Classificazione e Proprietà dei Materiali: Metalli, Leghe e Polimeri

La Materia e la Classificazione dei Materiali

La materia è composta da particelle elementari, soprattutto (protoni, neutroni, elettroni).

Fonte e Tipologie di Materiali

I materiali si classificano in base alla loro origine:

• Materiali Naturali: Si ottengono direttamente dalla natura (da vivente o inerte). Esempi: Legno, granito, cuoio, cotone, lana.
• Materiali Artificiali: Ottenuti da materie prime (materiali estratti direttamente dalla natura) dopo un processo di trasformazione.
• Materiali Riciclati: Sono ottenuti da oggetti dello stesso tipo.

Proprietà Fondamentali dei Materiali

Le proprietà dei materiali ne definiscono il comportamento e l'idoneità all'uso:

A) Proprietà Meccaniche

• Densità: $d = m / V$.
• Durezza: Un materiale è più rigido di un altro quando è in grado di graffiarlo.
• Fragilità: Un materiale è fragile quando si rompe facilmente.
• Tenacità: Un materiale è tenace quando si rompe con difficoltà.
• Malleabilità: Possibilità di allungare il materiale in fogli.
• Duttilità: Possibilità di convertire il materiale in fili.
• Elasticità: Un corpo è elastico quando, dopo l'applicazione di una forza, recupera il suo stato originale.
• Plasticità: Un materiale è plastico quando, dopo l'applicazione di una forza, si deforma e non recupera il suo stato iniziale.
• Resistenza: Alle forze di compressione, trazione, torsione e flessione.

B) Proprietà Termiche

• Temperatura di Fusione: Temperatura alla quale il corpo passa dallo stato solido a quello liquido.
• Punto di Ebollizione: Temperatura alla quale un corpo passa dallo stato liquido a quello gassoso.
• Calore Specifico: Misura la maggiore o minore tendenza dei corpi a trattenere il calore.
• Conduttività Termica: La capacità di un corpo di condurre il calore al riscaldamento.
• Coefficiente di Espansione: Misura la tendenza dei corpi a modificare il volume con il calore.

C) Proprietà Elettromagnetiche

• Conducibilità Elettrica: Misura la facilità con cui può circolare la corrente elettrica.
• Comportamento Magnetico.

D) Proprietà Chimiche

• Resistenza alla Corrosione.

E) Proprietà Acustiche

• Conduttività del Suono: Misura la tendenza di un materiale a trasmettere il suono.

F) Proprietà Ottiche

• Colore, Luminosità, Trasparenza, Fluorescenza.
• Indice di Rifrazione: Misura la capacità di un materiale di deviare la luce che penetra al suo interno.
• Capacità di Polarizzazione della Luce: Nei cristalli liquidi, quando sottoposti a una leggera corrente elettrica, bloccano il passaggio della luce e permettono la formazione di caratteri leggibili sugli schermi dei calcolatori.

Metalli, Minerali e Processi di Estrazione

Un minerale è un composto solido della crosta terrestre. Nella sua composizione deve sempre apparire un metallo e un metalloide.

I minerali metalliferi (o menas) sono minerali il cui contenuto nel metallo desiderato è sufficiente tale che il loro sfruttamento sia redditizio (cioè, il costo per ottenere il metallo deve essere inferiore al costo del metallo sul mercato).

Oro e platino si trovano puri (senza formazione di composti) in natura. Gli altri metalli sono ottenuti dai loro minerali. Le menas più comuni sono gli ossidi e i solfuri metallici (che nascono nella terra per reazione del metallo con l'ossigeno atmosferico e lo zolfo derivante dall'attività vulcanica).

Processo di Riduzione per l'Estrazione dei Metalli

Per ottenere il metallo dal minerale si utilizza un processo chimico chiamato riduzione, che può avvenire in due modi: per calore o per elettrolisi.

