Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e

Tecnologia

dei materiali

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Struttura atomica e legami interatomici

Un caso particolare di diversa struttura atomica è il carbonio, che possiamo trovare nella sua forma più pura in

due diverse strutture: esagonale nella grafite e reticolare nel diamante, dando origine a due sostanze che hanno

proprietà completamente opposte.

Dobbiamo capire perché gli atomi si legano secondo una struttura piuttosto che un’altra. Questo è legato alla

formazione di legami chimici, dovuta alla presenza degli elettroni di valenza, perché saranno quelli a legarsi agli

elettroni di valenza di altri elementi, quindi per convenzione tutto ciò che non rientra negli elettroni di valenza

può essere considerato come una semplice sfera rigida. A causa della doppia natura degli elettroni, non si può

stabilire con esattezza la posizione di un elettrone, la zona con probabilità massima si chiama orbitale, in

particolare consideriamo gli orbitali di valenza di ogni atomo. Gli elementi sono stati posizionati all’interno della

tavola periodica, a causa delle loro simili proprietà dovute alla simile configurazione elettronica dell’orbitale ci

valenza. In particolare, gli elementi che hanno l’orbitale di valenza completo si dicono elementi nobili e hanno la

proprietà di non creare legami chimici poiché non hanno elettroni di valenza. L’affinità degli elementi a seconda

della configurazione elettronica è dovuta alla diversa forma degli orbitali: gli orbitali s hanno forma sferica, quindi

la probabilità di trovare elettroni è massima in tutte le direzioni; gli orbitali p hanno una forma a lobi. In particolare

metalli alcalini e alcalino-terrosi hanno gli elettroni di valenza in orbitali s, i metalli di transizione in orbitali d, gli

alogeni su orbitali p, assumendo proprietà tipicamente metalliche a sinistra e tipicamente non-metalliche a

destra.

Due atomi creano un legame tra loro per aumentare la loro stabilità e quindi abbassare la loro energia potenziale.

Quando due atomi si avvicinano tra loro entrano in gioco diversi fattori di natura elettrica, che possono dare

contributo attrattivo o repulsivo, in particolare sono repulsive le interazioni nucleo-nucleo e elettroni-elettroni e

attrattive quelle nucleo-elettroni. Osservando il grafico notiamo che diminuendo la distanza tra gli atomi aumenta

notevolmente la forza attrattiva, se li allontano aumenta la forza repulsiva. La correlazione tra forza a energia

risiede nel concetto di lavoro. Mettendo a confronto i due grafici notiamo che si raggiunge il minimo energetico

quando le forze sono in equilibrio.

L’idrogeno, che ha un elettrone e un protone, tende a legarsi ad altri atomi di idrogeno per creare l’idrogeno

molecolare attraverso un legame covalente: i due atomi condividono elettroni per stabilizzarsi entrambi. In

particolare, in questo caso le forze attrattive e repulsive si equilibrano quando gli atomi si trovano a una distanza

di 74 pm. Il legame covalente ha delle proprietà caratteristiche: si forma lungo la direzione che permette la

massima sovrapposizione degli orbitali (le proprietà quindi cambiano a seconda della direzione secondo cui lo

osservo); questo legame si crea solo tra elementi con simile elettronegatività, se la differenza di elettronegatività

supera una certa soglia si parla di legame covalente polarizzato, quindi non si tratta di una vera e propria

condivisione di elettroni ma di una maggior attrazione da parte di uno dei due. L’elettronegatività dipende dal

raggio atomico, minore è il raggio più l’atomo sarà elettronegativo.

Quando la differenza di elettronegatività è particolarmente alta si forma un legame ionico, che può essere

considerato anche come un caso particolare del legame polarizzato. In questo caso non si considera più una

condivisione, ma un trasferimento di cariche permanente, dando origine a ioni. Quando si formano ioni c’è un

trasferimento di elettroni, in particolare, per esempio, nel cloruro di sodio NaCl, un elettrone si sposta dal sodio al

cloro, dando origine allo ione negativo cloro e allo ione positivo sodio. Questa differenza di carica porta a

un’attrazione tra il sodio e il cloro in tutte le direzioni (legame adirezionale) verso gli atomi vicini secondo una

struttura reticolare. I composti ionici non formano molecole, ma cristalli, infatti il reticolo che formano è detto

reticolo cristallino. L’energia del legame ionico è detta energia reticolare e corrisponde alla quantità di energia

potenziale degli ioni del cristallo. Per deformare i materiali bisogna applicare una forza che modifichi

plasticamente la struttura della materia, in particolare per quelli ionici è particolarmente difficile poiché basta

ottenere un piccolo slittamento per far si che cariche uguali vengano a contatto e si respingano originando la

disgregazione del cristallo e non la deformazione.

Una gran parte della tavola periodica è occupata dai metalli, che hanno una serie di proprietà simili (vedi slides) e

che si legano tra loro attraverso il legame metallico, modello diverso rispetto al legame covalente e a quello

ionico. Le proprietà metalliche possono essere descritte attraverso il modello del mare di elettroni. Possiamo

considerare i nuclei dei singoli atomi come sfere rigide cariche positivamente circondate da una nube di elettroni

condivisi che si muovono liberamente perché messi in compartecipazione da atomi con elettronegatività simile.

La deformazione dei materiali metallici è più semplice che nei materiali ceramici.

I legami visti finora sono detti “forti” a causa dell’elevata energia di legame che li caratterizza, ma ne esistono

anche di molto più deboli, che però sono fondamentali per spiegare alcune proprietà della materia, come il

legame a idrogeno e le forze di Van der Waals. Il legame a idrogeno si forma quando l’idrogeno si lega a un atomo

molto elettronegativo ed è dovuto a un’interazione elettrostatica tra atomi con cariche parziali opposte, infatti le

molecole inizialmente potrebbero sembrare distinte, ma sono legate dai cosiddetti ponti a idrogeno. Il legame a

idrogeno modifica fortemente le proprietà chimiche e fisiche della materia, per esempio l’acqua a causa della

presenza del legame a idrogeno è l’unica sostanza che allo stato solido ha un volume minore che allo stato

solido. Anche nella doppia elica del DNA sono presenti dei legami a idrogeno che uniscono i due filamenti

complementari.

Le interazioni di Van der Waals hanno un’energia circa un centesimo inferiori rispetto a quelle forti e funzionano

solo a distanze estremament