Lo stato solidoLo stato solido

Solido: qualsiasi corpo rigido e incomprimibile che ha forma e volume propri

Solidi

amorfi

cristallini

Cella elementare: la più piccola porzione del reticolo cristallino che ne possiede tutte le caratteristiche geometriche e che, ripetuta nelle tre direzioni dello spazio, genera l’intero cristallo

γ βα

X

Y

Z

a

bc

α = βγ

angolo nel piano YZ= angolo nel piano XZ= angolo nel piano XY

Nodi: vertici della cella elementare

Reticoli di Bravais

7 gruppi o sistemi cristallografici:

Gruppo monometrico (a = b = c)

Gruppo dimetrico (a = b = c)

Gruppo trimetrico (a = b = c)

Cubico

EsagonaleTetragonaleTrigonale (o romboedrico)

RombicoMonoclinoTriclino

Sistema Primitivo (semplice)

Basi centrate

Corpo centrato

Facce centrate

Triclino (a≠b≠c) (α≠β≠γ≠90°)

Monoclino (a≠b≠c) (α=γ=90°≠β)

Rombico (a≠b≠c) (α=β=γ=90°) Trigonale (o romboedrico)(a=b=c) (α=β=γ≠90°)

Tetragonale (a=b≠c) (α=β=γ=90°)

Esagonale (a=b≠c) (α=β=90°, γ=120°)

Cubico (a=b=c) (α=β=γ=90°)

Reticolo Cubico Semplice (CS)

18 18⋅ =

Reticolo Cubico Corpo Centrato (CCC)

18 1 28⋅ + =

Reticolo Cubico Facce Centrate (CFC)

1 18 6 48 2⋅ + ⋅ =

Sostanze

monocristalline

policristalline (metalli)

Diamante (C puro)Quarzo (SiO2)Corindone (Al2O3)Rubino (corindone con Cr)Zaffiro (corindone con Ti e Fe)

Fenomeni particolari:

• polimorfismo • allotropia • isomorfismo

Poichè un’eventuale trasformazione da una fase solidaall’altra è spesso lentissima, una fase cristallina può esistereanche in condizioni in cui essa dovrebbe essere instabile: un tipico esempio è dato dal carbonio diamante e carboniografite. La reazione

Cdiamante → Cgrafite

a T ambiente e p=1atm ha ∆G < 0 e pertanto dovrebbeessere spontanea. In realtà il diamante non si trasforma in grafite in quanto la velocità di reazione è molto bassa.

La diffrazione dei raggi X

È stata utilizzata per dimostrare la struttura regolare dei solidi e l’esistenza in essi di un reticolo cristallino

Se i cristalli possiedono effettivamente la struttura regolare, possono costituire un reticolo di diffrazione delle dimensioni confrontabili con quelle dei raggi X (λ ≈ 1Å)

Sorgente RX CristalloZnS

Pellicolafotografica

Gli atomi di un cristallo sono disposti regolarmente nello spazio e possono essere considerati come giacenti su piani paralleli, detti piani reticolari(Bragg -teoria della riflessione)

monocromaticofascio di raggi X

dA

B

Cθ

θ

I fasci di raggi X riflessi da piani diversi compiono percorsi di differente lunghezza e quindi vi può essere interferenza. L’intensità del raggio riflesso varia con l’angolo di incidenza.

L’intensità del raggio riflesso è massima quando la differenza di percorso tra i raggi riflessi è uguale ad un numero intero di lunghezze d’onda:

CBBACBn 2=+=λ monocromaticofascio di raggi X

dA

B

Cθ

θθsin⋅= dCB

θλ sin2 ⋅= dn Legge di Bragg

n = numero intero (1, 2, 3, …)

Classificazione dei solidi

5 tipologie diverse di solidi:

• Solidi ionici• Solidi covalenti• Solidi molecolari• Solidi metallici• Strutture a strati o a catene

Solidi ionici:

sono costituiti da un insieme di ioni di segno opposto tenuti uniti da forze di natura elettrostatica

Cl-

Na+

numero di coordinazione = numero di ioni di segno opposto che circonda lo ione considerato

Caratteristiche dei solidi ionici:

- elevata energia di coesione (energia necessaria perseparare gli ioni di carica opposta e per portarli allo statodi vapore)

- bassa volatilità: i solidi ionici hanno a temperatura

ambiente una bassa tensione di vapore - temperature di fusione piuttosto elevate - durezza abbastanza elevata - fragilità - scarsa conducibilità allo stato solido ed elevata

conducibilità allo stato fuso - elevata solubilità in acqua

Solidi covalenti:

le particelle costitutive sono legate tra loro mediante legami covalenti. Tipici solidi covalenti:

• il diamante

• la silice (SiO2)• il carburo di silicio (SiC)

Caratteristiche dei solidi covalenti: - elevata energia di coesione - scarsa volatilità (ovvero bassa tensione di vapore) - temperature di fusione molto elevate - fragilità - elevata durezza e bassa comprimibilità (il diamante ad

esempio occupa il 10° e ultimo posto nella scala delle durezze di Mohs)

- scarsa conducibilità elettrica (generalmente)

Solidi molecolari:

l’unità che si ripete nel reticolo è costituita da una molecola o da un atomo chimicamente identificabile. I legami che si formano tra le molecole sono dovuti a forze di van der Waals, cui si possono sovrapporre legami idrogeno.

Tipici esempi di solidi molecolari sono rappresentati da CO2 e I2, a bassa temperatura.

Caratteristiche dei solidi molecolari: - basse temperature di fusione - elevata volatilità - scarsa durezza ed elevata deformabilità - scarsa conducibilità elettrica

Solidi metallici:

gli atomi che li costituiscono sono tenuti assieme da legami di tipo metallico. Esempi: Ca, Na, K, Fe, Cr, Ag, Au, …

Caratteristiche dei solidi metallici: - elevata densità dovuta alla formazione di reticoli compatti - elevata conducibilità termica ed elettrica - lucentezza - duttilità - malleabilità - elevata temperatura di fusione (Hg: -39°C; W: +3390°C)

Strutture a strati o a catene:

sono strutture in cui sono presenti legami di tipo ionico o covalente in un piano (o anche solo lungo una direzione), mentre i piani reticolari (o le catene) così generate sono tenuti assieme da forze di van derWaals (in particolare forze di London).

Grafite: ha una struttura a strati con legami covalenti lungo un piano; i piani sono tenuti assieme da forze di London.

Caratteristiche della grafite:

- elevata conducibilità elettrica - facile sfaldabilità