Chiuse aperte 2023 Chimica applicata e tecnologia dei materiali - 2023 2024

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Lezione 023

01. Indicare in quale delle seguenti sostanze il legame è dovuto principalmente a forze elettrostatiche:

Cloruro di sodio

02. Quando si fa fondere un solido molecolare, l’energia assorbita serve a:

vincere le forze di attrazione tra le molecole

03. Lo studente dimostri di conoscere i seguenti argomenti: Solidi covalenti, solidi molecolari

Un corpo allo stato solido è un materiale che ha forma propria, è incomprimibile, rigido e presenta un

Solidi covalenti:

proprio volume. Le particelle che costituiscono il reticolo cristallino di un solido sono animate da un moto oscillatorio (e

può esistere anche un moto rotatorio) attorno ad un punto (nodo reticolare) che viene assunto come rappresentativo della

posizione (media) della particella nel reticolo cristallino. I solidi covalenti sono caratterizzati dal fatto che i nodi reticolari

sono occupati da atomi (uguali o diversi) legati fra loro con legami covalenti. Poiché i valori delle energie di tali legami

(ovvero le energia di legame) sono di norma assai elevati, in questa classe si trovano sostanze con elevatissime

temperature di fusione (come ad esempio il carburo di silicio 2600°C e il diamante 3500°C), durissime (come ad esempio

il diamante, la silice e il carburo di silicio) e con notevoli proprietà isolanti, sia termiche (eccetto il diamante) che

elettriche, perché gli elettroni, tutti impegnati nei legami covalenti fra gli atomi, non sono mobili entro il cristallo. Ogni

cristallo covalente, come ogni cristallo ionico ed ogni cristallo metallico, può essere considerato una molecola gigante.

In un solido molecolare i nodi reticolari sono occupati da molecole legate fra loro da tipi diversi di

Solidi molecolari:

legame tutti deboli (forze di Van Der Waals e legami di idrogeno) coesistenti o meno nello stesso cristallo. Le energie

reticolari hanno per lo più valori di pochi KJ/mol e di conseguenza i solidi molecolari hanno basse temperature di fusione,

non sono duri e non sono conduttori (infatti gli elettroni passano assi difficilmente da una molecola all’altra). Inoltre, i

solidi molecolari con basse energie di legame tendono a sublimare.

04. Mostrando tutti i passaggi matematici, calcolare il fattore di impaccamento di un reticolo cristallino esagonale

compatto.

Nel caso del reticolo esagonale compatto (EC), indicando con a il lato

dell'esagono di base e con c l'altezza della cella, si ottiene:

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05. Mostrando tutti i passaggi matematici, calcolare il fattore di impaccamento di un reticolo cristallino cubico a

corpo centrato.

Nel caso di cella cubica a corpo centrato (CCC) in ogni cella ci sono 8 atomi ai vertici

e 1 atomo al centro, per un totale di

9. Di questi 9 atomi solo quello centrale è interamente contenuto nella cella, mentre

gli altri atomi occupano la cella solo con 1/8 del loro volume, per cui:

06. Mostrando tutti i passaggi matematici, calcolare il fattore di impaccamento di un reticolo cristallino cubico

semplice.

l reticolo cubico semplice detto anche cella primitiva la cui cella unitaria è costituita da

un cubo ai cui vertici vi sono 8 atomi, molecole o ioni con cui cristallizzano il polonio e

molti composti ionici come il cloruro di cesio. Il fattore di

impacchettamento atomico APF ovvero la frazione del volume della struttura cristallina

occupata dagli atomi è dato dalla formula:

APF = Natomi Vatomo/ Vcella unitaria

07. Discutere della struttura chimica e delle proprietà della silice SiO .

2

La silice è un composto formato tra il silicio e l’ossigeno con formula SiO2, è inoltre il maggiore componente del quarzo

e del vetro, poiché il silicio appartiene allo stesso gruppo del Carbonio, esso è tetravalente quindi forma quattro legami

08. Discutere dei solidi covalenti fornendo gli opportuni esempi.

In questi solidi non sono individuabili singole molecole ma atomi che nel cristallo sono legati tramite legami di natura

covalente, quindi il cristallo può essere visto come un’unica macromolecola, l’energia dei legami nei cristalli covalenti è

molto elevata, tutti questi solidi hanno un elevato punto di fusione, estrema durezza ed eccetto il diamante ottime

grafite.

caratteristiche termiche ed elettriche. Alcuni esempi sono: il diamante, la silice, la

09. Discutere dei solidi molecolari fornendo gli opportuni esempi.

Un solido molecolare è un cristallo formato non da atomi o ioni ma formato da molecole unite tra loro da legami deboli,

queste molecole possono essere polari o non polari e interagiscono fra loro in base alla propria natura. Le molecole polari

formano legami dipolo-dipolo e legami idrogeno, mentre quelle non polari sono soggette alle più deboli forze di London,

sono solitamente soffici, hanno punti di fusione bassi e sono scarsi conduttori di elettricità. Alcuni esempi sono gli alcani e

anidride carbonica che presentano legami dipolo-dipolo, lo iodio legato da forze di London, acqua e saccarosio legami

idrogeno

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10. Lo studente dimostri di conoscere i seguenti argomenti:

Strutture cristalline, reticoli di Bravais.

