Riducendo l’agitazione termica  legami tra molecole più stabili I legami fra molecole nei liquidi non sono forti ed esse possono fluire. Riducendo l’agitazione termica  legami tra molecole più stabili formazione una massa rigida. Una disposizione ordinata delle molecole in queste condizioni è più probabile di una casuale, perché corrisponde a una minore energia. Architettura ordinata di molecole stato solido cristallino.

Non tutte le sostanze solide hanno struttura ordinata: vetro comune ha elevata durezza, ma, a differenza di un cristallo di NaCl, si frattura in modo irregolare. Ciò è dovuto al fatto che il vetro è costituito da macromolecole di SiO2 disposte in modo casuale. La disposizione disordinata presente fa sì che ci si riferisca ai vetri come a dei liquidi sovraraffreddati, Sono invece comunemente chiamati solidi amorfi quei materiali non fluidi che presentano un altissimo grado di disordine

Sostanza amorfa Sostanza cristallina

Molte proprietà dipendono da quantità scalari e non sono influenzate dalla direzione nel cristallo (come la densità = massa/volume); sono cioè isotrope. Altre grandezze, come la conducibilità elettrica la durezza, dipendono dalla direzione di applicazione, sono anisotrope. In un reticolo tridimensionale i tre parametri di ripetizione a, b e c lungo le direzioni x, y e z rispettivamente, formanti gli angoli fra gli assi a, b e g, definiscono un parallelepipedo che viene detto cella elementare (nella letteratura scientifica anglosassone unit cell, cella unitaria).

Periodicità  Simmetria Cella elementare (tridimensionale) Nodi: punti immateriali che rappresentano un “motivo” che si ripete nel cristallo. Un nodo può essere associato ad un punto qualsiasi del “motivo” che si ripete, purché sia lo stesso per tutti i motivi. Maglie elementari (bidimensionali) Periodicità  Simmetria

Celle elementari primitive dei 7 sistemi cristallini

Le facce di un cristallo corrispondono ai piani reticolari su cui vi è il massimo addensamento di materia (atomi, ioni o molecole)

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Rappresentazione di 4 tipi di sostanze

nodi

Cristalli metallici Strutture compatte (60% dei metalli)

Fe Fe

I cationi solitamente occupano le cavità Cristalli ionici Cubica semplice Cubica a corpo centrato Cubica a corpo centrato I cationi solitamente occupano le cavità

Tre tipi di reticoli in cristalli ionici

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

Solidi a reticolo covalente Sono altofondenti Insolubili in tutti i solventi Pessimi conduttori di elettricità (ecc. grafite) Es. SiO2, diamante, grafite

Cristalli covalenti Diamante Grafite Direzionalità dei legami, elevata durezza, alto punto di fusione, isolanti (o semiconduttori)

Struttura cristallina del quarzo 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

Cristalli molecolari I2 Ghiaccio

Le tecniche di indagine principali dello stato solido che permettono una descrizione a livello atomico della struttura dei solidi sono i metodo di indagine diffrattometrici (principalmente la diffrazione di raggi X) e microscopici (specialmente la microscopia elettronica) sono : Diffrattometria a raggi X ESR (electron spin resonance) NMR (nuclear magnetic resonance) XRF (Xray fluorescence) Sono inoltre estesamente usate le tecniche di microscopia per lo studio della morfologia. In particolare: SEM (microscopia elettronica a scansione, per l'analisi della morfologia superficiale) TEM (microscopia elettronica in trasmissione, per lo studio della morfologia cristallina a bassa risoluzione) AFM (microscopia a forza atomica, per la caratterizzazione dettagliata di superfici) Infine, vengono regolarmente utilizzate, nel campo della ricerca sia di base che applicata, tecniche volte a caratterizzare proprietà macroscopiche di campioni allo stato solido: Termogravimetria DSC (Calorimetria a scansione differenziale) Conduttimetria Voltammetria