Caratteristiche e proprietà dei solidi LO STATO SOLIDO Caratteristiche e proprietà dei solidi Ricordare che lo stato solido è assieme a quello liquido e gassoso e allo stato particolare di plasma uno dei possibili stati della materia

STRUTTURA E GEOMETRIA CRISTALLINA La struttura fisica dei materiali solidi dipende dalla disposizione degli atomi, ioni o molecole che compongono il solido e dalle forze che li legano fra loro. Quando gli atomi o gli ioni di un solido sono disposti secondo una disposizione ripetitiva nelle tre dimensioni dello spazio, essi formano un solido chiamato solido cristallino.

Assegnando dei valori specifici alla lunghezza degli assi e agli angoli compresi tra essi, possono essere costruite celle elementari di diverso tipo. La cristallografia ha mostrato che sono necessari solamente sette diversi sistemi cristallini per dare origine a tutti i possibili tipi di reticolo.

Celle elementari primitive dei 7 sistemi cristallini

Esistono 14 reticoli di Bravais raggruppati secondo il sistema cristallino.

3 tipi di cella elementare cubica

CARATTERISTICHE COMUNI DEI SOLIDI Incompressibilità Rigidità Forma definita Fare osservare che anche i liquidi sono praticamente incompressibili ma non hanno una propria forma

Solidi cristallini e solidi amorfi disposizione disordinata delle particelle isotropia punto di fusione non ben definito Solidi cristallini particelle disposte regolarmente nello spazio anisotropia punto di fusione ben definito

Anisotropia è una parola di origine greca; è il contrario di isotropia che significa “stesse proprietà” Un solido si dice anisotropo se le proprietà quali conducibilità elettrica, indice di rifrazione,conducibilità termica, ecc.. sono diverse a seconda della direzione in cui vengono misurate.L’anisotropia è conseguenza della asimmetria dei reticoli lungo le tre direzioni dello spazio; molti solidi cristallini risultano tuttavia isotropi perché i loro macrocristalli sono, in realtà, costituiti da un gran numero di microcristalli disposti casualmente.Per rilevare l’anisotropia occorre fare le misure su monocristalli.

SOLIDI AMORFI = LIQUIDI I solidi amorfi sono in realtà dei liquidi ad elevata viscosità In realtà si dovrebbe parlare di un ulteriore stato della materia: lo stato vetroso.Poiché però lo stato vetroso ha la stessa disposizione disordinata delle particelle come lo stato liquidi è giusto in prima approssimazione assimilarli.

CLASSIFICAZIONE DEI SOLIDI CRISTALLINI Solidi ionici Solidi covalenti Solidi molecolari Solidi metallici

Caratteristiche dei solidi ionici Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi ionici si alternano, con regolarità, ioni positivi e negativi Temperatura di fusione relativamente alta Fragilità alla trazione Sfaldamento diagonale rispetto ai piani reticolari Allo stato fuso conducono la corrente elettrica Solubili in acqua In soluzione acquosa conducono la corrente Esempi: Cloruro di sodio,ossidi

Conducibilità e temperatura di fusione La conducibilità delle soluzioni acquose e allo stato fuso deriva dalla presenza degli ioni liberi quando il reticolo viene demolito. La temperatura di fusione relativamente alta si spiega con la forza del legame ionico

Sfaldabilità e solubilità I solidi ionici si oppongono allo sfaldamento parallelo ai piani reticolari in quanto lo scorrimento genererebbe repulsione fra ioni dello stesso segno. Lo sfaldamento avviene lungo i piani diagonali contenenti tutti atomi con carica dello stesso segno La solubilità in acqua è buona perché il reticolo viene distrutto e gli ioni vengono solvatati dall’acqua.

Caratteristiche dei solidi covalenti Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi covalenti sono presenti gli atomi legati con legame covalente Temperatura di fusione molto alta In generale grande durezza Isolanti o semiconduttori Insolubili in acqua Esempi:silice,diamante

Durezza e alto punto di fusione Il legame covalente è molto forte per cui i reticoli covalenti sono difficili da rompere. Ciò spiega perché questi solidi hanno, in generale, temperature di fusione molto alte I legami covalenti sono fortemente direzionati; da ciò deriva la durezza (fatte le debite eccezioni) dei solidi covalenti. Ricordare la grafite e i motivi della sua sfaldabilità

Struttura del quarzo

Struttura del diamante

Struttura della grafite

Struttura del fullerene C60 con 20 esagoni e 12 pentagoni ottenuto per condensazioni di vapori di carbonio. Contiene ibridi sp2 con angoli piegati a 108° Fullereni C70, C74, C82 Hanno importanti applicazioni in campo elettronico perchè formano coi metalli alcalini complessi superconduttori

Caratteristiche dei solidi molecolari Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi molecolari sono presenti molecole legate con deboli legami intermolecolari Temperatura di fusione bassa Scarsa durezza Alta tensione di vapore Esempi: ghiaccio, iodio, naftalina

I deboli legami intermolecolari La bassa temperatura di fusione è conseguenza delle deboli forze esistenti fra le molecole; i legami sono infatti legami intermolecolari e quindi molto più deboli di quelli interatomici; alle stesse ragioni sono imputabili la scarsa durezza e l’alta tensione di vapore. Solo il ghiaccio, in virtù dei legami a ponte di idrogeno, presenta una discreta durezza.

Caratteristiche dei solidi metallici Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi metallici sono presenti ioni positivi legati da legame metallico. Il reticolo è avvolto dalla nuvola elettronica Temperatura di fusione generalmente alta Elevata densità Buona conducibilità termica ed elettrica Lucentezza al taglio Esempi: i vari metalli

Conducibilità e Densità La conducibilità termica ed elettrica dei metalli è spiegabile con il fatto che gli elettroni di valenza che fanno parte della nuvola elettronica che avvolge il reticolo sono liberi di muoversi. L’elevata densità dei metalli si deve all’impacchettamento compatto; gli atomi si dispongono in modo da lasciare il minor spazio vuoto possibile;in tal modo ogni atomo è circondato da altri sei.

Lavorabilità e temperatura di fusione La malleabilità e duttilità si deve alla struttura del reticolo cristallino dei metalli; tirando o piegando il reticolo infatti le forze che legano i vari ioni e la nuvola che li avvolge rimangono invariate. Le alte temperature di fusione sono una conseguenza della forza del legame metallico che rende il reticolo difficile da rompere.

Cristalli ionici con rapporto rC/rA tra 1 e 0.73

Cristalli ionici con rapporto rC/rA tra 0,3 e 0.414

Cristalli ionici con rapporto rC/rA tra 0.414 e 0.225

I cristalli che incontriamo in natura o otteniamo in laboratorio non sono mai cristalli perfetti Il cristallo reale deve essere differenziato dal cristallo ideale, “infinito” e completamente ripetitivo (un modello astratto). La non-idealità talvolta considerata un disturbo, è spesso all’origine di favorevoli proprietà addizionali, molto utilizzate nella ingegneria dei materiali e nella fisica dello stato solido. Tutti i solidi contengono difetti di qualche tipo e spesso questi hanno grande influenza su proprietà come la conduttività elettrica, la resistenza meccanica e la reattività chimica