Appunti integrati con foto di chimica applicata

Appunti integrati con foto prese dalle slide del

CORSO DI CHIMICA E

CHIMICA APPLICATA

(Tecnologia dei Materiali)

In versione integrale del corso.

Laurea in Ingegneria Civile (L-7)

DOCENTE: Paolo Colombo

Anno Accademico 2018 - 2019

INDICE

Argomento Pagina

1. Introduzione ai Materiali……………………………………………………………………………...3

2. I legami chimici……………………………………………………..................……………………...5

3. La struttura della materia…………………………………………………………………………...11

a. Strutture Cristalline e Reticolo Spaziale…………………………...…………………….15

b. Le Strutture Cristalline………………………………………………...……………………16

4. Energia Libera e Trasformazioni…….……………………………………..……………………..20

5. Tipi di difetti nei cristalli……………………………………………………..……………………..25

a. Difetti di punto…………………………………………………………..……………………25

b. Difetti di linea…………………………………………………………………………………27

c. Difetti di superficie……………………………………………………..……………………31

6. Proprietà meccaniche dei materiali………………………………………..……………………..32

a. Sollecitazione a trazione……………………………………………………………………33

b. Deformazione plastica……………………….………………………...……………………34

c. Principi di rafforzamento dei metalli………………………………...……………………36

d. Modalità di Frattura………………………....……………………….....……………………40

e. Tenacità………………………....………………………........................……………………42

f. Deformazione viscosa………………………....……………………………………………44

g. Modelli viscoelastici………………………....………………………...……………………45

7. Prove meccaniche sui materiali…………………………………………….……………………..46

a. Prova a trazione………………………………………………………....…………………...48

b. Prova di compressione………………………………………………...…………………...51

c. Prova a flessione………………………………………………………..……………………52

d. Urto/Resilienza…………………………………………………………..……………………53

e. Prova a fatica…………………………………………………………….……………………54

f. Prova di Creep…………………………………………………………...…………………...56

8. Leghe…………………………………………………………………………………………………..58

9. Diagramma di stato ferro-carbonio………………………………………...…………………….65

a. Trattamenti termici acciai………………………………………...………………………..71

b. Temprabilità degli acciai………………………………………...………………………....79

10. Fabbricazione acciai………………………………………...……………………………………....80

a. Normativa………………………………………...…………………………………………...83

b. Acciai da costruzione………………………………………...…………………………….85

c. Ghise………………………………………...………………………………………………...89

11. Corrosione………………………………………...…………………….…………………………....91

12. Polimeri………………………………………...…………………….………………………………..97

a. Proprietà………………………………………...…………………….……………………..103

13. Leganti………………………………………...…………………….………………………………..109

14. Gli aggregati……………………...………………...……………………………………………….130

15. Durabilità del calcestruzzo ………………………………………...…………………………….134

16. Materiali ceramici ………………………………………...………………………………………..141

Pagina 2

1. I MATERIALI

I materiali sono solidi impiegati per la fabbricazione di oggetti e non sono altro che un aggregazione di atomi o

molecole che grazie ai legami chimici acquisisce una struttura (distribuzione degli atomi nello spazio) tale da

garantire un’adeguata resistenza alle sollecitazioni esterne (meccaniche, fisiche o chimiche) la quale deve

garantite conservare nel tempo

essere di .

Gli stati di aggregazione della materia (insieme di molecole e atomi) sono solido, liquido o gassoso . I materiali

solidi

usati in ingegneria sono generalmente .

storia

Nella sono i materiali a determinare uno stato di avanzamento della capacità dell’uomo, infatti si parte

età della pietra

dalla cosiddetta , dove la pietra si presentava come un materiale resistente ma allo stesso

età del rame età del

tempo fragile, per passare successivamente all’ , materiale malleabile ma poco resistente,

bronzo, che non è altro che una lega di rame che ha una resistenza maggiore a snervamento, per arrivare

età del ferro

all’ , un materiale duttile e malleabile, con una resistenza allo sforzo di snervamento maggiore,

quindi capacità maggiori. scienza dei materiali

La studia le caratteristiche dei materiali in

quanto loro stesso limitano o permettono l’evoluzione.

Riguarda quindi lo studio della tecnologia che permette

l’avanzamento dell’utilizzo e dell’applicazione dei vari materiali.

Oggigiorno i materiali vengono progettati e ingegnerizzati secondo

le esigenze dell’uomo. Nella scelta

dei materiali

bisogna sempre considerare il loro ciclo di vita e si

cerca quindi di mantenere bassi i costi,

massimizzare le prestazioni ma soprattutto di

considerare il fine vita dei materiali, quindi di capire

come fare a ridurre i rifiuti e aumentare la possibilità di

fondamentale

riciclo. Diventa quindi considerare

impatto ambientale.

l’ LCA

Nasce quindi l’esigenza di una valutazione chiamata ,

ovvero di un’analisi del ciclo di vita dei materiali, in modo da

poter ridurre al minimo l’impatto di essi nell’ambiente,

riducendo il consumo di energia, diminuendo le emissioni ecc

ecc.

proprietà dei materiali tipo di legame

Le dipendono dal che si crea tra gli elementi, i quali possono essere:

● ceramici

● metallici

● polimerici = i polimeri sono materiali di sintesi, quindi molto costosi, non di origine

naturale. Innovativi e resistenti possono essere ad esempio plastiche. Pagina 3

compositi

● i materiali hanno classi di materiali diversi messe assieme in modo che le

proprietà possano migliorare, ad esempio un polimero con fibre di carbonio

comporta una rigidità del componente molto maggiore.

