Il legame nei solidi cristallini

Presentazione sul tema: "Il legame nei solidi cristallini"— Transcript della presentazione:

1 Il legame nei solidi cristallini
Solidi molecolari Solidi ionici Solidi covalenti Solidi metallici Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

2 1 – Solidi molecolari Costituiti da molecole discrete con
forti legami (intra - molecolari) tra atomi della stessa molecola e deboli legami (inter - molecolari) tra molecole differenti. Esempi: gas nobili, molecole organiche, N2, H2, C6H6, … Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

3 Benzene solido Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

4 CO2 solida Ghiaccio “normale”
Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

5 1 – Solidi molecolari Sono per vari aspetti i solidi meno tipici.
L’energia di coesione dipende essenzialmente dal volume della molecola (se ci sono solo interazioni Van der Waals). Le proprietà (es.: spettroscopiche) non sono molto differenti da quelle della molecola in fase gassosa o liquida. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

6 2 – Solidi ionici Costituiti da ioni discreti.
Elevata energia di coesione (molto maggiore che nei solidi molecolari) che dipende (quasi) soltanto dalle interazioni elettrostatiche. Dipende (fortemente) dalle cariche (ad esempio: molto maggiore per CaO che per NaCl). Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

7 2 – Solidi ionici Esempi: alogenuri alcalini (NaCl, KCl, …), ossidi alcalino-terrosi (MgO,CaO, …). Le “molecole” NON esistono: c’è un’unità stechiometrica solamente formale, che corrisponde a parte o tutta la cella elementare. Si realizzano strutture compatte (una volta tenuto conto del vincolo dovuto alla presenza di due o più sotto-reticoli), importanza del concetto di raggio ionico. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

8 3 – Solidi covalenti Atomi chimicamente “simili” uniti da forti legami omopolari (o quasi omopolari). Sono generalmente i solidi con legame più forte. Esempi: C (diamante), Si, Ge, AsGa, SiO2. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

9 3 – Solidi covalenti Le “molecole” NON esistono: c’è un’unità stechiometrica solamente formale, che corrisponde a parte o tutta la cella elementare. La struttura è controllata dalla geometria del legame covalente (solitamente: NON è la struttura più compatta possibile). Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

10 4 – Solidi metallici NON esiste un chiaro analogo molecolare: il confronto più appropriato è con il legame p delocalizzato delle molecole coniugate organiche (“metalli molecolari”). Il carattere fortemente delocalizzato del legame metallico e l’interazione di un enorme numero di atomi producono proprietà che non esistono (o esistono solo in modo estremamente limitato e in pochi casi) nelle molecole discrete (ad esempio: la conducibilità elettrica metallica). Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

11 4 – Solidi metallici Esempi: la maggio parte degli elementi, MIGLIAIA di composti intermetallici. Le “molecole” NON esistono: c’è un’unità stechiometrica solamente formale, che corrisponde a parte o tutta la cella elementare. La struttura è controllata dalla foma della superficie di FERMI (frequentemente si realizzano strutture compatte). Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

12 Casi misti o intermedi Ionico / covalente
Il legame è intermedio per varie ragioni (scarsa differenza di elettronegatività, elevata carica formale degli ioni, stato di ossidazione poco comune di un atomo). Es: CdS, TiO2, ZrO2, CsAu (~ Cs+Au-). Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

13 Ionico + covalente Sono presenti entrambi i tipi di legame:
Ioni poliatomici formati da legami covalenti (quasi puri), Anioni e cationi legati da legami ionici. Esempi: CaCO3, Na2SO4, NH4Cl. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

14 Covalente + metallico + VdW
Caso tipico: grafite. Strati di C legati da Legami (s-sp2) covalenti puri forti ed essenzialmente localizzati (s-sp2) + Legami più deboli e ampiamente delocalizzati (“metallici”) di tipo p. I legame tra strati sono dovuti a deboli interazioni VdW. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

15 Ionico + metallico Ossidi di metalli di transizione in bassi stati di ossidazione. Gli elettroni in eccesso rispetto ad una struttura puramente ionica riempiono parialmnte una banda di conduzione cfr oltre) Excess electrons with respect to a purely ionic (insulator-like) band structure partially fill a conduction band. NbO, TiO, ReO3. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS

16 Ionico + metallico + VdW
Esempio: ZrCl. Struttura a strati (…| Zr | Cl | Cl | Zr | Zr | Cl | Cl | Zr | …). Interazioni metalliche Zr-Zr (in ciascun strato Zr e tra strati Zr adiacenti), Interazioni ioniche tra uno strato Cl e uno strato Zr. Interazioni VdW entro e tra strati Cl. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile IUSS