LO STATO SOLIDO. Caratteristiche e proprietà dei solidi

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LO STATO SOLIDO

Caratteristiche e proprietà dei

solidi

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CARATTERISTICHE COMUNI DEI SOLIDI



Incompressibilità



Rigidità



Forma definita

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Solidi cristallini e solidi amorfi

Solidi cristallini

 particelle disposte regolarmente nello spazio

 isotropia

 punto di fusione ben definito

Solidi amorfi

 disposizione

disordinata delle particelle

 anisotropia

 punto di fusione non ben definito

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SOLIDI AMORFI = LIQUIDI

I solidi amorfi sono

in realtà dei liquidi

ad elevata viscosità

Un cristallo è costituito da particelle che si ripetono nello spazio

tridimensionale

e sono ordinate secondo precise regole di

SIMMETRIA.

I solidi le cui particelle costitutive (atomi, ioni,

molecole) sono

“impacchettate” in modo regolare si dicono

cristallini.

Il CRISTALLO è un insieme tridimensionale di particelle che si ripetono regolarmente

nello spazio.

La struttura dei solidi cristallini è

rappresentata mediante RETICOLI: sistema

di nodi ripetuti ordinatamente nello spazio in

tre dimensioni.

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La cella elementare

“la più piccola unità ripetitiva di una struttura

cristallina in 3D che mostra l’intera simmetria della struttura”

La cella elementare è una scatola con:

• 3 lati - a, b, c

• 3 angoli - , , 

Esistono 4 tipi di cella elementare:

primitivo P, corpo centrato I, facce centrate F, lati centrati C.

7 sistemi cristallini tridimensionali da cui derivano i 14 reticoli

bravaisiani.

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 Sette sistemi di celle elementari

• Cubica a=b=c ===90°

• Tetragonale a=bc ===90°

• Ortorombica abc ===90°

• Monoclinica abc ==90°,   90°

• Triclinica abc     90°

• Esagonale a=bc ==90°, =120°

• Romboedrica a=b=c ==90°

I reticoli di Bravais

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Celle

elementari

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Celle Cubiche

 Esempi di celle cubiche

Cristallo di NaCl

Cristallo di CsCl

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CLASSIFICAZIONE DEI SOLIDI CRISTALLINI



Solidi ionici



Solidi covalenti



Solidi molecolari



Solidi metallici

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Caratteristiche dei solidi ionici

 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

Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi ionici si alternano, con regolarità, ioni positivi e negativi

Esempi: Cloruro di sodio,ossidi

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La conducibilità 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

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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.

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Caratteristiche dei solidi covalenti

 Temperatura di fusione molto alta

 In generale grande durezza

 Isolanti o semiconduttori

 Insolubili in acqua

Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi covalenti sono presenti gli atomi legati con legame covalente

Esempi:silice,diamante

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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.

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21

Cella elementare del diamante

d

= 154 pm

d (diamante) = 3.52 g/cm

(sistema cubico)

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Struttura della grafite

(sistema esagonale)

340 pm

d (grafite) = 2.25 g/cm

d

= 142 pm

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23

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Fullereni

C

I fullereni sono strutturalmente simili alla grafite, la quale si costituisce di anelli esagonali collegati tra loro su un piano, ma si differenziano per alcuni anelli di forma

pentagonale (o a volte eptagonale) che impediscono una struttura planare

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25

Grafene e Nanotubi

Grafene

Il grafene è costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore

equivalente alle dimensioni di un solo atomo).

Il corpo di un nanotubo è formato da soli esagoni, mentre le strutture di chiusura sono formate da esagoni e pentagoni, esattamente come i

fullereni

Nanotubo

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Caratteristiche dei solidi molecolari

 Temperatura di fusione bassa

 Scarsa durezza

 Alta tensione di vapore

Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi molecolari sono presenti molecole legate con deboli legami intermolecolari

Esempi: ghiaccio, iodio, naftalina

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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.

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Caratteristiche dei solidi metallici

 Temperatura di fusione generalmente alta

 Elevata densità

 Buona conducibilità termica ed elettrica

 Lucentezza al taglio

Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi metallici sono presenti ioni positivi legati da legame metallico. Il reticolo è avvolto dalla nuvola elettronica

Esempi: sodio, ferro, rame

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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.

I Liquidi

Proprietà dei liquidi

I Liquidi

• I liquidi non sono comprimibili e hanno un volume proprio

• In equilibrio con i liquidi è sempre presente

la fase vapore. La pressione esercitata da

un vapore è chiamata tensione di vapore

Andamento della tensione di vapore in funzione della temperatura

Temperature di Ebollizione ad 1 atm

La tensione superficiale è una proprietà dei fluidi che opera lungo la

superficie di separazione (interfaccia) tra il fluido stesso ed un materiale di un'altra natura, ad esempio un solido, un liquido o un gas. Dal punto di vista termodinamico può essere definita come il lavoro per unità di area richiesto per formare una nuova superficie.

Forte forza intermolecolare

Alta tensione superficiale

Liquidi e Tensione di Superficie

Proprietà dei Liquidi

Le azioni attrattive tra le molecole di un liquido (le forze di coesione) fanno sì che le molecole dello strato superficiale siano soggette ad una forza risultante non nulla che tende a farle spostare verso l'interno; esse pertanto tendono a sfuggire dalla superficie limite del liquido e di conseguenza questa tende ad assumere l’estensione minima possibile (in assenza di altre forze, la superficie minima, è quella sferica).

Coesione

non è più sufficiente considerare le sole forze di coesione, in quanto la presenza di un altro corpo ha influenza sui valori della tensione, nel senso che le molecole di questo

svolgono anch'esse delle azioni (le forze di adesione) sulle molecole dello strato superficiale del liquido.

Proprietà dei Liquidi

Adesione

Liquidi e tensione superficiale