PROPRIETÀ DEI MATERIALI PER L’OTTICA Testo di riferimento: Scienza e ingegneria dei materiali. Una introduzione. W. D. Callister Jr

Programma Classificazione dei materiali. Legami atomici nei solidi; struttura dei solidi. Il vetro e le sue proprieta’. Proprietà meccaniche dei materiali (comportamento elastico, duttilita’, durezza, …) Fenomeni alla superficie di separazione fra sostanze diverse (forze di coesione e di adesione, bagnabilità,...) Radiazione elettromagnetica: proprieta’ e grandezze che la caratterizzano. Interazione radiazione – materia. Riflessione, trasmissione o assorbimento Chimica delle molecole polimeriche. Materiali per lenti oftalmiche: lenti minerali ed organiche. Polimeri per lenti a contatto. Diffusione e permeabilita’.

Ibridazione orbitalica Consideriamo l'atomo di carbonio la cui configurazione elettronica è 1s 2 2s 2 2p 2. Il carbonio ha solo due orbitali 2p semipieni e, pertanto, dovrebbe dare origine solamente a due legami. In realtà il carbonio, come nel metano CH 4, è prevalentemente tetravalente, cioè in grado di formare 4 legami con altri atomi. Si suppone la promozione di un elettrone dall'orbitale 2s sull'orbitale 2p vuoto. Tale atomo di carbonio eccitato ha ora quattro orbitali semipieni, e potrebbe formare quattro legami. Tuttavia, siccome l'orbitale atomico 2s sferico ha energia inferiore e forma diversa da quella dei tre orbitali 2p x, 2p y, 2p z, dovremmo aspettarci tre legami uguali ed uno diverso. Tutto ciò è in contrasto con i fatti sperimentali che accertano la presenza nel metano (CH 4 ) di 4 legami covalenti identici.

Ibridazione sp 3 - singolo legame La teoria suggerisce il "mescolamento" dell'orbitale 2s con i tre orbitali 2p. Tale mescolamento è matematico, delle funzioni d'onda dell'orbitale e quindi non è un reale fenomeno fisico. Come risultato si ottengono 4 nuovi orbitali identici tra loro, di forma, energia e disposizione nello spazio del tutto diverse da quelle originarie. Questa operazione matematica prende il nome di ibridazione. I nuovi 4 orbitali ibridi, chiamati sp 3. I 4 orbitali ibridi sp 3 sono tra loro identici e hanno la seguente forma: Il lobo di dimensione maggiore è quello che viene utilizzato nei legami. Talvolta, per questioni di praticità, non si rappresenta il lobo di dimensione minore.

I quattro orbitali ibridi sp 3 puntano verso i vertici di un tetraedro, disponendosi a 109,5° l’uno dall’altro:

Nella formazione della molecola del metano, si ha una sovrapposizione tra i 4 orbitali ibridi sp 3 e 4 orbitali 1s appartenenti a 4 atomi di idrogeno diversi:

Ibridazione sp 2 – doppio legame Oltre all'ibridazione sp 3 esistono anche altre ibridazioni. Dal mescolamento di un orbitale s con due orbitali di tipo p si ottengono 3 orbitali ibridi detti orbitali sp 2 che si dispongono su di un piano formando angoli di 120° l'uno dall'altro (geometria trigonale planare).

L'orbitale p non coinvolto nell'ibridazione si dispone perpendicolarmente al piano formato dai tre orbitali ibridi sp 2. Presentano ibridazione sp 2 gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente doppio (>C=C<), come ad esempio nella molecola dell’etene (o etilene) H 2 C=CH 2. Il doppio legame C=C si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra due orbitali ibridi sp 2 e alla sovrapposizione laterale tra i 2 orbitali p non coinvolti nell'ibridazione.

Ibridazione sp 2 con la formazione di legami σ e π nell’etilene (CH 2 =CH 2 ).

Ibridazione sp – triplo legame La combinazione di un orbitale di tipo s e uno di tipo p dà origine a 2 orbitali ibridi sp. I due orbitali ibridi sp (nei quali per questioni di praticità, si omette di rappresentare il lobo di dimensione minore) si dispongono a 180° l’uno rispetto all’altro (geometria lineare).

Gli orbitali p non coinvolti nell'ibridazione sono disposti perpendicolarmente tra loro e sono perpendicolari ai due orbitali ibridi sp: Presentano ibridazione sp gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente triplo (-C≡C-), come ad esempio nella molecola dell’etino (o acetilene) HC≡CH. Il triplo legame -C≡C- si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra due orbitali ibridi sp e alla sovrapposizione laterale tra le due coppie di orbitali p non coinvolti nell'ibridazione.

L’ibridazione sp con la formazione di legami σ e π nell’acetilene (CH≡CH).