Chimica - chimica applicata - materiali (1/2)

IL LEGAME CHIMICO

La struttura dell’atomo

Atomo -formato da insiemi di particelle elementari aventi cariche diverse

Modello di Bohr : Nucleo (protoni, neutroni) attorno ruotano elettroni

Principio di Heisenberg : il momento (massa x velocità) e la posizione

dell’elettrone non possono essere rappresentati contemporaneamente

Numero atomico (z) = protoni = elettroni

Ogni atomo possiede orbitali definiti da energia (se più bassa sono già occupati da

elettroni) .

Se l’energia dell’elettrone cambia l’elettrone può saltare più alto assorbendo

energia (= cede energia saltando ad un livello inferiore)

La frequenza ν dell’energia assorbita o ceduta è data dalla :

 Equazione di Bohr

ΔE = E – E = hν

2 1

dove h = 6,624 10-34joule-sec è la "costante di Planck", una costante universale che è

fondamentale in tutta la teoria quantistica.

Ogni orbitale ha tre numeri quantici :

n

1. fissa il livello energetico

l

2. determina la forma dell’orbitale

m

3. ne stabilisce l’orientamento

Elettronegatività

= misura della capacità di un atomo di attrarre elettroni (durante un legame

chimico)

o comportamento elettronegativo (acquisisce elettroni)

o comportamento elettropositivo (cede elettroni)

Questa tendenza viene valutata quantitativamente assegnando a ciascun

elemento un numero compreso tra 0 e 4.1 (più grande è il numero più

l’elemento è elettronegativo)



Il legame Collega due atomi identici o aventi una piccola differenza di

elettronegatività. (essendo affini uno non prevale sull’altro come legame

Quando più atomi si uniscono per formare insiemi (molecole) aventi energia ionico)

minore di quella degli atomi singoli. Gli elettroni periferici messi in comune si portano su orbitali comuni

(orbitali molecolari), la forza d’attrazione (tra questi elettroni e i due

Legame ionico nuclei) è superiore alla forza di repulsione (tra i due nuclei e gli elettroni

= comporta la cessione di elettroni da un atomo all’altro con stessi) ne deriva quindi una forza di legame.

formazione di ioni positivi (cationi) e negativi (anioni)  Legame fortemente direzionale. (dal momento che seguono un orbitale

Tra un atomo elettropositivo e uno elettronegativo di elettroni o elettronico).

Esempio : cloruro di sodio NaCl Legame metallico

= compartecipazione tra più atomi vicini di elettroni di valenza

Gli elettroni di valenza di un atomo sono gli elettroni presenti nel suo ultimo

livello di energia; sono quelli che patecipano alla formazione dei legami chimici

Legame non direzionale, risultante da un’attrazione tra ioni aventi cariche

opposte. La sua forza risultante che tiene uniti due atomi del legame è

fatta dalla somma della forza attrattiva più quella repulsiva. La forza del

legame ionico cresce al crescere della carica degli ioni.

La forza attrattiva si chiama coulombiana perché deriva dalla legge di

Coulomb da cui se ne ricava che la forza attrattiva aumenta con

l’aumentare della distanza tra il centro degli atomi (vedi libro pag6).

Esempio sono i gas rari (elio, Argan, neon…) che presentano l’orbitale Crea una nube di elettroni a bassa densità

esterno saturo.  Tipico nei metalli solidi.

Gli atomi dei metalli sono ioni positivi circondati da elettroni liberi

Legame covalente (debolmente legati ad altri atomi) la cui presenza determina ai metalli

= compartecipazione tra due atomi identici di uno o più elettroni un’alta conducibilità (elettrica e termica).

 Legame non direzionale (gli atomi possono muoversi senza che il legame

si rompi).

Riassumendo:

In questo esempio: Acido cloridrico (idrogeno+cloro)

Esempi: silicio, molecole organiche, diamante… Le proprietà del singolo materiale (fragilità e duttilità) può essere dedotto dal tipo

di legame che ha :

dal momento che i legami puramente ionici o covalenti sono altamente rari, il  Nel legame covalente la deformazione plastica è praticamente

legame eteropolare (costituito da due atomi diversi) è allora determinato: impossibile (angolo tra i due atomi del legame non cambia, quindi non si

1. dalla capacità di mettere in comune elettroni muove) così una volta sollecitato il materiale si rompe senza essere

2. o l’attrazione degli elettroni da parte del nucleo di ciascuno dei due atomi deformato.

del legame.  Nel legame ionico- il materiale ha lo stesso comportamento.

Il prevalere di una di queste capacità l’una sull’altra ne determina il tipo di legame  Nel legame metallico ,invece, è possibile lo spostamento relativo e

misto. permanente degli atomi. Consentendo quindi la deformità del materiale

[…] dipolo permanente, esempi?!? (comportamento duttile).