1. Riduzione per Calore: I minerali solfuri vengono prima convertiti in ossidi e poi riscaldati con il carbone. Il carbonio reagisce con l'ossigeno dell'ossido rilasciando CO₂ e molto calore.
2. Riduzione per Elettrolisi: L'elettrolisi è la decomposizione di una sostanza chimica mediante l'azione della corrente elettrica.

Coltan e Leghe Metalliche

Il Coltan: Niobio e Tantalio

Il Coltan è una miscela costituita da due minerali, columbite e tantalite, che si trovano insieme come parte di alcuni tipi di granito. Da questi minerali si ottengono due metalli:

• Niobio: Utilizzato nella produzione di magneti potenti nell'industria elettronica (fabbricazione di altoparlanti, cuffie e micro dischi per spostare i dischi dei computer), nel settore aerospaziale e per la produzione di impianti medici.
• Tantalio: Utilizzato nella fabbricazione di condensatori ed è presente nelle batterie degli apparecchi portatili (telefoni, computer portatili).

Le Leghe

Una lega è una miscela solida omogenea di varie sostanze. Alcune leghe di interesse sono:

Bronzo

Formato da rame, stagno e zinco. Si usa per la monetazione e la produzione di utensili da taglio, turbine, ecc.

Ottone

Formato da rame e zinco. Si usa per viti e per la produzione di fili.

Acciaio

Formato da ferro e carbonio (in piccola proporzione). Se si aggiungono altri metalli, le sue proprietà possono essere migliorate.

Alnico

Formata da alluminio, nichel e cobalto. Si usa per produrre magneti permanenti.

Alpaca

Formata da rame, nichel e zinco. Si usa per fare piatti, chiavi per strumenti musicali, ecc.

Costantana

Formata da rame e nichel. Si usa per monete metalliche.

Magal

Formata da magnesio, alluminio, zinco e manganese. Si usa nella fabbricazione di carrozzerie, nell'aeronautica e nella produzione di strumenti chirurgici.

Nicrom

Formata da nichel, ferro e cromo. Può dissipare molto calore ed è usata nei tostapane.

Peltro

Lega di zinco, piombo, stagno e antimonio. Si usa per ornamenti.

Nei metalli preziosi, il carato rappresenta 1/24 della massa totale della lega che lo compone.

Composti del Carbonio, Polimeri e Produzione della Carta

Composti del Carbonio

• Grafite: È carbonio puro e ha una struttura in cui gli atomi di carbonio formano reti esagonali collegate.
• Diamante: È carbonio puro e ha una struttura in cui ogni atomo di carbonio è circondato da altri 4, situati negli angoli di un tetraedro.

La Plastica e i Polimeri

• Un monomero è una molecola piccola.
• Un polimero è formato dall'unione di molti monomeri.
• La polimerizzazione è una reazione chimica in cui i monomeri si legano formando polimeri.
• Una plastica è una sostanza formata da polimeri.

La Parkesina fu la prima fibra polimerica scoperta. Fu ottenuta sciogliendo cotone in acido nitrico e utilizzando canfora come plastificante. Il suo obiettivo era trovare un sostituto per l'avorio.

I polimeri possono essere naturali (come le proteine formate da aminoacidi o il DNA formato da acidi nucleici, dove aminoacidi e acidi nucleici sono i monomeri) o artificiali (come il secchio, il cloruro di polivinile, ecc.).

Processo di Produzione della Carta

La carta si ottiene tramite il seguente metodo:

1. Il legno frantumato viene introdotto in acqua a 200°C con soda caustica, solfato di sodio e carbonato di calcio.
2. La pasta ottenuta viene sbiancata con prodotti chimici (come Cl₂ disciolto in acqua).
3. Si aggiungono agenti consolidanti (colla, caolino) affinché sia più flessibile e si conservi meglio (resistenza all'attacco di muffe e batteri).
4. Tramite procedure meccaniche si ottengono i rotoli di carta.