Riassunto esame Fondamenti di automatica, Prof. Lamastra Francesca Romano, libro consigliato Fondamenti di chimica, Palmisano

ESEMPI:

Il quarzo è il vetro sono la stessa sostanza ma a seconda della loro struttura assumo

due forme.

Quarzo: è un materiale ceramico in cui i legami sono di tipo misto ionico covalente ed

ha una struttura cristallina.

Vetro: solido amorfo

Un solido cristallino possiede un ordine rigido e a lungo raggio. In un solido cristallino,

gli atomi, le molecole o gli ioni occupano posizioni specifiche. Una cella elementare è

l’unità strutturale ripetitiva di un solido cristallino.

Un solido amorfo non possiede un arrangiamento ben definito e un ordine nelle

posizioni degli atomi o delle molecole che lo costituiscono a lungo raggio.

Solidi cristallini come abbiamo detto sono monocristallini o policristallini.

Solido monocristallino: la cella unitaria si ripete in tutto il solido con la stessa

orientazione.

Solido policristallino: è formato da un insieme di cristalliti (piccoli, spesso microscopici

cristalli) chiamati grani cristallini a diversa orientazione.

Esempio pannelli solari, le celle policristalline sono realizzate a partire da lingotti di

silicio che presentano cristalli disallineati. Le celle monocristalline nascono invece da

lingotti in cui il reticolo cristallino è continuo.

Sistemi cristallini

Le strutture cristalline sono suddivise in gruppi (sistemi cristallini) in base alla

geometria della cella unitaria, indipendentemente dalla posizione degli atomi

all'interno della cella. Ogni sistema cristallino è completamente descritto da 6

parametri reticolari:

α, β, γ

a, b, c,

I sistemi cristallini sono completamente descritti da 6 parametri, individuati su un

sistema di coordinate (x,y,z) la cui origine

viene posta in corrispondenza di un vertice

della cella ed i cui assi vengono fatti

coincidere con tre spigoli della cella. I sei

parametri reticolari risultano così essere:a,b,c

dimensioni reticolari lungo i tre assi a, b, g

α, β, γ

angoli tra gli assi

Le strutture cristalline sono raggruppate in 7 sistemi cristallini e 14 reticoli di Bravais.

4 tipi di celle elementare:

•Semplice, se gli atomi sono disposti ai vertici della cella

•Corpo centrato, se gli atomi sono disposti sui vertice della cella e al centro della cella.

•Facce centrate, se gli atomi sono disposti oltre che sui vertici ai centri di ciascuna

delle 6 facce.

•Basi centrate, se gli atomi si trovano hai vertici della cella e ai centri delle basi.

•Reticoli di Bravais: 14 celle elementari standard

Sistemi cristallini e reticoli di Bravais

Tipi di cristalli

Cristalli ionici: sono caratterizzate da legame ionico e hanno posizioni reticolari e

interstiziali occupate da cationi o anioni, deve essere soddisfatta la condizione di

elettronegatività. es. cloruro di sodio

Cristalli covalenti: sono caratterizzati da legami covalenti e hanno posizioni reticolari

occupate da atomi.

Cristalli molecolari: sono caratterizzati da legami intermolecolari e hanno posizioni

reticolari occupate da molecole. Es ghiaccio

Cristalli metallici: sono caratterizzati da legame metallico e hanno posizioni reticolari

occupate da atomi di elementi metallici.

