Appunti Tecnologia dei materiali e chimica applicata

Tecnologia dei materiali e Chimica Applicata

1. INTRODUZIONE

Definizioni:

•materia: tuo ciò che ha proprietà intrinseca di avere massa.

•materiale: è una qualità di materia solida adaa all’impiego per una determinata costruzione.

•sostanza: è una qualità di materia solida con composizione chimica ben definita

1.1 SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI

Ci sono sei categorie di proprietà dei materiali che ne definiscono l’applicabilità: meccaniche,

eleriche, termiche, magnetiche, oiche e di deterioramento.

Un aspeo della scienza dei materiali è lo studio delle relazioni che esistono tra le struure e le

proprietà dei materiali. Per struura si intende il modo in cui alcune componenti interne dei

materiali sono organizzate.

In relazione alla progeazione, alla produzione e all’utilizzo dei materiali, ci sono quaro

elementi da considerare – lavorazione, struura, proprietà e prestazioni. Le prestazioni di un

materiale dipendono dalle sue proprietà, che a loro volta dipendono dalla sua struura; inoltre,

la struura è funzione della modalità di lavorazione del materiale.

Tre importanti criteri di selezione dei materiali sono le condizioni di servizio alle quali il materiale

deve operare, il deterioramento a cui può andare incontro il materiale in uso e i costi di

fabbricazione.

1.2 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

In base alla struura chimica e atomica, i materiali vengono classificati in tre categorie

generali: metalli (realizzati con elementi metallici), ceramici (composti tra elementi metallici e

non metallici) e polimeri (composti da carbonio, idrogeno e altri elementi non metallici). Oltre a

questi vi sono i materiali compositi che vengono realizzati con almeno due tipi dierenti di

materiali.

METALLI

I metalli sono composti da uno o più elementi metallici (come ferro, alluminio, rame, titanio, oro

e nichel) e spesso anche da elementi non metallici (per esempio carbonio, azoto e ossigeno) in

quantità relativamente piccole.

Si distinguono metalli puri e leghe ma anche materiali metallici ferrosi (acciaio, ghisa) e non

ferrosi (rame, alluminio)

Gli atomi nei metalli e nelle loro leghe si dispongono in modo molto ordinato e, in confronto ai

materiali ceramici e polimerici, sono relativamente densi.

Per quel che riguarda le proprietà meccaniche, questi materiali sono relativamente rigidi e

resistenti, ma anche tenaci (vale a dire in grado di subire un’apprezzabile deformazione senza

arrivare a roura) e resistenti alla fraura, il che giustifica il loro diuso impiego nelle

applicazioni struurali.

I materiali metallici hanno un gran numero di eleroni delocalizzati, ovvero eleroni che non

sono legati a un atomo specifico (di valenza). Diverse proprietà dei metalli vengono direamente

aribuite alla presenza di questi eleroni. Per esempio, i metalli sono oimi conduori di calore

e di elericità e non sono trasparenti alla luce visibile; la loro superficie, se levigata, assume un

aspeo lucente. Alcuni metalli (come Fe, Co e Ni) hanno apprezzabili proprietà magnetiche. I

metalli, inoltre, sono soggei a corrosione.

POLIMERI

Ai polimeri appartengono le familiari materie plastiche e le gomme. Alcuni di essi sono composti

organici, basati chimicamente su carbonio, idrogeno e altri elementi non metallici (come O, N e

Si). Hanno struura molecolare molto voluminosa, configurata in genere in catene con una

struura portante formata da atomi di carbonio. Comuni e familiari polimeri sono il polietilene

(PE), il nylon, il cloruro di polivinile (PVC), il policarbonato (PC), il polistirene (PS) e la gomma

siliconica.

Questi materiali hanno tipicamente bassa densità e proprietà meccaniche diverse da quelle dei

materiali metallici e ceramici – essi, infai, non sono così rigidi né così resistenti.

Molti polimeri, inoltre, sono estremamente duili e flessibili (vale a dire plastici), il che significa

che permeono di oenere facilmente forme complesse tramite la stampa post

riscaldamento a bassa temperatura (polimeri termoplastici).

In generale, essi sono relativamente inerti chimicamente e non reaivi ad un gran numero di

ambienti.

Uno dei maggiori svantaggi dei polimeri è la loro tendenza a rammollire e/o a decomporsi a

temperature non elevate, il che in alcuni casi ne limita l’impiego. Inoltre, essi hanno basse

conduività eleriche e sono amagnetici.

