Materiali A Riassunto

I SOLIDI

Un solido si classifica in base all’ordine strutturale che varia al variare del processo di creazione del

solido (raffreddamento lento a T costante oppure raffreddamento veloce con sbalzi di temperatura).

Se il solido presenta un reticolo cristallino ordinato è considerato un solido cristallino, se presenta

una struttura deforme o disordinata è amorfo o vetroso.

I Cristallini sono caratterizzati da una distribuzione regolare e ripetitiva degli atomi; l’unità

strutturale di base la cui trasposizione nello spazio dà luogo ai cristalli si chiama Cella Elementare.

La cella elementare possiede la stessa simmetria dell’intero cristallo e le proprietà dei solidi

cristallini dipendono dalla

struttura cristallina del materiale.

Le sfere si impaccano per

occupare il minor spazio

possibile. Atomi più grandi hanno

struttura più semplice,

diminuendo la grandezza e il

raggio atomico si hanno strutture

più complesse.

-Le strutture cristalline possono essere divise in gruppi sulla base della forma della cella unitaria.

Questi gruppi prendono il nome di sistemi cristallini. Esistono 7 tipi di sistemi cristallini che danno

origine a tutti i possibili tipi di reticolo. Ci sono 4 tipi di cella elementare: semplice, corpo centrato,

facce centrate, base

centrata. 9

Sistema Lunghezza angoli Reticoli

1) CUBICO Angoli di 90° a=b=c Semplice,Corpo centrato, Facce

centrate

2) TETRAGONALE α = β = γ = 90° a=b≠c Semplice,Corpo centrato

3) ORTOROMBICO Angoli di 90° a≠b≠c Semplice,Corpo centrato, Facce

centrate, base centrata

4) MONOCLINO α = γ = 90° ≠ β a≠b≠c Semplice,Base centrata

5) TRIGONALE α = β = γ ≠ 90° a=b=c Semplice

6) ESAGONALE α = β = 90° γ =120° a=b≠c Semplice

7) TRICLINO α ≠ β ≠ γ ≠ 90° a≠b≠c Semplice

Le celle più comuni dei metalli sono cubica corpo centrato (b), cubica facce centrate (a) e esagonale

compatta. La loro struttura compatta si sviluppa in più stadi. Numero di atomi “interi” contenuti

all’interno della cella elementare

- Gli atomi che appartengono a due celle diverse (cioè si trovano al centro delle facce) contano per

1⁄2.

- Gli atomi che appartengono a 4 celle diverse (centro degli spigoli in cella cubica) contano per 1⁄4.

- Gli atomi che si trovano sui vertici della cella (cubica) contano per 1/8.

Conteggio degli atomi in una cella

-cubico semplice

la cella elementare presenta 1/8 di atomo per vertice, pertanto 8 × 1/8 = 1 atomo totale.

-cubico o a corpo centrato

la cella elementare presenta 1/8 di atomo per vertice ed 1 atomo centrale, pertanto 8 × 1/8 + 1 = 2

atomi totali.

Solidi Metallici -> (guardo anche slide 15 lezione 2) Costituiti da Cationi in un mare di e-, tenuti

insieme da legami metallici

-Duri e Malleabili: i metalli possono esser facilmente ridotti in lamine sottili per battitura

-Duttili: i metalli possono essere tirati in fili

-Conduttori di elettricità e di calore

-Alcuni si ossidano facilmente (ricordo esempio della saldatura a freddo)

-Possono contenere elementi non metallici (C, N, O)

-Lucentezza

Nel legame Metallico gli ioni si dispongono in modo da impacchettarsi nel miglior modo possibile

(massimo impacchettamento), creando così strutture geometriche ben definite.

Gli elettroni di valenza non appartengono più ai singoli atomi, ma sono liberi di muoversi (elettroni

quindi sono delocalizzati) tra i vari cationi.

Possiamo quindi immaginare un cristallo metallico

come costituito da un reticolo di ioni positivi immersi in

un mare di elettroni che ne costituiscono l'elemento

legante.

Questo modello spiega alcune proprietà fisiche

caratteristiche dei metalli:

10

sono buoni conduttori di calore e elettricità, infatti gli elettroni sono liberi di

muoversi all'interno del reticolo cristallino. Duttilità e malleabilità sono spiegabili dal libero

scorrimento reciproco dei piani reticolari (legami non direzionali), il quale non provoca la

distruzione della struttura cristallina in quanto il legame non è costituito da pochi elettroni

localizzati, ma da tutti gli elettroni disponibili (il contrario dei solidi ionici)

La malleabilità e duttilità diminuiscono all’aumentare della forza del legame metallico.

Scendendo lungo il gruppo, al diminuire dell’interazione fra la carica

nucleare e gli elettroni di valenza aumenta la delocalizzazione degli elettroni

di valenza nel reticolo.

Spostandosi lungo il periodo da sinistra a destra, aumenta la carica nucleare e

il legame fra due atomi è meno delocalizzato.

Strutture cristalline nei Metalli

I metalli sono materiali cristallini sebbene si possano trovare in forma amorfa

se raffreddati molto velocemente.

Il legame atomico dei metalli è adirezionale quindi non c’è nessuna

restrizione sul numero e le posizioni di atomi primi vicini. Nei soli metallici sono presenti delle

lacune, che possono essere colmate da atomi piccoli formato le Leghe.