Tipo di cristallo Tipo di legame (i.e Esempi

tomi, ioni, molecole)

Ionico Legame ionico NaCl, LiF, MgO,

CaCO3

Molecolare Intramolecolare: CO2, I2, H2O,

covalente C12H22O11

Intermolecolari: (saccarosio)

Interazioni

ipolo-dipolo, legami

drogeno, interazioni

dipolo istantaneo –

dipolo indotto

Covalente Legame covalente C (diamante),

SiO2(quarzo)

Metallico Legame metallico Tutte le sostanze

elementari

metalliche i.e. Na,

Mg, Fe, Cu, Ni, Ti,…

Materiali metallici power point 12

I metalli vengono utilizzati per molte costruzioni. L’alluminio è molto leggero e una

bassa densità. Nel settore automobilistico vengono molto utilizzati i metalli ferrosi,

come gli acciai e le ghise. I materiali metallici comuni sono policristalli. I materiali

metalli cristallini e policristallini vengono utilizzati di meno.

Legame metallico: nella formazione del legame metallico tutti gli atomi metallici

cedono i propri elettroni di valenza che formano un mare di elettroni de localizzato su

tutto il solido, nel quale sono “immersi” i cationi metallici in disposizione ordinata

(legame adirezionale).

Legame adirezionale, tutti gli ioni positivi sono circondati da ioni negativi.

Gli elettroni di valenza sono condivisi tra tutti gli atomi e sono liberi di muoversi.

Materiali metallici puri

Celle elementari:

• cubica a facce centrate (CFC)

γ,

Cu, Ni, Ag, Au, Fe ...

• cubica a corpo centrato (CCC)

α,

Fe Cr, W, Mo...

• esagonale compatta (EC)

α...

Zn, Cd, Co, Ti

Cubica a facce centrate (CFC)

Il reticolo cubico a facce centrate (o reticolo CFC) è uno dei 14 reticoli di Bravais,

appartenente al sistema cubico. Il sistema presenta 4 atomi per cella e numero di

coordinazione pari a 12, risulta quindi un fattore d'impacchettamento atomico (FCA)

uguale a 0.74, molto compatto. Il numero di combinazioni è il numero di atomi

continui che possono essere adiacenti o no a ciascun atomo.

FCA = volume atomi nella cella/volume della cella

Calcolare il fattore di compattazione atomica (FCA) per la cella elementare CFC,

assumendo gli atomi sferici.

f. compattazione = volume degli atomo/ volume della cella = 0,74

√2a = 4R R= (√2/4)*a

Cubica a corpo centrato (CCC)

Il sistema presenta 2 atomi per cella e numero di coordinazione pari a 8, risulta quindi

un fattore di compattazione atomico pari a 0.68.

Calcolare il fattore di compattazione atomica (FCA) per la cella elementare CCC,

assumendo gli atomi sferici.

√3a = 4R R= (√3/4)*a

Esagonale compatta (EC)

Il sistema presenta 6 atomi per celle e un ,numero di coordinazione pari a 12, il

numero di fattore di compattazione atomica è 0,74. Il valore teorico di c/a è 1,633.

FCA = Volume atomi / Volume cella

Esagonale compatta (EC) vs cubica a facce centrate (CFC)

Esagonale compatta (EC) e cubica a facce centrate (CFC) sono molto simili per quanto

riguarda le proprietà che vanno a definire la cella elementare. Hanno lo stesso fattore

di compattazione atomica e lo stesso numero di ordinazione. Queste due celle, sono

compatte.

CFC: sequenza di impilamento ABCABCABC…

EC: sequenza di impilamento ABABAB….

FCA di CFC e EC = 0.74 corrisponde all’impacchettamento più efficace possibile per

atomi (sfere) di uguali dimensioni.

CFC e EC generate da impilaggio di piani compatti secondo diverse sequenze

Densità (ρ)

Ρ = N*M/V *N atom

c a

N numero di atomi per cella

M massa molare

Vc volume della cella unitaria

6,0221×10 mol

NA numero di Avogadro 23 −1

Polimorfismo e allotropia

Quando un composto (polimorfismo) o un elemento(allotropia) presenta strutture

cristalline diverse, ognuna stabile in un certo intervallo di temperature e di pressioni.

Allotropo: elemento che può assumere forme cristalline diverse al variare di

temperatura e pressione.

