Appunti di Chimica applicata non completi

CHIMICA APPLICATA Alberto Fregni

STRUTTURA DEI MATERIALI

➢

materia = aggregato di atomi o molecole. Ha la proprietà intrinseca di

avere massa (a prescindere dallo stato di aggregazione)

stati di aggregazione = dipendono da come le unità elementari che

costituiscono il materiale sono legate, inoltre dipende dall’equilibrio tra

energia di coesione (avvicina gli atomi) e dall’energia termica (allontana

gli atomi)

con un cambio di temperatura si rompono i legami e se ne creano altri

stato solido= prevale l’energia di coesione. I solidi hanno forma propria

e si richiede che tale forma venga mantenuta anche quando viene

sollecitato

stato liquido e stato gassoso = prevale l’energia termica. Non hanno

forma propria (i gas nemmeno volume proprio)

Le proprietà dei materiali sono:

- proprietà meccaniche → descrivono il comportamento dei

materiali in seguito all’applicazione di un sistema di forze

(informazioni essenziali nel campo strutturale)

- proprietà fisiche → descrivono il comportamento di un materiale

sottoposto all’azione della temperatura (ad es. resistenza al

fuoco), dei campi elettrici e magnetici, della luce, delle onde di

pressione…

- proprietà chimiche → descrivono l’interazione del materiale con

altre sostanze, in generale liquide o gassose, con le quali può

venire in contatto. Sono essenziali per valutare la capacità di un

materiale di conservarsi nell’ambiente in cui opera (durabilità)

- altre proprietà → Costo, Lavorabilità, Disponibilità, Riciclabilità

(questi parametri spesso sono dirimenti nella scelta tra materiali

tecnicamente equivalenti)

il muro delle torri gemelle —> è implosa perché con

l’aumento di temperatura la budrella vorrebbe spingere i

muri ma non riesce quindi la reazione è opposta

4 anni fa si era cambiato materiale scegliendo il PET riciclato ma ora si è

resa conto che inquinava meno prima, l’impatto ambientale è aumentato

MATERIALI METALLICI

A temperatura ambiente e a pressione normale sono solidi monoatomici

(metalli puri) (eccezione: Mercurio che è liquido).

Più comunemente sono utilizzate leghe (di Fe, Al, Cu)

- Buoni conduttori elettrici e termici (in virtù del legame metallico)

- Opachi alla luce visibile (elevata riflessione della luce)

- Durezza e rigidezza abbastanza elevate

- possono deformarsi plasticamente

- Intervallo temperature di fusione molto ampio

- ampio intervallo di densità (da leghe leggere a metalli pesanti)

MATERIALI CERAMICI

- bassa tenacità = predisposizione alla rottura fragile (si rompe

avendo immagazzinato poca energia) e shock termico

- materiali inorganici non metallici (organici con carbonio)

- legami ionici, covalenti o misto ionico-covalente

- medio-alte temperature di fusione

- bassa conducibilità termica ed elettrica (isolanti)

- stabilità chimica e meccanica in ambienti aggressivi ad alte

temperature

- durezza elevata (abrasivi)

(le bottiglie di vino e birra non sono trasparenti perché così l’interno non

viene danneggiato dalla luce del sole)

MATERIALI POLIMERICI

I polimeri organici sono materiali costituiti da molecole che formano

lunghe catene di atomi di carbonio (ma anche S, N, Si …) a cui sono

attaccati lateralmente elementi (H, Cl) o gruppi di atomi (-CH3 , …).

I segmenti di catena interagiscono tra loro attraverso legami deboli.

I materiali termoplastici attraverso un aumento della temperatura

possono essere rimodellati.

I materiali termoindurenti una volta che prendono una forma, anche con

temperature elevate non si sciolgono (prese della luce)

Proprietà molto diversificate a seconda del tipo di appartenenza

Elastomeri → sono in grado di deformarsi in maniera elastica anche

➢

del 400%. Sono gli unici che derivano da un elemento naturale, l’albero

del caucciù (pneumatici)

Termoplastici (contenitori in PET, vetri organici PMMA)

➢ (PET usato per

le bottiglie di coca-cola perchè non lascia passare l’anidride carbonica, così non si

sgasa)

Termoindurenti (interruttori di corrente)

➢ - Quasi sempre isolanti elettrici e termici

- Leggeri e facilmente formabili

- Bassa rigidità (legami secondari)

- Bassa temperatura di fusione

- Bassa stabilità termica

MATERIALI COMPOSTI

Sono la combinazione di due o più tipi di materiali.

I costituenti dei materiali compositi combinano in modo sinergico le loro

proprietà specifiche.

• Resine epossidiche con fibre di vetro (matrice polimerica, rinforzo

ceramico)

• Calcestruzzo armato (matrice ceramica, rinforzo metallico)

• Cermet (matrice metallica, rinforzo ceramico)

CRISTALLIZZAZIONE - DIFETTI DEI CRISTALLI

➢

STRUTTURE DEI MATERIALI SOLIDI

In un certo sistema materiale è possibile, e spesso facile, distinguere la

presenza di più fasi, cioè parti strutturalmente (chimicamente e

fisicamente) omogenee di un sistema. In un dato sistema può esistere

una sola fase gassosa, viceversa possono coesistere fra loro più fasi

liquide e solide. (materiale poroso è bifasico perché c’è sia la parte

solida, sia quella gassosa, ovvero l’aria).