Quasi tutti i minerali hanno una struttura cristallina, cioè un’«impalcatura» di atomi regolare e

Strutture cristalline:

ordinata. Da questa struttura invisibile si origina la forma esterna del minerale, che è invece ben visibile e altrettanto

regolare e che viene chiamata abito cristallino o cristallo. Un cristallo, quindi, è un solido geometrico con facce, spigoli e

vertici che si originano per la crescita progressiva, atomo dopo atomo per miliardi di volte, di una struttura

tridimensionale elementare di dimensioni infinitesime. Ogni volta che un minerale può accrescersi senza ostacoli si

sviluppa in cristalli singoli, perfettamente formati. Se invece la crescita è ostacolata per lo sviluppo contemporaneo di altri

cristalli, ne risulta una massa di individui fittamente aggregati, nei quali non è possibile riconoscere l’abito cristallino

senza opportuni strumenti.La struttura interna di un cristallo di un qualunque minerale è quindi caratterizzata da una

disposizione degli atomi nello spazio che si ripete a intervalli regolari lungo più direzioni. La struttura tridimensionale che

così si realizza viene genericamente chiamata reticolo cristallino e si presenta come allineamenti regolari di atomi.Lungo

queste file regolari gli atomi, della stessa natura o di natura diversa, si susseguono a distanze fisse e sono separati da spazi

vuoti . L’esempio riportato in figura si riferisce alla struttura cristallina del minerale salgemma, che corrisponde al

composto chimico cloruro di sodio. In questo caso le file regolari di atomi sono orientate nello spazio secondo tre

direzioni tra loro ortogonali, tanto da disegnare delle minuscole celle di forma cubica (con un atomo in ogni vertice).

L’esistenza di atomi diversi per dimensioni e struttura elettronica dà origine a reticoli cristallini diversi. Anche le forme

degli abiti cristallini, di conseguenza, sono molteplici e spesso complesse, ma tutte rispondono a leggi di simmetria che

governano l’organizzazione reticolare estesa in modo indefinito nello spazio. Senza entrare in dettaglio nel complesso ma

affascinante campo della Cristallografia, ricordiamo che le distribuzioni possibili di atomi nello spazio per formare un

minerale non sono infinite: diversi abiti cristallini risultano così distribuiti in 32 differenti «classi», ognuna delle quali è

caratterizzata da una o più forme cristalline semplici (cubi, prismi, piramidi).In una medesima classe, forme semplici

possono risultare combinate in numerose forme cristalline composte.

il mineralogista Auguste Bravais stabilì che le particelle costituenti i cristalli fossero le molecole

Reticoli di Bravais:

chimiche: esse non sarebbero state a diretto contatto le une con le altre, ma separate da spazi vuoti e disposte regolarmente

nelle tre direzioni dello spazio. In un solido cristallino è possibile riconoscere un’unità fondamentale, det- ta cella

elementare, con forma geometrica semplice (cubo, parallelepipedo), che si ripete regolarmente nelle tre direzioni dello

spazio. Il luogo dei vertici delle celle elementari, replicate un numero enorme di volte, forma il reticolo cristallino. I

vertici delle celle elementari che compongono il reticolo sono costituiti da atomi, ioni o gruppi complessi. Bravais

dimostrò che nello spazio tridimensionale sono possibili soltanto 14 tipi di celle elementari (reticoli di Bravais), 7

primitivi o semplici e 7 derivati da traslazione e compenetrazione di due o più reticoli semplici. L’ipotesi che tutti i

cristalli avrebbero avuto ori- gine dal regolare ripetersi di 14 diversi tipi di celle elementari fu in seguito confermata da

esperienze sulla diffrazione dei raggi X compiute dal fisico tedesco Max von Laue e dal britannico William Lawrence

Bragg.

11. Mostrando tutti i passaggi matematici, calcolare il fattore di impaccamento di un reticolo cristallino cubico a

facce centrate.

Nella cella cubica a facce centrate (CFC) ci sono 6 atomi al centro, ognuno contenuto per

metà nella cella (condivisi con le celle adiacenti alle rispettive 6 facce), e 8 atomi ai vertici,

ognuno contenuto per un ottavo nella cella (condivisi con le 8 celle adiacenti all'angolo), per

cui il numero di atomi è:

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Lezione 024

01. Il silicio, Si, allo stato solido è un solido:

covalente

02. Quanti atomi sono contenuti nella cella elementare di un reticolo cristallino cubico a facce centrate?

4

03. Quanti atomi sono contenuti nella cella elementare di un reticolo cristallino cubico a corpo centrato?

2

04. Il potassio, K, allo stato solido è un solido:

metallico

05. Un solido cristallino duro, fragile, poco volatile, cattivo conduttore elettrico allo stato fuso ma buon conduttore

allo stato liquido è presumibilment