proprietà dei metalli

Proprietà fisiche dei metalli

Durezza Proprietà delle sostanze solide di resistere alla deformazione o all'abrasione. In mineralogia, la durezza viene definita come la proprietà di resistenza alla scalfittura da parte della superficie liscia di un minerale. In altre parole, una superficie è più tenera di un'altra se viene scalfita più facilmente; pertanto un minerale duro, come il diamante, potrà scalfirne uno più tenero, come la grafite.

La durezza relativa dei minerali viene determinata in base alla scala di Mohs (che prende nome dal suo ideatore, il mineralista tedesco Friedrich Mohs). In essa 10 minerali tra i più comuni – 1, talco; 2, gesso; 3, calcite; 4, fluorite; 5, apatite; 6, ortoclasio (feldspato); 7, quarzo; 8, topazio; 9, corindone; 10, diamante – sono disposti in ordine di durezza crescente. La durezza di un campione di materiale si ottiene determinando quale minerale della scala di Mohs sia in grado di scalfirlo. Ad esempio la galena, che ha durezza 2,5, può scalfire il gesso e può essere scalfita dalla calcite.

In metallurgia e ingegneria, la durezza viene determinata premendo una piccola sfera o un piccolo cono di materiale duro sulla superficie del materiale in esame e misurando le dimensioni dell'incavo lasciato; più piccolo è l'incavo, più duro è il materiale. Questo test per la determinazione della durezza delle superfici metalliche è noto come test di Brinell, dal nome dell'ingegnere svedese che mise a punto una macchina per misurare la durezza di metalli e leghe.

Pur essendo una proprietà definita in modo empirico, la durezza può essere ora determinata anche per via teorica, attraverso un’equazione. La formula, recentemente messa a punto da un gruppo di ricercatori, permette di risalire alla durezza di un materiale nota la sua struttura atomica; più precisamente, contiene un parametro chiamato ionicità, che esprime la forza dei legami chimici tra gli atomi del materiale; maggiore è la “ionicità” della sostanza, minore è la sua durezza. I valori forniti dall’equazione, confrontati con quelli determinati per via empirica, hanno un’accuratezza del 10%.

Elasticità (fisica) Proprietà di un corpo di riprendere forma e dimensioni originali dopo aver subito una deformazione per effetto di una forza esterna. L'azione di una forza esterna, cioè di una sollecitazione, determina nel corpo uno stato di tensione, a cui corrisponde una deformazione. Per molti materiali, tra cui metalli e minerali, vale la legge di Hooke, dal nome del fisico Robert Hooke, secondo cui tensione e deformazione sono entro certi limiti direttamente proporzionali; tuttavia, se la forza esterna è troppo intensa, il materiale può subire una deformazione permanente e la legge di Hooke non è applicabile. La tensione massima che un materiale può sopportare senza deformarsi in modo permanente è detta limite di elasticità.

Il rapporto tra la tensione e la deformazione, detta modulo di elasticità, e il limite di elasticità di un corpo sono determinati dalla natura del materiale di cui esso è costituito. La distanza tra le molecole in un materiale non sottoposto ad alcuna sollecitazione dipende dall'equilibrio tra le forze intermolecolari di attrazione e di repulsione. Quando si applica una forza esterna, creando così uno stato di tensione, le distanze intermolecolari mutano e il corpo subisce una deformazione. Se le molecole sono fortemente legate tra loro, verrà prodotta una piccola deformazione anche a seguito di una tensione elevata. Al contrario, se i legami tra molecole sono deboli, una piccola tensione può determinare una consistente deformazione. Al di sotto del limite di elasticità, quando la forza applicata viene rimossa, le molecole tornano a occupare le posizioni di equilibrio e il corpo riprende la forma originale. Oltre il limite di elasticità, la forza applicata separa le molecole a tal punto che non possono più ritornare alla loro posizione originale e il corpo risulta permanentemente deformato o addirittura si rompe.

Malleabilità Proprietà dei materiali che indica l'attitudine a essere sagomati permanentemente in qualsiasi forma senza subire rotture; in particolare, l'attitudine di un materiale a essere ridotto in foglia sottile mediante laminazione o martellatura. Caratterizza metalli, leghe e altri materiali solidi. I metalli più malleabili sono l'oro, che può essere ridotto in foglia fino allo spessore di un micrometro (0,0001 mm), l'argento, il rame e l'alluminio. Il termine malleabile deriva dal latino malleus, "martello", e significa letteralmente 'che si lascia modellare col martello.

