I legami chimici e i solidi che ne derivano

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© 2012 Cristian Lucisano Editore • LE BASI DI CHIMICA - Mattia Donelli

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I legami chimici e i solidi che ne derivano

Le proprietà della materia, ﬁ siche e chimiche, sono la diretta conseguenza dei legami che tengono insieme le particelle (atomi, ioni o molecole) che la costituiscono.

La materia, in generale, si trova nello stato solido quando, in presenza di legami abbastanza forti e in nor- mali condizioni di temperatura e pressione, le forze che uniscono le particelle sono maggiori rispetto all’agi- tazione termica che tenderebbe ad allontanarle. Nei solidi, infatti, le particelle sono praticamente ferme, a parte piccole oscillazioni attorno alle posizioni di equilibrio.

Le caratteristiche della struttura microscopica permettono di classiﬁ care i solidi in due categorie: solidi cristallini e amorﬁ .

Nei solidi cristallini le particelle sono disposte in modo molto ordinato, sviluppando una struttura tri- dimensionale dalla geometria regolare, detta reticolo cristallino.

Il quarzo è un minerale a base di silice classiﬁ cato come solido cristallino. La sua struttura microscopica è regolare (reticolo cristallino).

Questa struttura ordinata conferisce ai solidi cristallini caratteristiche molto particolari. Le proprietà ﬁ siche, come la sfaldatura, la conducibilità elettrica e termica, la velocità di crescita dei cristalli, assumono valori diversi secondo la direzione in cui sono misurate (proprietà anisotrope).

Un tipico esempio di anisotropia è rappresentato dal minerale graﬁ te: in esso la conducibilità elettrica varia drasticamente a seconda che venga misurata lungo i piani di sfaldatura o in direzione perpendicolare. La stessa sfaldabilità è una proprietà anisotropa.

Il minerale graﬁ te.

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I legami chimici e i solidi che ne derivano

I solidi cristallini presentano punti ﬁ ssi di fusione, cioè, passano bruscamente allo stato liquido a una ben determinata temperatura.

Nei solidi amorﬁ , abbastanza rari in natura, le particelle si dispongono secondo una struttura ordinata solo per limitate porzioni di spazio; complessivamente, l’assetto delle particelle è molto caotico, quasi come nei liquidi. I solidi amorﬁ , infatti, sono anche chiamati “liquidi ad altissima viscosità”.

Le principali caratteristiche di questi solidi sono la presenza di un intervallo di fusione e l’isotropia. Essi, infatti, non passano allo stato liquido a una ben determinata temperatura, ma prima rammolliscono e poi fondono in un intervallo di temperature. Inoltre, la misurazione delle proprietà ﬁ siche (ottiche, meccaniche ed elettriche) produce lo stesso valore in qualsiasi direzione essa sia eseguita (proprietà isotrope).

Il vetro è un esempio di solido amorfo. La sua struttura microscopica è disordinata.

La classiﬁ cazione dei solidi cristallini

In base al tipo di legame che unisce le particelle di cui sono costituiti, i solidi cristallini possono essere clas- siﬁ cati in:

– covalenti – ionici – metallici

– molecolari. Solidi

Ionici Covalenti Metallici

Amorfi

Molecolari

Cristallini

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I solidi covalenti presentano un reticolo tridimensionale di legami covalenti fra gli atomi. Per rompere i forti legami reticolari è richiesta molta energia; se il legame è covalente puro, come nel diamante, l’energia è davvero molto grande: ecco perché le proprietà ﬁ siche di questo minerale sono particolarmente elevate.

In generale, i punti ﬁ ssi di fusione dei solidi covalenti sono molto alti e le interazioni con qualsiasi solvente sono più deboli di quelle di quelle presenti tra gli atomi all’interno del cristallo, rendendoli perfettamente insolubili. Inoltre, gli elettroni di legame sono ben localizzati tra le coppie di atomi, di conseguenza, la con- ducibilità termica ed elettrica è praticamente annullata.

Riassumendo, i solidi covalenti presentano elevato punto di fusione ed elevata durezza; sono ottimi isolanti elettrici e termici e sono insolubili. Il quarzo e il diamante ne sono tipici esempi.

I solidi ionici sono costituiti dalla successione nel reticolo cristallino di ioni di carica opposta. L’assenza di elettroni liberi rende i solidi ionici cattivi conduttori elettrici e termici, pertanto trovano importanti ap- plicazioni come isolanti e, in particolari casi, come semiconduttori. Tuttavia, allo stato fuso e in soluzione acquosa, gli ioni, che prima erano intrappolati in una struttura rigida, sono liberi di muoversi e di traspor- tare la corrente elettrica.

Grazie ai legami molto forti tra gli ioni che li costituiscono, i solidi ionici sono caratterizzati da alte tempe- rature di fusione e da una bassa reattività chimica.

La sequenza regolare e alternata di ioni positivi e negativi assicura un’elevata stabilità a tutto il solido, ma rappresenta al tempo stesso causa di grande fragilità. Infatti, la presenza di forze che tendono a far scorrere tra loro i piani del reticolo cristallino avvicina gli ioni della stessa carica, generando forze repulsive tra di essi, quindi, fratture nel cristallo.

La grande fragilità dei solidi ionici è determinata dalla bassa resistenza del reticolo cristallino a forze di scorri- mento tra i piani.

I minerali salgemma (NaCl) e ﬂ uorite (CaF

₂

) sono esempi di solidi ionici.

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I solidi metallici sono costituiti da atomi legati per mezzo di legame metallico. I materiali metallici pre- sentano elevata densità, duttilità e malleabilità. La durezza è, invece, variabile: ci sono metalli molto teneri, come l’oro, altri durissimi, come l’iridio.

I solidi metallici sono insolubili (a meno di particolari interazioni con il solvente), mostrano una tipica lu- centezza e sono ottimi conduttori elettrici e termici. La grande libertà di movimento degli elettroni, che si spostano attraverso tutto il reticolo dei solidi metallici, è responsabile della grande conducibilità termica ed elettrica. Anche le proprietà plastiche, come la malleabilità (capacità di essere ridotti in lamine) e la duttilità (capacità di essere ridotti in ﬁ li), sono dovute alla particolare struttura: le distorsioni del reticolo, infatti, non producono forze repulsive tra gli ioni positivi, in quanto gli elettroni di valenza spostandosi riescono a equilibrare le interazioni tra ioni di segno opposto.

I solidi molecolari sono costituiti da molecole legate tra loro da legami deboli. Essi presentano tempera- ture di fusione generalmente molto basse, sono scarsi conduttori di elettricità e possono avere solubilità in acqua variabile in base alle caratteristiche delle molecole che li costituiscono. Presentano inoltre una bassa durezza. Esempi di solidi molecolari sono il ghiaccio e lo iodio (I

₂

).

Il ghiaccio è un tipico esempio di solido molecolare in cui le molecole d’acqua sono unite tra loro mediante legami a idrogeno. Gli spazi vuoti presenti nella struttura conferiscono al ghiaccio una densità minore rispetto all’acqua liquida.

I solidi metallici sopportano bene le forze di scorrimento tra i

piani del reticolo grazie al “mare di elettroni” che avvolge gli

ioni positivi metallici. A sinistra, lavorazione del ferro battuto.