Appunti di tecnologia dei materiali

Tecnologia dei materiali

Struttura della materia

Abbiamo studiato tutti gli stati di aggregazione. Quando studiamo i materiali, è evidente che lo stato di aggregazione che ci interessa di più è quello solido.

I materiali si possono classificare in base a tanti parametri:

• La natura chimica
• Struttura (ora vedremo cosa si intende per "struttura")
• Le proprietà (fisiche, chimiche, tecnologiche, che vedremo nelle prossime lezioni)
• Le applicazioni

Struttura

Per struttura si intende la struttura a livello macroscopico e sub-microscopico di un materiale.

La struttura è importante perché a parità di composizione chimica è possibile trovare sostanze che hanno la stessa formula chimica ma proprietà molto diverse in funzione della loro struttura, che può essere amorfa o cristallina.

A parità di composizione chimica, quindi, due materiali: uno amorfo e l'altro cristallino, tendono ad avere proprietà diverse. Ad esempio:

Tecnologia dei materiali

Struttura della materia

Abbiamo studiato tutti gli stati di aggregazione. Quando studiamo i materiali, è evidente che lo stato di aggregazione che ci interessa di più è quello solido.

I materiali si possono classificare in base a tanti parametri:

• La natura chimica
• Struttura (ora vedremo cosa si intende per "struttura!")
• Le proprietà (fisiche, chimiche, tecnologiche, che vedremo nelle prossime lezioni)
• Le applicazioni

Struttura

Per struttura si intende la struttura a livello microscopico e sub-microscopico di un materiale.

La struttura è importante perché a parità di composizione chimica è possibile trovare sostanze che hanno la stessa formula chimica ma proprietà molto diverse in funzione della loro struttura, che può essere amorfa o cristallina.

A parità di composizione chimica, quindi, due materiali, uno amorfo e l’altro cristallino, tendono ad avere proprietà diverse. Ad esempio:

• Un materiale amorfo, di solito, è trasparente
• Un materiale cristallino, di solito, è opaco

Vi sono anche tante altre proprietà fisiche che possono essere diverse tra due materiali che hanno la stessa composizione chimica ma diversa struttura (cioè cristallina o amorfa). Il tipico esempio è il seguente:

Esempio

Consideriamo la seguente sostanza: SiO₂

Questa si chiama biossido di silicio (nomenclatura IUPAC) o anche silice. Nonostante la formula della silice sia solo SiO₂, a seconda che abbiamo a che fare con silice amorfa o silice cristallina avremo due materiali completamente diversi:

• Silice amorfa: un tipico esempio di silice amorfa è il vetro
• Silice cristallina: un tipico esempio di silice cristallina è il quarzo

Il vetro e il quarzo sono totalmente diversi:

• Il vetro è trasparente
• Il quarzo è opaco

Ma vediamo di capire meglio cosa vuol dire amorfo e cristallino:

Materiale amorfo

Gli atomi o le molecole che lo costituiscono sono disposti nello spazio 3D in modo casuale, senza un ordine geometrico regolare e ripetibile nelle 3 direzioni.

Materiale cristallino

Gli atomi o le molecole che lo costituiscono sono disposti nello spazio 3D secondo un ordine geometrico regolare e ripetibile nelle 3 direzioni.

Il vetro è un tipico esempio di: materiale amorfo ed è trasparente.

I metalli, ad es. sono cristallini e, infatti, sono duri.

Tornando all'esempio della silice (SiO₂), di primo è lo stesso substrato, e secondo che più amorfa o cristallina de luogo e dei materiali. complessivamente diversa - tuttavia bisogna capire che struttura ha: SiO₂.

Il silicio (Si), come il carbonio (C), fa parte del gruppo IV della tavola periodica, per cui, esso ha 4 elettroni esterni di valenza. Al pari del carbonio (C), il silicio si ibridizza sp³ e legando con 4 atomi di ossigeno (giacché esso ha 4 elettroni a livello del sp³ spaiati negli orbitali di tipo sp³), forma 4 legami covalenti posti a 109,5° fra loro e formanti un tetraedro il centro del quale c'è stia un atomo di silicio e ai cui 4 vertici ci si stiano 4 atomi di ossigeno.

Guardando alla struttura amorfa del vetro mostrata nella figura di sotto notiamo che ogni atomo di ossigeno di ciascun tetraedro è condiviso da due atomi di silicio di due tetraedri diversi - ogni atomo di ossigeno è il vertice condiviso da 2 tetraedri.

BRI₃ - è per tale ragione che la formula della silice è SiO₂ e non SiO₄, anche se ogni atomo di silicio è al centro di un tetraedro ed è legato con 4 atomi di ossigeno; infatti, ogni atomo di silicio e condiviso da 2 atomi di silicio e non con il pedice dell'ossigeno si dimezza e diventa pedice₂ Si O₂