Polimorfismo: un composto che può assumere forme cristalline diverse al variare di

temperatura e pressione.

Forme allotropiche del ferro

Lega Metallica

Una lega è una combinazione di atomi, ioni o molecole a formare un materiale le cui

proprietà differiscono da quelle dei costituenti (o componenti). Abbiamo due tipi di

leghe:

- lega monofasica

- lega polifasica

La lega metallica: è una miscela solida mono o polifasica composta da 2 o più elementi

di cui almeno uno, l’elemento principale, è un metallo. I componenti di una lega

metallica sono:

totalmente miscibili (soluzioni solide sostituzionali o interstiziali),

parzialmente miscibili,

totalmente immiscibili.

Esempi leghe metalliche,

Acciai (leghe Fe-C con %C tra 0.06% e 2.06 %C)

Ghise (leghe Fe-C con %C tra 2.06% e 6.67 %C)

Bronzo (leghe Cu-Sn)

Ottone (leghe Cu-Zn)

Soluzioni solide

Una soluzione solida è una soluzione allo stato solido di uno o più soluti in un

solvente. Tale miscela si considera una soluzione piuttosto che un composto

quando la struttura cristallina del solvente rimane immutata dopo l'aggiunta dei

soluti, e quando la miscela resta in un'unica fase omogenea. Possono essere

di due tipi: è quel composto ottenuto da uno o più

- Soluzione solida interstiziale,

atomi entrati in soluzione e si sostituiscono agli atomi del reticolo

cristallino della sostanza che agisce da solvente o si introducono

negli spazi del reticolo medesimo, esempio leghe carbonio

si ha un reticolo regolare costituito

- Soluzione solida sostituzionale,

dagli atomi del solvente in cui si distribuiscono in modo «random»

gli atomi del soluto

,esempio rame zinco

Difetti di superficie (bordi di grano)

Le regioni in cui i grani a diversa orientazione si toccano, vengono chiamati

bordi di grano e sono delle zone caratterizzate da una struttura più o meno

perturbata che permette l'adattamento geometrico e cristallografico dei

differenti cristalli.

Materiali Ceramici

I materiali ceramici sono un'ampia classe di materiali inorganici non metallici di

struttura, composizione e proprietà variabili.

I materiali ceramici si dividono in:

-Ceramici tradizionali che a sua volta si dividono in due sotto categorie:

- ceramici a pasta porosa, terrecotte, terraglie, maioliche.

-ceramici a pasta compatta, porcellane, gres

- Ceramici avanzati con elevate prestazioni meccniche, preparati per

sintetizzazzione di materiali inorganici non metallici, esempio ossidi, siliciuri,

carburi…

Ceramici avanzati strutturali

Sono solidi policristallini ionico-covalenti o covalenti: con un elevato punto di

fusione, bassa capacità termica, bassa densità, elevata inerzia chimica,

elevata durezza, elevata resistenza all’usura.

Ceramici avanzati strutturali: temperatura di fusione

I materiali ceramici hanno delle temperatura di fusione più elevati rispetto ai

metalli. Questo aumento è dovuto alla componente covalente dei legami misti

ionici-covalenti che caratterizzano i materiali ceramici.

Degli esempi di ceramici avanzati atrutturali sono:

ossidi metallici esempio: allumina (Al2O3 ), zirconia (ZrO2 ), titania (TiO2),

magnesia (MgO).

carburi esempio: carburo di titanio (TiC), carburo silicio (SiC)

nitruri esempio: nitruro di silicio (Si3N4 )

Struttura di ceramici avanzati strutturali ionico-covalenti esempi:

• MgO (magnesia o ossido di magnesio)

cella elementare CFC

2-

siti reticolari (ioni O ) 2+

posizioni ottaedriche interstiziali (ioni Mg )

• ZrO2 (zirconia o ossido di zirconio)

cubica cella elementare CFC

4+

siti reticolari (ioni Zr ) 2-