classificati rigidezza carico di rottura fragilità

I materiali vengono in base a , (o sforzo a trazione), (quanta

densità durezza

energia necessaria per arrivare a rottura), e (quanto è difficile far penetrare una punta nel

componente.

proprietà dei materiali

Le indicano come il materiale resiste alle azioni esterne.

duttili

I materiali si deformano permettendo lo scorrimento degli atomi l’uno

rispetto agli altri. Costa di meno generare questi componenti, ma soprattutto

arrivano a rottura con un’elevata quantità di energia, in quanto sono

ridotte le sollecitazioni sui legami chimici.

fragili

I materiali si rompono a partire da

microscopici difetti e si rompono in modo catastrofico, in quanto la frattura avviene

senza deformazioni iniziali. La sollecitazione si concentra all’estremità

dell’incrinatura che si apre come una cerniera lampo determinando la separazione

degli atomi nel piano di frattura.

costo, durabilità e interazione con l’ambiente.

Nella scelta del materiale si deve tenere conto del Pagina 4

2. I LEGAMI CHIMICI

L’ATOMO

atomo

L’ è formato da elettroni di carica (-) che ruotano attorno ad un nucleo, formato

Neutroni Protoni

a sua volta da di carica nulla e di carica (+)

I protoni e gli elettroni sono presenti all’interno dell’atomo nella stessa quantità, quindi

sapendo il numero di protoni so anche il numero di elettroni.

numero atomico Z

Il indica il numero di protoni dell’atomo.

Il numero di neutroni può variare, a differenza del numero di Protoni ed Elettroni in

quando ad una certa quantità di questi ultimi corrisponde un determinato elemento.

La variazione di neutroni all’interno di atomi della stessa natura porta a comportamenti diversi degli atomi

isotopi

stessi, creando così gli .

atomo dimensioni

L’ è una particella di materia che ha quindi un Volume e un Peso. Le dell’atomo sono

-10

dell’ordine dell’angstrom, ovvero 10^ m.

L’atomo ha complessivamente carica nulla

.

IL MODELLO ATOMICO DI BOHR

Secondo il modello atomico di Bohr: orbite circolari

1. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo in

2. Gli elettroni possono solo circolare a certe distanze

determinate dalla natura stessa dell’elemento: possono stati

circolare solo in alcune orbite e orbite stabili vengono definite

stazionari

3. Gli elettroni negli stati stazionari non emettono energia, ma

possono passare da un’orbita all’altra acquisendo o

perdendo energia fornita in quantità pari alla differenza di

distanti

energia tra le orbite. Per passare a orbite più dal

fornire energia avvicinarsi cedere

nucleo bisogna al sistema, mentre per al nucleo l’elettrone deve

energia. orbitali elettronici

Ogni atomo possiede un certo numero di , ciascuno caratterizzato da valori definiti di

energia: solo gli orbitali aventi energia più bassa sono però occupati da elettroni.

data energia

Un elettrone può possedere solamente una in relazione all’orbitale

occupato, non un’energia intermedia a quella di due orbitali. Se l’energia

dell’elettrone cambia, questi deve compiere un salto ad un altro livello energetico

permesso (orbitale).

realtà fisica

Nella posso solo dire che gli elettroni occupano l’orbitale a non posso

nuvola elettronica

identificarne la precisa posizione, si parla quindi di .

L’elettrone assume energia passando da un’orbita alla successiva. La stessa

energia viene restituita quando ripassa nell’orbitale sottostante.

I NUMERI QUANTICI numeri quantici:

Ogni orbitale è individuato da tre

numero quantico principale n

1. Il fissa il livello energetico dell’orbitale, quindi la distanza dell’orbitale

n= 1,2,3 ..)

dal nucleo e quindi il raggio. Il livello energetico più basso è 1. (

numero quantico secondario l

2. il è legato al valore di n e determina la forma dell’orbitale. si indicano i

s,p,d,f

sottolivelli corrispondenti a ciascun livello secondario con le lettere . Il valore del numero

determina la forma dell’robitale.

quantico secondario Il carattere direzionale degli orbitali p,d,f spiega

l’orientamento di taluni legami chimici. Pagina 5

numero quantico magnetico m

3. l stabilisce l’orientamento dell’orbitale nello spazio. Fissa inoltre il

numero di orbitali di ciascuno dei sottolivelli energetici s, p, d, f.

numero quantico s spin

4. il , detto , è legato all’ spin dell’elettrone, ovvero al senso di rotazione

dell’elettrone su se stesso e assume valori +½ o -½.

La disposizione degli elettroni dipende dal tipo di orbitale e la tendenza degli atomi è di riempire gli orbitali.

Due elettroni non possono avere numeri quantici uguali.

elettronegatività attrarre elettroni

L’ è una misura della capacità di un atomo di quando prende parte ad un

legame chimico, cioè il grado di attrazione degli elettroni da parte di un atomo.

Gli atomi tendono a completare gli orbitali quindi attraggono altri atomi. L’elettronegatività indica quindi la

tendenza allo scambio di elettroni

, in quanto maggiore è l’elettronegatività maggiore sarà la loro tendenza a

scambiare elettroni.

I LEGAMI CHIMICI interazione tra gli

I legami chimici derivano dalla

elettroni di due o più atomi. Possono crearsi

forti (co