CERAMICI

I ceramici sono composti formati da elementi metallici e non metallici; sono per la maggior

parte costituiti da ossidi, nitruri e carburi. Ad esempio, alcuni tra i più comuni materiali ceramici

sono l’ossido di alluminio (o allumina, Al O ), il biossido di silicio (o silice, SiO ) e, inoltre, quelli che

2 3 2

vengono comunemente definiti – quali quelli composti da minerali

ceramici tradizionali

argillosi (come la porcellana), il cemento e il vetro. Ad essi si aggiungono i ceramici naturali

come rocce e minerali e i materiali di tipo ossidico e non ossidico ad elevata

ceramici avanzati

densità che possono trovare applicazioni di tipo struurale o di tipo funzionale (telefonia).

Per quel che riguarda il comportamento meccanico, i materiali ceramici sono relativamente

rigidi e resistenti (confrontabili con i metalli).

I ceramici sono tipicamente molto duri, ma anche estremamente fragili (a causa della

mancanza di duilità), e sono molto sensibili alla fraura fragile. Recentemente sono stati

sviluppati nuovi materiali ceramici ad elevata resistenza alla fraura: il loro impiego prevede

la realizzazione di pentole, posate e persino parti di motori per automobili. I materiali ceramici

sono tipicamente isolanti termici ed elerici (ovvero hanno bassa conduività elerica) e sono

più resistenti dei metalli e dei polimeri alle alte temperature e agli ambienti aggressivi. Per quel

che riguarda le proprietà oiche, i ceramici possono essere trasparenti, traslucidi o opachi a

seconda della lavorazione e alcuni ossidi ceramici (ad esempio Fe O ) mostrano

3 4

comportamento magnetico.

COMPOSITI

Un composito è costituito da due (o più) materiali appartenenti alle classi citate sopra, vale a

dire metalli, ceramici e polimeri. La progeazione di un materiale composito ha per obieivo

quello di oenere una combinazione di proprietà che non sono possedute da nessun

particolare materiale, e di sommare anche le proprietà migliori di ciascuno dei materiali

componenti. Dalla dierente combinazione di metalli, ceramici e polimeri si oiene una grande

varietà di materiali compositi. In natura esistono diversi materiali che possono essere

considerati compositi – per esempio il legno e le ossa. Comunque, la maggior parte dei

materiali compositi che considereremo sono compositi sintetici (creati dall’uomo).

Uno dei più comuni e familiari materiali compositi è la vetroresina, in cui minuscole fibre di

vetro (rinforzo) sono disperse in un materiale polimerico (matrice) (di solito una resina

epossidica o poliestere). Le fibre di vetro sono relativamente resistenti e rigide (ma anche

fragili) mentre il polimero è più flessibile. Così, la vetroresina risultante è relativamente rigida,

resistente e flessibile ed ha, inoltre, una bassa densità.

1.3 CONSIDERAZIONI ECONOMICHE ED ECOLOGICHE

Nonostante gli enormi progressi di questi ultimi anni nel campo della scienza e dell’ingegneria

dei materiali, rimangono ancora numerose sfide tecnologiche, tra cui, da un lato, lo sviluppo di

materiali sempre più sofisticati e specialistici e, dall’altro, la valutazione dell’impao ambientale

della produzione dei materiali.

Uno smartphone contiene al suo interno oro, argento, rame, platino e terre rare come l’irio e

il lantanio. Queste ultime sono contenute in piccole percentuali (1%) e non si è ancora trovato un

metodo conveniente per il recupero (estrazione ad alto impao ambientale).

Quantità di metallo (oro, rame e argento) ricavato da 1 tonnellata di minerale (miniere in Cile,

Australia, Perù) è neamente inferiore alla quantità di metallo che si può estrarre da 1

tonnellata di smartphone.

Il costo dei materiali deve essere proporzionato al livello tecnologico della loro applicazione, esso

dipende da vari faori tra cui:

- domanda e oerta

- costo dell’energia

- purezza e qualità

- relazione costo/prestazione

- alligazione

- disponibilità

- dipendenza da paesi fornitori

2. STRUTTURA ATOMICA E LEGAMI INTERATOMICI

2.1 CONCETTI FONDAMENTALI

In termini dimensionali, gli elementi struurali includono la scala (interazioni tra

subatomica

eleroni e nucleo all’interno di un singolo atomo), quella (interazione tra

atomica e molecolare

atomi e/o molecole nello spazio), quella (organizzazione degli atomi e delle

microscopica

-6

molecole nello spazio, 10 m tramite microscopico oico o eleronico) e quella macroscopica

(proprietà medie degli stati microscopici).

