1_2014_I legami atomici

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
CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI
I materiali solidi vengono suddivisi in:
1. Metalli
2. Ceramici
3. Semiconduttori
4. Polimeri
5. Compositi
6. Materiali avanzati (biomateriali, nanostrutture,...)
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.
LEGAMI ATOMICI NEI SOLIDI:
forze ed energie di legame
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
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
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).
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)
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 = 1.602 10-19J
Sono molto usati i suoi multipli:
keV (kilo-eV, ossia 1000 elettronvolt)
MeV (mega-eV, cioè un milione - 106 - di elettronvolt)
GeV (giga-eV, cioè un miliardo - 109 - di elettronvolt)
TeV (tera-eV, cioè mille miliardi - 1012 - di elettronvolt).
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, isolanti termici ed
elettrici allo stato solido
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 CH4
Presentano legami covalenti:
•Diverse molcole di elementi non metallici (H2, Cl2, F2,…)
•Diverse molecole contenenti atomi diversi fra loro ( CH4,…)
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,…)
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 nella
può legarsi solo con un altro atomo
molecola di Cl2
C N’ = 4; 8-N’ = 4 lega con 4
nel diamante ogni atomo di C si
altri atomi di C
I legami covalenti sono solitamente molto forti (es: diamante – molto duro ed
elevata Tfus>3350°C).
Questo legame è tipico dei polimeri.
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.
Elettronegatività crescente
Sono detti elettropositivi gli elementi che cedono facilmente i loro pochi elettroni di
valenza; elettronegativi quelli che accettano elettroni , o che mettono in comune i
propri.
Elettronegatività crescente
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 XA) e B (meno elettronegativo, con elettronegatività XB) può essere
calcolata con:
[
]×100
Elettronegatività crescente
% _ legame _ ionico = 1 − e
− 0.25( X A − X B )2
Elettronegatività crescente
[
% _ legame _ ionico( NaCl ) = 1 − e
[
= 1− e
− 0.25 (3.0 − 0.9 )2
− 0.25( X Cl − X Na )2
]×100 = 66.8%
]×100
Elettronegatività crescente
% _ legame _ ionico( SiC ) = ?
Elettronegatività crescente
[
% _ legame _ ionico( NaCl ) = 1 − e
[
− 0.25( X Cl − X Na )2
]×100
]×100 = 66.8%
]×100
% _ legame _ ionico( SiC ) = [1 − e
]×100 = 11.5%
= [1 − e
= 1− e
− 0.25 (3.0 − 0.9 )2
− 0.25 ( X C − X Si )2
Elettronegatività crescente
− 0.25 ( 2.5−1.8 )2
Elettronegatività crescente
SOLIDI COVALENTI
Nel reticolo cristallino sono presenti gli atomi legati con legame
covalente
•In generale grande durezza
•Isolanti o semiconduttori
•Insolubili in acqua
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 (0.7 - 8.8 eV/atomo)
( temperature di fusione nel range
-39 - 3410 °C)
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
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)
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
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’H2O) o l’azoto (come
nell’NH3).
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
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
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