Le celle unitarie più comuni dei metalli sono:

Cubica corpo centrato (CCC)

Cubica facce centrate (CFC)

Esagonale compatta (EC)

Cubica semplice (C)

La struttura cristallina è caratterizzata da due grandezze:

-numero di coordinazione

-fattore di compattazione atomica= volume atomi in una cella unitaria/volume totale cella unitaria

(importante per sapere come trattare il materiale)

Leghe Metalliche: si formano quando si mescola un metallo con altri elementi metallici(Cu-Zn

ottone, Cu-Sn bronzo) o non metallici come acciai inossidabili

(Fe-C). Il metallo poiché possiede le lacune, può formare le

leghe se queste lacune vengono riempite da piccoli atomi.

In base alla struttura del cristallo si possono avere diversi tipi

di lega:

a) Lega eterogenea

b)Lega omogenea (di sostituzione o interstiziale)

c) Ottone (Cu-Zn) - lega omogenea detta: Lega di

sostituzione

d)Acciaio Fe-C - lega omogenea detta: Lega

interstiziale

- Ci possono infatti essere difetti reticolari. Un difetto

di un cristallo è un elemento che rompe la perfetta

periodicità del reticolo cristallino.

Il difetto del cristallo può essere di 5 tipi: 1)Vacanza:

quando manca un atomo nel reticolo cristallino e la periodicità viene interrotta.

2) Autointerstiziale se si aggiunge tra gli atomi presenti un altro atomo dello stesso tipo.

3) Interstiziale quando viene aggiunto un atomo molto piccolo diverso da quelli che formano il

cristallo e che agisce colmando la lacuna. 11

4-5) Sostituzionale quando toglie un atomo e se ne mette o uno

più piccolo oppure uno più grande

-Per cambiare di tanto la struttura cristallina del reticolo bisogna

aggiungere tanti atomi con questi 5 tipi di procedimento. Se se ne

aggiungono pochi il reticolo cristallino non cambia

Un esempio di lega è l’acciaio, cioè una soluzione solida

interstiziale di ferro e carbonio. Il ferro viene reso più forte dai

piccoli atomi di carbonio che colmano le sue lacune. Il carbonio

nel ferro si colloca in posizione ottaedrica. Ci sono due tipi di

collocazione interstiziale degli atomi nelle lacune:

-Ottaedrica

-Tetraedrica

Ci possono essere diverse percentuali di quantità dei rispettivi

elementi che formano la lega. Per la lega interstiziale Carbonio-

Ferro, può essere considerata a basso contenuto di carbonio quando è presente allo 0.15 %, ad alto

contenuto di carbonio quando c’è lo 0.6-1.5 %

Gli acciai inossidabili contengono cromo (Cr O ) circa il 15 % in

2 3

superficie. Il cromo perché un forte antiossidante.

Una lega ha conduttivita’ elettrica e termica minore dei metalli

puri ma risulta più dura e forte. Le leghe interstiziali aumentano

durezza e duttilità però conducono poco perché non permettono

parzialmente il passaggio di elettroni.

Per le leghe, la differenza del raggio atomico come si può vedere

dall’immagine è del 60%:(carbonio con raggio nettamente

inferiore rispetto al ferro)

Leghe metalliche non ferrose Sostituzionale—> Cu-Zn che forma l’ottone. Il raggio atomico

può differire non oltre il 15%.

La distorsione del reticolo ostacola il moto degli elettroni e lo

scorrimento dei piani degli atomi. Queste leghe sono utili per

produrre un materiale con diversa temperatura di fusione: un

esempio è il bronzo, una lega formata da rame e stagno.

Cu T 1083 C

fusione

Sn T 232 C

fusione

Il bronzo ha una temperatura di fusione intermedia tra il rame e lo

stagno. Poiché il rame ha un punto di fusione troppo alto si crea

una lega che fa abbassare la sua T di fusione.

—>Interstiziale quindi crea una lega forte, dura e resistente.

—>Sostituzionale crea una lega con temperatura intermedia tra gli

elementi che formano le leghe.

Se voglio un materiale che conduce elettricità devo fare un reticolo cristallino che non ostacoli

il moto degli elettroni, quindi con elementi più o meno uguali.

Ottenimento dei metalli

I metalli sono presenti sulla crosta terrestre allo stato ossidato, ad eccezione dei metalli nobili, sotto

forma di ossidi, solfuri e carbonati. 12

L’ottenimento del metallo puro dal minerale si realizza con una reazione di riduzione che può essere

effettuata tramite un riducente chimico ad alta temperatura.

Dal grafico (diagramma di Ellingham) si evidenziano alcuni punti

caratteristici:

1) le energie libere di formazione degli ossidi metallici crescono

con l’aumentare della temperatura, e le rette hanno tutte pendenza

analoga, il che è facilmente spiegabile con la variazione di entropia

della reazione di formazione dell’ossido, in cui sparisce una fase

gassosa O mentre le variazioni di entropia dovute ai solidi hanno

2

poca influenza sul ΔS° quindi ΔS° < 0 pendenza positiva

reaz

2) la retta relativa a CO ha ΔS° > 0 (pendenza negativa) e quindi

reaz

incrocia, a temperature più o meno elevate, le rette relative agli

ossidi metallici, il che rende possibile la riduzione di tali ossidi

mediante CO. I diagrammi di Ellingham si usano per la riduzione

di un ossido metallico a metallo e per determinare la pressione

parziale dell’ossigeno all’equilibrio.

La posizione della retta mostra la stabilita’ dell’ossido metallico in funzione della temperatura. In

alto ci sono i metalli “nobili” i cui ossidi sono instabili e si riducono facilmente.

Industrialmente il ferro è ottenuto in lega con piccole percentuali (fino 4%) di carbonio e prende il

nome di acciaio o ghisa a seconda del tenore di questo elemento; essenzialmente il processo

consiste in