Interazioni tra materiali inorganici e materia vivente: classificazione e rischi

INTERAZIONI TRA MATERIALI INORGANICI E MATERIA VIVENTE

PROPRIETÀ DEI MATERIALI INORGANICI

1) Classificazione delle sostanze inorganiche

Esistono diverse categorie di sostanze solide, classificate in base al tipo di legame chimico:

• Sostanze formate da combinazioni di atomi:
  • Metalli: gli atomi sono tenuti insieme dal legame metallico. Ottimi conduttori, malleabili, con punti di fusione relativamente bassi, insolubili (ma se si ossidano possono rilasciare ioni solubili).
  • Sostanze molecolari: gli atomi si combinano in molecole, le quali a loro volta interagiscono formando il solido. Sono le uniche che possono esistere in tutti e 3 gli stati fisici. Si hanno quindi sia legami covalenti, che tengono uniti gli atomi, ma anche forze intermolecolari. Possono essere solubili se le molecole sono polari e in grado di formare legami idrogeno.
  • Sostanze macromolecolari: gli atomi sono legati fra loro a formare strutture potenzialmente infinite. Sono dure, perché i legami covalenti sono difficili da rompere, insolubili e con punti di fusione molto alti.
• Sostanze formate dalla combinazione di ioni: sostanze ioniche (calcare, NaCl). Sono solide a temperatura ambiente, e sono formate da reticoli di ioni positivi e negativi che interagiscono per legame ionico. Sono materiali fragili: ogni ione è circondato da ioni di carica opposta, in uno stato di equilibrio, ma basta imprimere una forza sufficiente per alterare questo equilibrio per provocare delle repulsioni elettroniche che comportano la rottura del reticolo tramite la formazione di linee di frattura. Possono essere sia solubili sia insolubili.

Solubilità delle sostanze ioniche

I solidi possono assumere una forma amorfa o cristallina. Nei cristallini le unità sono disposte in modo ordinato nello spazio, mentre negli amorfi la disposizione è disorganizzata. I cristalli assumono delle forme geometriche macroscopiche ben precise, che dipendono dalla tipologia di cella elementare da cui sono costituiti e dall'ibridazione degli atomi. Alcune sostanze possono esistere in entrambe le forme, e anche in diversi tipi di stati cristallini e amorfi: in questo caso si parla di polimorfismo. I solidi cristallini si ottengono lasciando raffreddare lentamente un liquido, in solubile tutti gli altri 1modo che gli atomi/le molecole assumano le disposizioni spaziali che più minimizzano l'energia. Invece se un liquido viene raffreddato velocemente, gli atomi/le molecole non assumono la posizione ottimale e formano dei solidi amorfi.

2) Materiali inorganici

Le sostanze possono essere classificate in base alla composizione chimica:

• Sostanze pure: dividibili in sostanze elementari (un solo elemento) e composti (due elementi o più);
• Miscele:
  • Omogenee (soluzioni): formate da un'unica fase;
  • Eterogenee (dispersioni): la fase dispersa è in dimensione micro-nanometrica;
  • Compositi/materiali ibridi: matrice con all'interno un altro materiale, oppure particelle ricoperte da un altro materiale;
  • Materiali drogati: materiali con all'interno piccole quantità di un altro elemento, disciolto all'interno della matrice.

2.1) Sostanze pure

Le sostanze elementari più importanti sono i metalli e gli allotropi del carbonio. Fra i metalli sono rilevanti soprattutto quelli che non si ossidano. L'ossidazione spontanea di certi metalli dipende dal loro potenziale di riduzione standard: se è positivo la sostanza non tende ad ossidarsi, ma rimane allo stato ridotto (es: oro). Il titanio e l'alluminio hanno potenziali negativi, ma sono considerati inerti perché vengono passivizzati: il processo di passivazione consiste nell'ossidazione superficiale del metallo, per cui si forma uno strato compatto ossidato sulla superficie, che non viene eroso e che protegge il materiale sottostante dall'ulteriore ossidazione. Il carbonio elementare esiste in diverse forme, dette allotropi: grafite, diamante, nanotubi, fullereni. I composti di maggiore interesse sono:

• Ossidi dei metalli di transizione (TiO2, SiO2, ZnO, CeO2) sono sostanzialmente insolubili perché i legami sono forti (sostanzialmente covalenti). I primi sono sostanze ioniche, il secondo è una sostanza macromolecolare;
• Sali solidi insolubili (CaCO3);
• Silicati e alluminosilicati;
• Carburi > composti binari contenenti C;
• Nitruri > composti binari contenenti N.

2.2) Miscele

Le miscele hanno proprietà diverse da quelle dei singoli componenti. Le leghe sono un tipo di soluzioni/dispersioni. I diametri degli atomi metallici sono relativamente simili, e questo rende possibile la formazione di soluzioni. Tra i materiali ibridi ci sono:

• Compositi > matrici al cui interno sono presenti delle particelle di altri solidi (detti riempitivi);
• Core-shell > particelle rivestite da uno strato di un altro materiale;
• Miscele di materiali > polveri miscelate fra loro. Le proprietà possono essere differenti, perché si possono generare delle reattività chimiche peculiari.

