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: [email protected] – 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
della stessa entità (1.6x 10-19 Coulombs). I neutroni sono elettricamente neutri
• 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
Trasferendo o mettendo a comune
elettroni.
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.
2.
Mutua ionizzazione che avviene per trasferimento elettronico. Formazione di
cationi ed anioni.
Gli ioni si attraggono per mezzo di una forte attrazione tra cariche. Ne deriva la
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.
2.
3.
4.
Condivisione degli elettroni di valenza.
Vi è sovrapposizione degli orbitali atomici a
formare l’orbitale molecolare
Il legame avviene nella direzione di maggiore
sovrapposizione ed è fortemente direzionale
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
• IL carbonio può formare 4 legami
PE - Polietilene
Grafene = 1 foglio
Diamante
Fullerene
Grafite = pacchetti di grafene
Nanotubi
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, H2O), 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
fluttuanti che generano i legami secondari più deboli (es.nei gas, H2, Cl2)
Legami e materiali
• Spesso nei materiali è presente più di una tipologia di legame
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?