Ogni atomo, unità struurale base della materia, è costituito da particelle elementari ovvero un

-14

molto piccolo (10 m) contenente neutroni, circondato da in continuo

nucleo protoni e eleroni

-10

movimento. Mediamente un atomo ha una dimensione di 10 m (un angstrom). Sia i protoni che

gli eleroni sono elericamente carichi, di segno negativo nel caso degli eleroni e positivo per

i protoni; i neutroni, invece, sono elericamente neutri. In uno stato di equilibrio un atomo

contiene lo stesso numero di protoni e di eleroni.

Le masse di queste particelle subatomiche sono estremamente piccole; i protoni e i neutroni

-24

hanno approssimativamente la stessa massa (10 g) che è tuavia significativamente più

-28

grande della massa degli eleroni (10 g). La nuvola eleronica costituisce la maggior parte

del volume dell’atomo ma rappresenta solo una piccolissima parte della sua massa.

Ogni elemento è caraerizzato da uno specifico (Z), ovvero il numero di

numero atomico

protoni presenti nel nucleo. La (A) di un determinato atomo può essere

massa atomica

espressa come la somma delle masse dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo. Tuavia,

sebbene il numero dei protoni sia sempre lo stesso per tui gli atomi di un dato elemento, il

numero dei neutroni (N), può variare. Pertanto, gli atomi di alcuni elementi presentano due o più

masse atomiche: questi atomi sono chiamati isotopi. Il di un elemento

peso atomico

corrisponde alla media pesata delle masse atomiche degli isotopi degli atomi presenti in natura.

Per esprimere il peso atomico può essere impiegata l’unità di massa atomica (uma).

Spesso per l’impiego tecnologico, pesare un singolo atomo è superfluo, perciò si considera una

23

In una mole di sostanza ci sono 6.022 × 10 (numero di Avogadro) atomi o molecole.

mole. 23

Quindi il peso atomico è il peso in grammi di una mole di materiale, ovvero di 6.022 × 10 atomi.

2.2 MODELLI ATOMICI

Atomo di Bohr, 1913:

Uno dei primi passi della meccanica quantistica è stato la definizione del

modello atomico di Bohr semplificato, nel quale si suppone che gli eleroni

ruotino intorno al nucleo atomico in e che la posizione di ciascun

orbitali discreti

elerone sia definita abbastanza bene dal suo orbitale. Ogni orbita corrisponde

2

ad un diverso livello di energia definita dalla formula E= -13.6eV/n

Successivamente, è apparso chiaro che il modello di Bohr presenta alcune significative

limitazioni, essendo inadeguato a spiegare diversi fenomeni riguardanti il comportamento degli

eleroni. Inoltre, venne messa in discussione, l’eeiva validità dei livelli energetici.

Modello meccanico-ondulatorio (fisica quantistica):

La soluzione è stata trovata con un nuovo modello atomico, il modello

meccanico-ondulatorio, il quale stabilisce che gli eleroni possiedono le

caraeristiche tipiche sia delle particelle che delle onde. Secondo questo

modello, un elerone non è più considerato come una particella che si

muove su un determinato orbitale, la cui posizione è univocamente

determinabile, ma piuosto la posizione dell’elerone è rappresentata

dall’insieme delle posizioni intorno al nucleo dove vi è un’alta probabilità di

trovare l’elerone stesso, ovvero da una funzione d’onda basata sulla

probabilità.

2.3 I NUMERI QUANTICI

Secondo la teoria della meccanica ondulatoria, ogni elerone è caraerizzato da quaro

parametri, chiamati numeri quantici, i quali definiscono gli eleronici, ovvero i valori

stati

energetici “permessi” agli eleroni. La dimensione, la forma e l’orientazione spaziale della

densità di probabilità di un elerone sono descrie da tre di questi numeri quantici. Inoltre, i

livelli energetici individuati dalla teoria di Bohr vengono suddivisi in soolivelli eleronici e i

numeri quantici indicano il numero degli stati eleronici all’interno di ogni soolivello. I livelli o

gusci sono identificati da un numero quantico principale n, il quale può assumere soltanto valori

interi a partire dall’unità.

