(0(17$5(
7UHILODULQRQJLDFHQWLVXOOR
VWHVVRSLDQR
LQFRQWUDQGRVL
LQSXQWLGHWWLQRGL
GDQQRRULJLQH
DOUHWLFRORFULVWDOOLQR
/¶XQLWj
VWUXWWXUDOHPLQLPD
GHOUHWLFRORFULVWDOOLQR
qGHWWD
FHOODHOHPHQWDUH
/DVWUXWWXUDFULVWDOOLQDGHLPLQHUDOL
Lastrutturacristallinadelsalgemma(NaCl)èdata
daunadisposizionegeometricaeordinatainuna
cellaelementarecubicadiioniNa+ eCl–.
/DVWUXWWXUDFULVWDOOLQDGHLPLQHUDOL
Nonsempreicristallihannoformageometricaregolare.
6HXQPLQHUDOHVLDFFUHVFHLQ
SRFRVSD]LRLFULVWDOOLVLVYLOXSSDQR
LQPRGRLUUHJRODUHDGDWWDQGRVL
DOORVSD]LRGLVSRQLELOH
6HXQPLQHUDOHKDPROWRVSD]LR
DGLVSRVL]LRQHLFULVWDOOLSRVVRQR
VYLOXSSDUVLLQIRUPHUHJRODULH
WDOYROWDJLJDQWHVFKH
Proprietà:
‡
‡
‡
‡
‡
‡
Legameforte;energiadicoesionemoltoelevata.
Pocovolatili(caloridivaporizzazionefra700Ͳ5000KJ/mol).
ElevateTdifusione.
Duriefragili.
Scarsaconducibilitàallostatosolidomabuoniconduttorielettriciallostatofuso.
ElevatasolubilitàinH2O.
• covalenti,costituitidaatomilegaticovalentemente fraloroaformare
unaretechesiestendeintutteledirezionidelcristallo;
Proprietà:
‡
‡
‡
‡
‡
‡
Legameforte;energiadicoesionemoltoelevata;
pocovolatili(caloridivaporizzazionefra700Ͳ2000KJ/mol);
elevateTdifusione;
Duriefragili;
scarsaconducibilitàelettrica;
insolubilineicomunisolventi.
‡molecolari,costituitidaatomiodamolecoleneutretenuteinsiemedaforze
deboli.
Proprietà:
‡ DeboliinterazionidiVander Waals tralemolecoleogliatomichecostituisconoil
reticolo;
‡ energiadicoesionemoltobassa;
‡ Volatili(moltisublimanoaPatm);
‡ Facilmentedeformabili;isolantielettrici;
‡ Solubiliinsolventichehannocaratteristichedipolaritàsimili.
‡ metallici,costituitidacationi,cheoccupanolevarieposizionidelreticolo,
circondatidaelettronidivalenzainmovimentoediffusiintuttoilsolido;
Proprietà:
‡
‡
‡
‡
‡
‡
Legameforte;
energiadicoesioneelevata;
pocovolatili;
elevatadensità;
elevataconducibilitàtermicaedelettrica.
Sonoduttiliemalleabiliovverosopportanonotevoli
deformazionipermanentiprimadiarrivareallarottura.Tale
proprietàèdovutaailoroRETICOLICRISTALLINIMOLTO
COMPATTI.
Fattoricheinfluenzanolastrutturadeicristalli
Inunsolidocristallinodevonoessererispettatiduequesitifondamentali:
1.Ledimensioni dellespeciechimichechesicombinanodevonoesseretalidapotere
costituireun’impalcaturacristallinastabile.
2.Lecarichenegativeepositive devonobilanciarsiesattamente,affinchélacella
elementaresiaelettricamenteneutra.
DEFORMAZIONEDEIMATERIALIMETALLICI
Quandounmaterialemetallicoèassoggettatoasforzisiverificanodelle
deformazionichepossonorisultare:
Elasticheledistorsionidelreticolo
cristallinosiannullanoall’annullarsidegli
sforziapplicati.
Plasticheledistorsionisonopermanentie
consistonoinscorrimenti(slip).
DeformazionePlasticainMonocristalli
Ladeformazioneplasticadiunmonocristalloprovocasegnidi
traslazionesullasuperficiebandediscorrimento
Atomidispecificipiani
cristallografici(pianidi
scorrimento)provocanolebande
discorrimento
Bandediscorrimento
BandediScorrimentoePianidiScorrimento
Neimetalliduttililadeformazionesipresentaconuna
formaagradini(bandediscorrimento)
Lebandediscorrimentosonocausatedalloscorrimentodiatomi
lungospecificipianicristallograficidettipianidiscorrimento
pianidiscorrimentohanno
spessoridicirca200A,lebandedi
scorrimentohannospessoridi
20000A
²
Sistemidiscorrimento
Ledislocazionisimuovonosupianiprivilegiati(pianidiscorrimento)edirezioniprivilegiate
(direzionidiscorrimento).L’insiemedeipianidiscorrimentoedelledirezionidiscorrimento
sichiamanoSISTEMIDISCORRIMENTO.
