Corso di Laurea in Ingegneria Energetica

APPUNTI DELLE LEZIONI DI

Scienza e Tecnologia dei Materiali (Energetica)

Anno Accademico 2012/2013Anno Accademico 2012/2013

Sito web: http://www.uniroma2.it/didattica/STM_ENE

Prof. Ing. Francesca NanniStudio c/o Dip. Scienze e Tecnologie Chimiche (edifici Sogene)

Settore 6 -Livello 1E-mail: fnanni@ing.uniroma2.it – tel. 06.7259.4496

Scienza dei materiali (Prof. Ing. F. Nanni):

•Legami atomici e struttura cristallina

• Cenni di diagrammi di stato

• Materiali metallici: acciaio e leghe non ferrose

• Materiali Polimerici

• Materiali Ceramici

Programma

• Materiali Ceramici

• Cenni ai materiali compositi

• Esempi applicativi nell’ambito dei materiali per la produzione di energia da

fonti alternative

Corrosione e protezione dei Materiali (Prof. G. Montesperelli):

Meccanismi di corrosione dei materiali metallici

Scopo del corso:

• Conoscenza principali classi di materiali• Conoscenza elementi di scienza dei materiali• Conoscenza delle principali proprietà meccaniche, fisiche e chimiche

dei materiali

Scopo del corso

Correlazione struttura/proprietà

I legami atomici

Obiettivo della lezione: comprendere come atomi

individuali si legano tra loro in strutture di grandi

dimensioni che assumono poi le proprietà e le

caratteristiche di molti materiali differenti fra loro.

• I meccanismi di legame tra gli atomi sono strettamente correlati alla lorostruttura atomica.

• Cariche: Elettroni e protoni hanno cariche rispettivamente negative e positivedella stessa entità (1.6x 10-19 Coulombs). I neutroni sono elettricamente neutri

• Masse: Neutroni e protoni hanno la medesima massa (1.27x 10-27 kg). Glielettroni hanno massa molto minore (9,11x 10-31 kg) che può essere tralasciatanel calcolo della massa atomica.

• Massa atomica = massa nuetroni+ massa protoni• Numero atomico (Z) = numero di protoni che identifica chimicamente l’elemento• Numero di neutroni: identifica l’isotopo.

I legami atomici

• Gli elettroni che occupano il guscio elettronicopiù esterno, detti elettroni di valenza, sonoresponsabili della formazione dei legami atomici.

• Gli atomi in cui l guscio esterno è pieno e stabilesono detti inerti, non reattivi, o gas nobili.

• La struttura elettronica degli atomi definisce ilcarattere della loro interazione. Atomi che hannolivelli elettronici esterni incompleti tendono araggiungere una configurazione stabile

Trasferendo o mettendo a comune

elettroni.

I legami atomici

• I legami che tengono uniti gli atomi possono essere:

Primari :

Ionici, Covalenti, Metallici

gli elettroni vengono trasferiti o messi in comune. Si tratta di legami forti che

fondono a temperature dell’ordine di 1000-5000 K.

Secondari:

Legami tra dipoli fluttuanti (gas inerti) o

permanenti (Van Der Walls, Idrogeno)

Non c’è trasferimento o messa a comune ma interazione tra dipoli

atomici/molecolari. Sono legami deboli che fondono tra 100-500 K

I legami atomici

• Le forze che tengono uniti gli atomi (legami interatomici) agiscono come piccolemolle

• Il modo in cui gli atomi sono disposti gli uni rispetto agli altri, determina quantemolle sono presenti per unità di volume e quanto possono essere deformate

Legami primari: Il legame ionico

• Avviene tra elementi con differente elettronegatività: tipicamente tra elementisituati alle estremità orizzontali della tavola periodica. Tra i quali è favorito iltrasferimento elettronico

Legami primari: Il legame ionico

• Avviene tra elementi con differente elettronegatività: tipicamente tra elementisituati alle estremità orizzontali della tavola periodica.