Per quanto riguarda lo stato solido, esso si divide in:

● sostanze cristalline → le sostanze cristalline, quali sono i metalli,

la maggior parte dei minerali, moltissimi ceramici, ecc. sono

costituiti da fasi solide con alto grado di ordine sia a corto raggio,

sia a lungo raggio.

In essi è possibile identificare una cella unitaria (elementare), la

cui ripetizione sistematica e ordinata nello spazio dà luogo al

cristallo. Le possibili celle reticolari elementari, in cui un atomo è

circondato da un particolare insieme di atomi caratteristico di

quella cella, sono quattordici (7 + 7 derivazioni); Il legame

metallico ha uguali attrazioni in tutte le direzioni e perciò dà

luogo a strutture atomiche relativamente semplici:

- cubica a facce centrate, (Cu, Ni, Al e acciai

inox austenitici)

- cubica a corpo centrato, (Cr, W, acciai dolci)

- esagonale compatta, (Ti, Mg)

● solidi amorfi → quali ad esempio i vetri minerali e molti tipi di

materiali polimerici, si ha solo ordine a corto raggio. Nel vetro di

silice ogni atomo di silicio è coordinato con 4 atomi di ossigeno ad

esso contigui formando un tetraedro regolare, ed ogni atomo di

ossigeno è a sua volta coordinato con due atomi di silicio. La

periodicità e la simmetria si esauriscono però a questo punto, in

quanto già gli atomi in seconda e terza posizione rispetto all'atomo

di silicio inizialmente considerato non sono specifici.

formazione dello stato solido

Il passaggio di stato liquido-solido inizia con la formazione di nuclei (o

germi di cristallizzazione) costituiti da atomi che si sono aggregati

secondo una disposizione regolare ed ordinata (vedremo meglio più

avanti).

Talvolta, in dipendenza del fattore tempo, la crescita ordinata dei nuclei

può non avvenire. Può succedere infatti che la configurazione

molecolare sia tale che il tempo necessario per assumere la struttura

ordinata richiesta sia molto lungo. Se il liquido viene raffreddato con una

velocità tale da non concedere il tempo necessario alla cristallizzazione,

la sua viscosità, già molto elevata, va rapidamente aumentando. Al di

sotto di una certa temperatura Tg, temperatura di passaggio allo stato

vetroso, la configurazione molecolare disordinata viene congelata e

diventano impossibili ulteriori riordinamenti atomici o molecolari.

- Il cristallo si forma quando nel passaggio da liquido a solido le

particelle riescono a raggiungere l’equilibrio (solidificazione lenta)

- quando si ha una solidificazione veloce si forma un solido amorfo,

che non è equilibrato a raggio lungo.

La modalità in cui avviene la transizione di un metallo dallo stato liquido

allo stato solido controlla la microstruttura del prodotto finale.

- In un metallo liquido le particelle sono in uno stato di moto

continuo casuale dovuto alla loro energia termica e non si ha una

disposizione ordinata di atomi su lunghe distanze

- In un metallo solido, gli atomi sono disposti in modo altamente

ordinato (solido cristallino) secondo il criterio di massima efficienza

di riempimento dello spazio, e vibrano attorno a posizioni fisse nel

cristallo (l'ampiezza di tali vibrazioni, nulla a 0 K, è funzione

crescente della temperatura)

meccanismo di nucleazione (omogenea):

● Il metallo allo stato fuso, quando viene portato al di sotto della

temperatura di solidificazione, ha molti atomi che, muovendosi

lentamente, si legano tra loro per formare i nuclei

● Un gruppo di atomi legati tra loro al di sotto della dimensione

critica è detto embrione

● I gruppi di atomi che raggiungono la dimensione critica, crescono

sotto forma di cristalli mentre gli altri si dissolvono

● I gruppi di atomi di dimensione maggiore della dimensione critica

sono chiamati nuclei

● I nuclei progressivamente si accrescono (indipendentemente gli

uni dagli altri) fino a formare la struttura cristallina solida

fasi della solidificazione

- Nucleazione → formazione di

nuclei stabili

- Crescita dei grani → formazione

della struttura a grani

la dimensione critica

La dimensione critica (o raggio critico) è la dimensione minima che deve

avere l’embrione per non sciogliersi, per raggiungere l’equilibrio. Ed è

correlata al sottoraffreddamento secondo la relazione:

elevato sottoraffreddamento: microstruttura fine dovuta al gran numero

di nuclei stabili (r* molto piccolo)

basso sottoraffreddamento: microstruttura grossolana dovuta alla piccola

quantità di nuclei stabili (r* molto grande)

nucleazione eterogenea

La nucleazione avviene a partire da agenti nucleanti ad esempio

impurezze insolubili o imperfezioni presenti sulla superficie del

contenitore. Queste strutture abbassano l’energia libera richiesta per

formare nuclei stabili, di conseguenza gli agenti nucleanti abbassano la

dimensione critica. Per la solidificazione è richiesta una minore quantità

di sottoraffreddamento o, a parità di sottoraffreddamento, si ottiene una

microstruttura a grani più fini.

Per produrre lingotti con dimensione di grano fine, vengono aggiunti

raffinatori di grano. Esempio: nelle leghe di alluminio vengono aggiunte

piccole quantità di titanio, boro o zirconio

il monocristallo

Per alcune