Lo stato solido

Le particelle che costituiscono il reticolo cristallino di un solido, pur non essendo libere di muoversi come le particelle di un gas o di un liquido, non sono però immobili, in quanto possiedono un moto vibratorio.

Le particelle si un solido sono legate fra loro da legami chimici, la natura delle quali impartisce al solido certe caratteristiche generali.

Si usa dividere i solidi in classi a seconda del tipo di legame che tiene unite tra loro le particelle.

I CRISTALLI

La struttura cristallina è la caratteristica  più importante dello stato solido.

Essa scaturisce da un organizzazione interna ordinata delle particelle che si manifesta anche all'esterno con forme geometriche particolari, denominati CRISTALLI.

In un cristallo le particelle, siano esse atomi, ioni o molecole sono disposte secondo una struttura ordinata che si ripete nelle tre dimensioni dello spazio.

Il nome di tale struttura ordinata è RETICOLO CRISTALLINO.

Esso non ha dimensioni definite e si ripete più volte per tutto il volume del reticolo cristallino considerato.

La CELLA ELEMENTARE è l'unità minima del reticolo, che, ripetuta nelle tre direzioni dello spazio, genera il cristallo complessivo.

Figura Cella elementare del reticolo cristallino di NaCl

Na⁺

Cl ^-

Le tre direzioni lungo le quali si immaginano di far sviluppare la celle elementare rappresentano gli ASSI CRISTALLOGRAFICI e vengono indicati con le lettere x, y, z.

Essi vengono individuati dei tre spigoli di convergenza dei un cristallo, mentre gli angoli da esse individuate con gli ANGOLI CRISTALLOGRAFICI e vengono indicati con le lettere a, b, g.

Le lunghezze dei tre spigoli delle celle elementari costituiscono i PERIODI e vengono indicati con le lettere a, b, c.

Z

c 

a

b

b  Y

g

a

X

I cristalli presentano una grande varietà di reticoli cristallini ma questi sono riconducibili sette forme geometriche, cui corrispondono i sette sistemi cristallini:

CUBICO, TETRAGONALE, ORTOROMBICO, MONOCLINO, TRICLINO, ROMBOEDRICO, ESAGONALE.

SOLIDI COVALENTI

In questi i nodi reticolari sono occupati da atomi legati fra loro da legami covalenti.

Poiché i valori dell'energie di tali legami sono di norma assai elevati, in questa classe si ritrovano sostanze con elevatissime temperature di fusione, durissime (es. diamante) e con bassissime proprietà conduttrici, sia termiche che elettriche.

In questi cristalli infatti gli elettroni, tutti impegnati nei legami covalenti fra gli atomi, non sono mobili.

I cristalli covalenti sono di norma tridimensionali, ma esistono casi di cristalli covalenti bidimensionali tenuti tra loro da forse di van der Waals. (es. grafite)

SOLIDI IONICI

I cristalli ionici presentano grande varietà di forme: ciò perché l'equilibrio fra le forze attrattive e repulsive, che determina la formazione del reticolo porta a geometrie diverse a seconda della dimensione e della carica dell'anione e del catione.

Gli elevati valori dell'energia reticolare nei cristalli ionici fanno si che le loro temperature di fusione  siano abbastanza elevate (ma minori rispetto a quelli covalenti).

I cristalli ionici sono cattivi conduttori dell'elettricità perché in essi non sono mobili né gli elettroni, da uno ione all'altro ne gli stessi ioni.

Divengono invece conduttori quando si trovano allo stato fuso, perché la rottura del reticolo, rende gli elettroni liberi di muoversi.

Un esempio di cristallo ionico è il cloruro di sodio NaCl (comune sale da cucina)

SOLIDI MOLECOLARI

In questi solidi, i legami che tengono unite le particelle, che costituiscono il reticolo cristallino, sono deboli: Legame di London, forze di van der Waals e legame idrogeno.

Nel caso di particelle apolari, il legame di London  è l'unico legame fra esse, e in tal caso il reticolo cristallino è assai poco stabile.

I legami di van der Waals, deboli, esistono nei cristalli costituiti da molecole polari, e anche questi cristalli hanno temperature di fusione  piuttosto basse.

Le forze attrattive di London e di van der Waals, sono adirezionali e di conseguenza nella formazione del cristallo le particelle tendono ad impacchettarsi il più strettamente possibile.

Immaginandole particelle di forma sferica, la geometria stabilisce che il numero massimo di sfere tangenti ad una singola sfera è 12.

Perché ciò avvenga, la cristallizzazione deve dar luogo a una cella cubica a facce centrate, oppure ad una cella esagonale.

Va aggiunto che nei cristalli molecolari di specie fra le cui molecole esistono legami idrogeno, essendo questo legame direzionale la cella non è più compatta e fra le particelle esistono interstizi più ampi; cosi ad esempio il ghiaccio presenta una struttura esagonale aperta e non compatta.

I cristalli molecolari sono cattivi conduttori dell'elettricità perché gli elettroni non passano da una molecola all'altra.

SOLIDI METALLICI

Si origina dal fatto che nel metallo gli atomi hanno perso elettroni esterni, e gli ioni risultanti sono mantenuti uniti da questi stessi elettroni, che però non appartengono più ai singoli atomi, ma che sono delocalizzati su un grandissimo numero di orbitali estesi a tutto il metallo. (LEGAME METALLICO)

L'energie dei singoli orbitali hanno valori assai vicini fra loro e ciò consente di spostare gli elettroni con una piccolissima spesa di energia. I metalli cristallizzano in tre soli tipi di cella CUBICA A CORPO CENTRATO, CUBICA COMPATTA, ESAGONALE COMPATTA.

Essendo metalli per tanto presentano tutte le proprietà proprie del materiale come conducibilità elettrica e termica, duttilità..ecc