 Anche la conducibilità elettrica e termica del materiale dipende dal tipo di legame

Legame secondario o di van der Waals (dovute alla possibilità di spostamento degli elettroni sotto l’azione di un campo

=si crea tra molecole polarizzate. Esso è dunque dovuto elettronico o di cambiamento di temperatura). Più gli elettroni sono liberi più la

all’attrazione tra dipoli conducibilità elettrica e termica sono elevate.

Legame debole – la sua forza cento volte inferiore a quella del legame

covalente = si rompe facilmente per aumento dell’agitazione termica

(aumento della temperatura). [vedi p16, solidi con questo legame hanno

punto di fusione molto basso]

Legame fondamentale nelle proprietà dei polimeri (detti solidi

molecolari).

Esempio calcestruzzo, materiale solido collegato con legami secondari

[…]

Tipi di legame determina le proprietà dei materiali

Si individuano tradizionalmente tre classi di materiali:

1. Metalli

2. Ceramici

3. Polimeri

A d essi si associano 3 tipi di legami forti( metallico, ionico, covalente): MICROSTRUTTURA di un materiale = insieme delle caratteristiche geometriche

LA STRUTTURA DELLA MATERIA morfologiche e quantitative delle fasi presenti.

(forma e dimensione, distribuzione delle fasi, frazione volumetrica)

FASE = parte del materiale strutturalmente e composizionalmente omogenea. Essa dipenda da:

1. Le modalità di produzione (es. la velocità di raffreddamento dal fuso)

(varie fasi divise tra loro da superfici di separazione nelle quali si ha una 2. Le lavorazioni (meccaniche) e trattamenti (termici) successivi alla

discontinuità nella struttura e/o nella composizione) formatura

Un materiale può essere:

 Può esistere ,in un sistema, una sola fase gassosa – no struttura, no legami (gli

Omogeneo – se formato da una sola fase

 atomi sono indipendenti e distanti).

Eterogeneo – se formato da più fasi (al microscopio si distinguono la Le fasi solide e liquide ,invece, possono coesistere.

presenza di zone con caratteristiche diverse)

(tipici multifasici sono i materiali da costruzione) Solidi

STRUTTURA ATOMICA O MOLECOLARE = permette di suddividere i materiali

(rispetto alle loro proprietà) e di conoscere la loro reattività (interazione tra

materiale e ambiente che lo circonda).

Dal momento che un materiale è un aggregato solido di atomi e molecole ed esso

dipende dalla loro:

 natura di legami

 dimensione

 disposizione

 presenza di difetti.

MACROSTRUTTURA = osservare un materiale nel suo insieme (a occhio nudo)

Le proprietà del materiale vengono misurate attraverso prove sperimentali Riscaldato si comporta come un liquido.

Struttura dei solidi cristallini Solidi amorfi: stato vetroso

Molti importanti materiali d’ingegneria ( sostanze cristalline (=metalli), maggior parte Si dicono vetri, quei liquidi che una volta raffreddati passano allo stato solido

sono costituiti da fasi solide con alto grado di

dei minerali, molti ceramici, ecc.) senza cristallizzare.

ordine. N.B. CRISTALLIZZAZIONE= inizia con la formazione di nuclei formatosi solo se la

= circondati da un ben determinato numero di atomi con simile distanza e temperatura del liquido viene abbassata un poco al di sotto della temperatura di

posizione precisa equilibrio. (brusca discontinuità del volume raggiunta la temperatura di fusione v.grafico)

 Sia quelli a corto raggio (atomi strettamente a contatto con il Il liquido viene raffreddato con una velocità tale da non concedere il tempo

primo) necessario alla cristallizzazione. (la sua viscosità aumenta).

 Sia quelli a lungo raggio (atomi più distanti dal primo) Al di sotto della temperatura di

Cella unitaria = unità strutturale caratteristica di questi materiali. transizione vetrosa

= volume più semplice che conserva tutte le proprietà caratteristiche del cristallo = T temperatura sotto la quale il

g

La cui ripetizione nello spazio forma il cristallo. liquido diventa vetro, seguendo una

curva perfettamente continua (vedi

Bravais – nelle strutture metalliche le possibili celle unitarie sono 14. grafico pag22)

=14 possibili disposizioni indipendenti di punti in grado di soddisfare la definizione di la configurazione molecolare

reticolo spaziale. viene congelata, dopo impossibile

Reticoli di Bravais più comuni nei metalli: riordinarla.

 Struttura cubica a faccia centrata CFC Il materiale è fragile e non

 Struttura esagonale compatta EC (vedi figura) deformabile (al di sopra liquido

 Struttura cubica corpo centrato CCC più fluido all’aumento di

temperatura).

Essa varia in un intervallo

(determina