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.
Corso di Chimica applicata e
Tecnologia dei Materiali
• Introduzione allo studio dei materiali
• Legami atomici e struttura dei materiali
• Principali proprietà dei materiali
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.
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.
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 6.023x1023 atomi (numero
di Avogadro NA) di tale elemento.
La tavola periodica
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.
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 2n2. 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 1s2 2s2 2p4, l’Elio (Z = 2, gas
nobile) ha configurazione 1s2, l’Argon (Z = 18, gas nobile) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.
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 s2 p6 . 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).
H·
H·
Secondo la teoria degli orbitali molecolari, gli
orbitali atomici si “riarrangiano” per dare gli
orbitali molecolari. Formazione della molecola
di idrogeno (H2). 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.
= H2
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 (O2 ossigeno), da più atomi di elementi diversi
(H2O 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 C6H12O6), 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.
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).
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
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
Il sale (cloruro di sodio):
legame ionico
Acqua: legame
covalente fra gli
atomi
Polimeri: legame
covalente lungo
le catene
legame ad
idrogeno fra le
molecole
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.
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).
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.
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.
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
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
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 s2
p8), ovvero con 8 elettroni nel livello energetico esterno.
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
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.
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.
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)
F
+
F
FF
F-F
b)
O
+
O
OO
O=O
c)
N
N
NN
_
N=N
+
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.
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
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
(SiO2, 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 (SiO2, quarzo )
struttura cristallina in cui
l’unità fondamentale è il
tetraedro (SiO4)4-
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.
Unità strutturale
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).
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.
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.
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
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
Aggrovigliamento delle catene
polimeriche
Singole catene
polimeriche
visualizzate al
microscopio a
forza atomica
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 (H2O). 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.
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.
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
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 amorfa – disposizione
Struttura cristallina – disposizione
spaziale in cui non è riconoscibile un
spaziale degli atomi ordinata e
ordine geometrico (disposizione
regolare che determina una struttura
casuale). Un tipico esempio è il vetro.
reticolare tridimensionale.
Struttura semicristallina – in cui sono
presenti zone a struttura cristallina e
zone a struttura amorfa. Un esempio
sono i polimeri semicristallini.
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.
Reticolo
spaziale
Sistema
cristallino
Reticolo spaziale
Cubico
Cubico semplice
Cubico corpo centrato
Cubico facce centrate
Tetragonale
Tetragonale semplice
Tetragonale corpo centrato
Ortorombico
Ortorombico semplice
Ortorombico corpo centrato
Ortorombico assi centrali
Ortorombico facce centrate
Romboedrico
Romboedrico semplice
Esagonale
Esagonale semplice
Monoclino
Monoclino semplice
Monoclino basi centrate
Triclino
Triclino semplice
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)
Impaccamento delle celle
unitarie a formare i reticoli
cristallini. La maggior parte dei
metalli solidifica secondo una
di queste 3 strutture cristalline.
Reticolo cubico a facce
centrate (cfc)
Reticolo
esagonale
compatto (ec)
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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).
Aggrovigliamento delle catene
polimeriche (struttura semicristallina)
Unità
monomerica
del Polietilene
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
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 (TiO2): 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.
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.
Un primo confronto fra materiali - MATERIALI CERAMICI
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
-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
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
Es. Caso del reticolo
cristallino di NaCl
Si riduce il numero di
sistemi di scorrimento
disponibili
NO
Proprietà dei
TECNOLOGIA DI PRODUZIONE DEI CERAMICI
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 VETRI