3) Materiali massivi e polveri

I materiali massivi hanno almeno una dimensione macroscopica (> 10-3 m). Le forme possono essere svariate: sfere, fibre, film ecc. Le polveri hanno dimensioni microscopiche (< 10-3 m). Possono essere distinte in polveri grossolane/fini (dimensioni micrometriche), e polveri ultrafini (dimensioni nanometriche). Ogni materiale interagisce con l'ambiente attraverso la propria superficie. Più un materiale è piccolo, maggiore sarà la sua area superficiale specifica, definita come la quantità di area esposta verso l'esterno per unità di massa o di volume (m2/g oppure m2/cm3). Solitamente si preferisce utilizzare il volume, perché evita di dover considerare la densità del materiale. Per esempio particelle di circa 1 mm hanno un'area specifica < 1 m2/cm3, mentre particelle di 1 nm hanno area specifica > 60 m2/cm3.

24) Proprietà fisiche dei materiali

Le proprietà dei materiali possono essere classificate in morfologiche, chimiche e fisiche.

4.1) Proprietà meccaniche

Una delle principali proprietà meccaniche è l'elasticità, definita come la capacità di un materiale di ritornare alla forma originale dopo una deformazione. Viene espressa tramite il modulo di Young (espresso in Pascal), ovvero come il rapporto fra lo stress subito e la deformazione. Lo stress non è altro che la pressione applicata, mentre la deformazione è la variazione di lunghezza del materiale. Questa proprietà è molto importante nei biomateriali.

morphological Size Shape chemical Composition Structure physical Thermal properties Mechanical properties Electrical properties Magnetic properties Optical properties

4.2) Proprietà elettriche

La capacità di condurre l'elettricità distingue i materiali in conduttori, semiconduttori ed isolanti. La conduzione elettrica è una conseguenza del trasporto di cariche elettriche: una soluzione acquosa con ioni disciolti conduce perché gli ioni possono spostarsi liberamente all'interno dell'acqua. I metalli sono ottimi conduttori perché gli elettroni degli atomi sono in grado di spostarsi liberamente. Questo spostamento può essere descritto tramite due modelli: il più semplice (e anche il più approssimativo) è il modello del mare di elettroni, mentre il secondo, più completo, è la teoria delle bande. Secondo il modello del mare di elettroni gli atomi metallici, caratterizzati da una bassa energia di ionizzazione, non sono in grado di trattenere gli elettroni più esterni attorno al proprio nucleo, e questi si delocalizzano a formare un'unica nube elettronica. La teoria delle bande deriva dalla teoria dell'orbitale molecolare, secondo la quale quando due atomi si combinano, anche i rispettivi orbitali si combinano, originando degli orbitali molecolari comuni. Orbitali vuoti Banda (banda di conduzione) Questa teoria permette di spiegare con precisione tutti i fenomeni Orbitali pieni (banda di valenza) che conseguono dall'interazione fra l'energia e la materia, Energia calcolando con precisione le energie degli orbitali molecolari. Gli orbitali molecolari possono essere di legame, caratterizzati da un'energia minore ed occupati dagli elettroni, o di antilegame, Li Li2 Li3 LiĄ LiN caratterizzati da un'energia maggiore e di solito liberi dagli elettroni. Quando numerosi atomi si combinano fra loro, la sommazione degli orbitali molecolari porta alla formazione di due bande, ciascuna formata da numerosi livelli in continuità energetica fra di loro. La prima banda, quella più interna e a più bassa energia, è detta di valenza ed è composta da tutti gli orbitali di legame. La seconda banda, quella più esterna ed a più alta energia, è detta di conduzione ed è composta da tutti gli orbitali di antilegame. Nei conduttori queste due bande sono a contatto, quindi non separate fra loro. Allo 0 K tutti gli elettroni si trovano solo nella banda di valenza, ma in condizioni reali, per esempio a temperatura ambiente, l'energia termica fornita è sufficiente per far sì che alcuni elettroni passino nella banda di CONDUCTORS SEMICONDUCTORS AND INSULATORS conduzione, ad energia maggiore. Si creano quindi delle zone positive nella banda di valenza, generate dallo spostamento degli elettroni, che consentono la conduzione di corrente. Anche i materiali semiconduttori ed isolanti hanno le bande, ma queste sono separate da un certo salto energetico definito banda proibita. Nei semiconduttori la barriera energetica è di 10-250 kJ/mol, e può essere superata fornendo energia (per esempio luminosa > pannelli fotovoltaici). Aggiungendo degli elementi dopanti ai semiconduttori è possibile variare la quantità di energia da fornire per consentire il salto energetico. Invece negli isolanti la barriera energetica è >> 250 kJ/mol, e non può essere superata.

JAE } Energy gap valence band and conduction band are energetically continuous valence band and conduction band are separated by an energy gap

4.3) Proprietà magnetiche

Un campo magnetico è una grandezza vettoriale, che si genera dalla rotazione attorno al proprio asse delle cariche elettriche. La rotazione, definita dal numero quantico di spin, può avvenire in senso orario oppure antiorario, e questo determina la direzione del campo magnetico.

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