• Formazione del legame ionico:

1. Mutua ionizzazione che avviene per trasferimento elettronico. Formazione dicationi ed anioni.

2. Gli ioni si attraggono per mezzo di una forte attrazione tra cariche. Ne deriva lanon direzionalità del legame (interazione tra cariche sferiche)non direzionalità del legame (interazione tra cariche sferiche)

Legami primari: Il legame ionico

• Energie in gioco:

• Attrazione coulombiana tra ioni di carica opposta

• Repulsione tra le nubi di elettroni

Legami primari: I Solidi ionici

• La forte interazione tra anioni e cationi porta alla formazione di un solido ionicocaratterizzato dal fatto che ciascun catione è circondato da anioni e viceversa.

• Ogni forza esterna che tende a disturbarel’equilibrio ionico del reticolo cristallinoionico incontra grandi resistenze: i solidiionici sono duri e fragili!ionici sono duri e fragili!

Legami primari: Il legame covalente

• Il legame covalente avviene tra solidi con elettronegatività simile o la stessa(formazione delle molecole)

• Nel legame covalente gli elettroni vengono condivisi per saturare la valenza. Inquesto caso gli elettroni di legami sono localizzati tra atomi di provenienza e siforma un legame fortemente direzionale.

• Formazione del legame covalente:

1. Condivisione degli elettroni di valenza.1. Condivisione degli elettroni di valenza.2. Vi è sovrapposizione degli orbitali atomici a

formare l’orbitale molecolare3. Il legame avviene nella direzione di maggiore

sovrapposizione ed è fortemente direzionale4. Un atomo può formare al massimo 8-N’ legami

covalenti. Con N’ = n° elettroni di valenza

Forma 1 solo legame covalente:

Legami primari: Il legame covalente

• IL carbonio può formare 4 legami

Diamante

Grafite = pacchetti di grafeneNanotubi

Fullerene

PE - Polietilene

Grafene = 1 foglio

Legami primari: Il legame metallico

• Il legame metallico avviene tra elementi elettropositivi

• Nel legame metallico gli elettroni di valenza vengono messi a comune a formareuna nube elettronica dislocata tra gli ioni positivi. In questo caso gli elettroni dilegami sono delocalizzati tra atomi di provenienza e si forma un legameadirezionale.

• le strutture cristalline risultanti sono molto dense.

• Quando vi è un riarrangiamento atomico i legami non si rompono e questoconsente una buona deformabilità dei metalli.

• I metalli di transizione (Fe, Ni,ecc.) hanno un legame intermedio tra quellometallico e quello covalente, pertanto sono meno duttili di Au o Cu!

Legami secondari

I legami secondari = interazione dipolo = Van der Waals = legami fisici

derivano dall’interazione di dipoli atomici o molecolari

• Tra le molecole polari , nelle quali vi è una distribuzione asimmetrica di regionipositive e negative (HCl, H O), esistono dipoli permanenti. asimmetricI legami

• Tra le molecole polari , nelle quali vi è una distribuzione asimmetrica di regionipositive e negative (HCl, H2O), esistono dipoli permanenti. asimmetricI legamisecondari tra molecole polari adiacenti sono i legami secondari più forti .

Legami secondari

• Molecole polari possono indurre una certa polarità anche in molecole adiacentinon polari, il risultante legame si chiama dipolo indotto.

• Anche in molecole simmetriche e non polari si possono indurre nel tempo dipolifluttuanti che generano i legami secondari più deboli (es.nei gas, H2, Cl2)

Legami e materiali

• Spesso nei materiali è presente più di una tipologia di legame

Verifica obiettivi di apprendimento

• Quali sono i legami primari?

• Che differenza c’è tra legami primari e secondari?

• Cose è la forza di attrazione di Coulomb?

• Cosa è il legame idrogeno?

• Quali legami sono tipici dei materiali ceramici?

• Quali legami primari sono direzionali?

• Tra quali elementi della tavola periodica si formano i legami ionici?

• Quanti legami covalenti può formare al massimo un atomo?