Ipianieledirezionicoincidonoconquellerispettivedimassimoaddensamentoatomico.
Loscorrimento(daltermineglide) identificailmotodelledislocazioniinassenzadiostacoli.
Inpresenzadiostacoliledislocazioniattivanoaltritipidimotoenergeticamentemeno
favoriti,comeadesempio:motidiclimb (nonconservativo)perledislocazioniaspigoloe
motidicrossͲslip (conservativo)perquelleavite.
Proprietàfisichedeiminerali
Imineralisiidentificanoattraversoleloroproprietàfisiche:
‡ colore;
‡ pesospecifico;
‡ durezza;
‡ lucentezza;
‡ temperaturadifusione;
‡ magnetismo;
‡ fluorescenza;
‡ radioattività.
3URSULHWjILVLFKHGHLPLQHUDOL
Ilcolore diunmineraledipendedallapresenza
nellasuastrutturadicertiatomi:
rame=verde,azzurro;
manganese=rosa,arancio;
ferro=giallastro,rosso,marrone,nero.
Talvolta,lostessomineralepuòpresentarecoloridiversi
acausadiimpuritàpresentinellasuastruttura.
4XDU]RLDOLQR
4XDU]RFLWULQR
4XDU]RURVD
4XDU]RDPHWLVWD
4XDU]RDIIXPLFDWR
Il colore
è dovuto ad un assorbimento preferenziale di varie lunghezze d’onda fra le innumerevoli
che compongono lo spettro della luce bianca. È strettamente dipendente dal chimismo e
dalla struttura.
0LQHUDOLLGLRFURPDWLFL
3,5,7(
0$/$&+,7(
48$5=2
&,1$%52
$==855,7(
VHPSUHORVWHVVRFRORUH
FRORULGLYHUVL LPSXULWj
IlColore diunminerale,èquellochesiosservainlucenaturale
Coloredellapolvere(striscio)
Inmoltiminerali(soprattuttoquellimetallici)èmoltoutileesaminare
ilcoloredellapolveredelmineralestesso.
Perladeterminazionedelcoloredella
polvere(ostriscio)siusaunapiccola
piastrelladiporcellanabiancaruvida
chiamatatavolettadistriscio(durezza
paria7),nellaqualeviene“strisciato”
ilminerale.
Mineraliopachi =polverescura.
Mineralitrasparenti =polverebiancaocolorepiùtenuedelminerale.
Proprietàfisichedeiminerali
Ilpesospecifico diunmineraleèilrapportotrailsuopeso
eilpesodiunugualevolumediacquadistillataa 4㼻C.
Dipendedaltipodiatomichecostituisconoilminerale
edalloroaddensamentonellastrutturacristallina.
&$51$//,7(
GHQVLWj JFP
48$5=2
GHQVLWj JFP
*$/(1$
GHQVLWj JFP
252
GHQVLWj JFP
Aparitàdivolume,alcunimineralisonopiùpesantidialtri.
Proprietàfisichedeiminerali
Ladurezza diunmineraleèunamisuradellasuaresistenzaa
esserescalfitooabraso.
Ladurezzasideterminaperconfronto
conunascalastandard:lascaladiMohs.
7$/&2
GXUH]]D *(662
GXUH]]D &$/&,7(
GXUH]]D )/825,7(
GXUH]]D $3$7,7(
GXUH]]D 2572&/$6,2
GXUH]]D 48$5=2
GXUH]]D 723$=,2
GXUH]]D &25,1'21(
GXUH]]D ',$0$17(
GXUH]]D 0LQHUDOLHURFFH
/DVFDODGHOODGXUH]]DGL0RKV
/XSL
D
3DOP
LHUL
3DUR
WWR
Oss
ervar
ee
capir
Proprietàfisichedeiminerali
Lalucentezza èlacapacitàdiunmineraledirifletterelaluce.
Lalucentezzametallica èquellatipicadimineralimetallici(cromo,acciaio,rame,oro);
solfuri(piriteegalena);ossidi(ematite)cheriflettonolamaggiorpartedellaluce
incidente.Questimineralisonoinfattiopachiallaluceenonsilascianoattraversareanche
sehannospessorimoltosottili.
Imineralinonmetallici,invece,sonoquellichesilascianoattraversare(seppurinmodo
variabile)dallaluce.
7250$/,1$
OXFHQWH]]DYLWUHD
3,5,7(
OXFHQWH]]DPHWDOOLFD
&(5866,7(
OXFHQWH]]DDGDPDQWLQD
23$/(
OXFHQWH]]DJUDVVD
Spesso i minerali vengono descritti sulla base delle qualità di luce che possono
trasmettere. Tali proprietà sono raggruppate sotto il termine diafano, che
esprime proprio “ la qualità della trasmissione della luce di un minerale”.
Sullabasediquestotermineunminerale puòessere:
Trasparente Quandolaluceattraversailmineraleedèpossibile
osservarenitidamentequellochec’èdietro.