Fatica Condizione provocata nei materiali da costruzione (metalli, legno, materie plastiche ecc.) da sollecitazioni meccaniche e termiche ripetute che portano al deterioramento o alla rottura. L'attitudine a sopportare questi sforzi si chiama resistenza alla fatica: in un acciaio ordinario, ad esempio, rappresenta il 50% circa della resistenza massima e il 75% di quella elastica, ma può essere considerevolmente inferiore, in particolare per gli acciai trattati a caldo. La capacità a resistere è superiore in condizioni di carico costante e inferiore quando le sollecitazioni sono applicate in modo periodico o non uniforme. Una trave di acciaio con resistenza elastica pari a circa 450.000 N può sopportare una sollecitazione continua di circa 410.000 N per secoli senza cedimenti misurabili; l'azione di una forza di circa 360.000 N non continua, invece, causerebbe probabilmente un cedimento da fatica dopo pochi milioni di applicazioni. La resistenza alla fatica non è importante nell'ingegneria civile, in quanto le sollecitazioni in quell'ambito sono generalmente continue, ma lo è moltissimo in alcune applicazioni di ingegneria meccanica: in un motore che ruota a 3000 giri al minuto, ad esempio, nel quale qualsiasi sollecitazione viene applicata milioni di volte in poche ore di funzionamento. I cedimenti da fatica sono i predominanti tra quelli strutturali nei dispositivi ciclici (quali i motori); gli ingegneri devono tener conto, nei loro calcoli, della resistenza a questo tipo di sforzi.

Il problema della fatica dei metalli ha assunto grande importanza nell'industria aeronautica a partire dalla fine della seconda guerra mondiale (vedi Aviazione civile). L'aumento delle sollecitazioni dovute ai voli ad alta velocità, con carichi pesanti e ad altitudini elevate, genera problemi soprattutto nel progetto di ali e motori; il cedimento inizia generalmente dal punto nel quale si concentra la sollecitazione e si sviluppa lungo i piani cristallini del metallo. Vedi anche Scienza e tecnologia dei materiali; Metallografia.

Proprietà chimiche dei metalli

Gli elementi di transizione tendono ad avere una resistenza meccanica molto alta, soprattutto a trazione; inoltre hanno in genere punti di fusione ed ebollizione molto alti. Come molte altre proprietà, queste sono dovute alla capacità degli elettroni dell'orbitale di delocalizzarsi e viaggiare liberamente attraverso la matrice metallica, formando una nube di elettroni: più sono gli elettroni condivisi tra i nuclei, migliori sono le caratteristiche meccaniche del metallo.

Gli elementi di transizione hanno quattro proprietà comuni, che sono caratteristiche:

Formano composti colorati.

Hanno più stati di ossidazione diversi.

Sono dei buoni catalizzatori.

Confrontati con gli elementi del gruppo II come il calcio, gli elementi di transizione formano ioni con una ampia gamma di stati di ossidazione diversi: possono perdere fino a nove elettroni, mentre gli ioni degli elementi del secondo gruppo in genere non ne perdono più di due.

La ragione di questo fatto si può capire studiando l'entalpia di ionizzazione di entrambi i gruppi. L'entalpia di ionizzazione del calcio è bassa finché si rimuovono i due elettroni dell'orbitale s esterno, ma per il terzo ed i successivi è altissima: lo ione Ca³⁺ ha un'entalpia così alta che è estremamente raro in natura. Viceversa, un elemento di transizione come il vanadio ha una entalpia di ionizzazione che cresce in modo approssimativamente lineare, grazie alla piccola differenza di energia fra gli orbitali 4s e 3d: perciò non è raro trovare, nei loro composti, i metalli di transizione in stato altamente ionizzato.

Si possono riconoscere certi schemi di comportamento lungo i periodi degli elementi di transizione:

Il numero di stati di ossidazione aumenta fino al settimo gruppo (quello del manganese), poi inizia a diminuire per l'aumentare dell'attrazione dei protoni del nucleo, che rende più difficile ionizzare gli atomi.

Quando gli elementi sono in stati di ossidazione bassi, possono essere trovati come ioni liberi. Di solito in stati di ossidazione più alti sono sempre parte di composti covalenti con altri elementi fortemente elettronegativi, come ossigeno o fluoro; spesso formano anioni.

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