NUMERO QUANTICO PRINCIPALE (n)

Descrive la distanza tra il nucleo e la zona di probabilità di ritrovamento dell’elerone, dunque

i gusci principali

n=1,2,3,…7

NUMERO QUANTICO AZIMUTALE (l)

Descrive la forma dei soolivelli eleronici (soogusci, soogruppi o orbitali)

I valori che può assumere l sono interi ristrei dal valore di n: partendo da 0 possono essere

pari al massimo a n−1. Ogni sooguscio viene rappresentato da una leera minuscola (s, p, d o

f) legata al valore di l da 0 a 3 in questo modo 0s – 1p – 2d – 3f. In base ad l avrò, ad esempio,

per n=3 l=0,1,2 in corrispondenza dei quali avrò l=0 -> sooguscio 3s / l=1 -> sooguscio 3p ->

l=2 -> sooguscio 3d.

Inoltre, la forma degli orbitali eleronici dipende da l, gli orbitali s hanno una forma sferica,

gli orbitali del sooguscio p hanno la forma di una clessidra, etc.

NUMERO QUANTICO MAGNETICO (ml)

Descrive l’orientamento. Per ogni soogruppo, tale numero assume valori interi compresi tra −l

e +l, incluso lo 0. Quando l = 0, ml può essere soltanto pari a 0: questo corrisponde al sooguscio

s, che può avere un solo orbitale. Quando l = 1, ml può essere −1, 0 e +1, che corrispondono ai tre

possibili orbitali p (ml=2l+1). In modo simile si può mostrare che il sooguscio d contiene cinque

orbitali e che il sooguscio f ne contiene see. Dunque il. Numero di valori che può assumere

ml corrisponde al numero di orbitali.

valori di n valori di l valori di ml sooguscio n° di orbitali n° di eleroni

1 0 0 1s 1 2

2 0 0 2s 1 2

1 -1,0,1 2p 3 6

3 0 0 3s 1 2

1 -1,0,1 3p 3 6

2 -2,-1,0,1,2 3d 5 10

4 0 0 4s 1 2

1 -1,0,1 4p 3 6

2 -2,-1,0,1,2 4d 5 10

3 -3,-2,-1,0,1,2,3 4f 7 14

NUMERO QUANTICO DI SPIN (ms)

Descrive il comportamento magnetico degli eleroni. Può assumere solo due valori (+1/2 e -1/2)

CONFIGURAZIONI ELETTRONICHE

Le modalità secondo le quali questi livelli eleronici vengono occupati sono stabilite dal principio

Pauli, un altro conceo della meccanica quantistica. Questo principio aerma

di esclusione di

che in ogni livello energetico (orbitali) non possono coesistere più di due eleroni, i quali, peraltro,

devono avere spin opposti.

2 2 6 2 6 10 2

1S 2S 2p 3S 3p 3d 4s

Semplici regole per la configurazione eleronica

1) si prende in considerazione il numero atomico Z dell’elemento che si vuole raigurare;

2) secondo il principio della minima energia gli eleroni tendono ad occupare gli stati quantici

a minore energia e corrispondente massima stabilità;

3) secondo il principio di esclusione di Pauli in ciascun orbitale non

possono essere presenti più di due eleroni che si dispongono con

spin opposto;

4) se due o più eleroni hanno uguale valore di energia

(appartengono cioè ad uno stesso soolivello s, p, d o f), ciascuno

tende ad occupare di preferenza un singolo orbitale, disponendosi

nel massimo numero possibile di questi (regola di Hund)

5) RICORDA che 3d ha energia maggiore rispeo a 4s etc…

1s

2s 2p

3s 3p

4s 3d 4p

5s 4d 5p

6s 4f 5d 6p

7s 5f 6d 7p

Considero Neon (Ne) con Z=10 completa l’oeo al livello n=2

Come il Neon, per alcuni elementi chimici l’oeo è completo, questi ultimi prendono il nome di

gas o poiché hanno una configurazione eleronica perfeamente stabile

nobili inerti,

2.4 TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

Tui gli elementi sono stati classificati secondo la loro configurazione eleronica nella tavola

periodica. In essa, gli elementi sono collocati, al crescere del numero atomico, nelle see righe

orizzontali, dee periodi. La sistemazione degli elementi nella tavola periodica è faa in modo

che tui gli elementi appartenenti a una data colonna, o gruppo, sono caraerizzati dall’avere

simile struura degli eleroni di valenza, una simile configurazione, nonché simili proprietà

chimiche e fisiche. Queste proprietà variano gradualmente, muovendosi orizzontalmente lungo

ogni periodo e verticalmente scendendo lungo ogni colonna.

Gli elementi posizionati nel Gruppo 0, ovvero il gruppo all’estrema destra della tavola, sono i gas

nobili, i quali hanno l’ultimo livello completo e configurazioni eleroniche stabili. Gli altri elementi,