Berillo
Traslucido Quandolaluceattraversailminerale,mailsuogradodi
trasparenzapermettesolodipercepirelaformadiunoggettoposto
dietro,manondidistinguerneicontorni.
Fluorite
OpacoImineralicheriflettonoquasituttalalucecheli
colpisce,ossialalucenonpassaattraversoilminerale.
Galena
Polimorfismo
Ilpolimorfismo èlacaratteristicadidueopiùminerali
chepuravendolastessacomposizionechimica,
presentanodiversastrutturadelreticolocristallino.
',$0$17(
*5$),7(
Ildiamanteelagrafitesonocostituitientrambidacarbonio
mahannodiversastrutturadelreticolocristallino
Isomorfismo
L’isomorfismo siverificaquandoionidielementi
chimicidiversi(conraggioionicoecarichesimili)
possonosostituirsiavicenda,all’interno
dellostessoreticolocristallino.
Questielementisidefinisconovicarianti
eilfenomenodell’intercambiabilitàèdettovicarianza.
Imineralichepresentanoisomorfismodannovere
epropriesoluzioniallostatosolidodiduemineralidistinti,
dettemisceleisomorfe.
Unesempiodimiscelaisomorfarinvenibileintutteleproporzionièl’olivina.
L’olivinaèunsilicatocostituitodatetraedridisilicatolegatiaioniferroemagnesio;
questidueionisonopresentiinpercentualivariabiliasecondadeicristalli.
Laformuladelmineraleè(Mg,Fe)2SiO4.
DIFETTINEISOLIDICRISTALLINI
In realtà i materiali mono o policristallini non sono cosìordinati come si èdetto
finora, ma sono ricchi di
DIFETTI RETICOLARI
DIFETTI PUNTUALI
DIFETTI LINEARI
DIFETTI DI SUPERFICIE
Idifettiinfluenzano:
•proprietàfisiche
•proprietàmeccaniche
•proprietàtecnologiche(deformabilitàafreddo,conduttività
elettronicadeisemiconduttori,corrosione).
Controllandoleimperfezionireticolarisiottengonomaterialicon
proprietàcheessinonpossedevanooriginariamente.
DIFETTIPUNTUALI
Questo tipo di difetto prevede
• O la mancanza di un atomo nel reticolo (vacanza),
• O la presenza di un atomo più piccolo in posizione interstiziale (interstiziale),
• O un atomo diverso che sostituisce un atomo proprio del reticolo (sostituzionali).
DIFETTIPUNTUALI:VACANZA
Con la temperatura aumenta la concentrazione di vacanze:
Le vacanze sono difetti di equilibrio: per un certo materiale ad una certa temperatura
esiste una certa densità di vacanze che rende minima l'energia del reticolo cristallino
a quella temperatura
',)(77,38178$/,
,17(567,=,$/(
',)(77,38178$/,
6267,78=,21$/(
SonoutiliiDIFETTIPUNTUALI?
La presenza di impurezze sostituzionali adatte, provoca variazioni
rilevanti nella conducibilità elettrica dei semiconduttori
La sostituzione di un atomo con un altro di carica e dimensioni simili
è una condizione favorevole per la formazione di soluzioni solide
(es. leghe metalliche).
Per ottenere leghe metalliche, è essenziale la possibilità di avere
atomi in posizione interstiziale o sostituzionale.
Unadislocazioneèundifettodilineacheseparaunaregione
deformatadelcristallodallarestanteregioneindeformata
Dislocazioneaspigolo
Movimentodiunadislocazioneaspigolo
DIFETTILINEARI:DISLOCAZIONI
Si tratta di dislocazioni a spigolo o a vite: sono essenziali per la
deformazionePLASTICAdeimateriali
Inunmetallocommerciale(es.Cu)sonopresenticirca108
dislocazioniognicm3
Dislocazioni a spigoloe loro moto
In una parte del cristallo è presente un piano cristallino in più o in
meno rispetto al reticolo perfetto.
I
II
'LVORFD]LRQL D VSLJRORH ORUR PRWR
III
IV
All'esterno del cristallo si osserva la
formazione di un gradino.
Dislocazioneaspigoloolineare
Dislocazioniavite
Una rampa a spirale di atomi spostati rispetto alla posizione del reticolo
perfetto. Dovuta all’applicazione di sforzi di taglio.
'LVORFD]LRQHDYLWHRHOLFRLGDOH
'LVORFD]LRQHPLVWD
'LIHWWLOLQHDUL',6/2&$=,21,
'LVORFD]LRQLDVSLJROR
'LVORFD]LRQLDYLWH
'LVORFD]LRQLPLVWH
',)(77,',683(5),&,(
%25',',*5$12
IBDGsonoricchidilegamidistorti,impurezze,dislocazioni,atomiconNCinferioresono
zoneadelevatareattivitàevidenziabilidaopportunereazionichimiche(attaccochimico)
sonoregionidi‘saldatura’traidiversicristalli
componentiilmaterialeesonozonediesiguospessore.Normalmenteibdg sonoregioni
piùresistentimeccanicamentedelrestodelcristallo.
Monocristallo
Policristallo