LO STATO SOLIDO:

nel linguaggio scientifico

Sinonimo di stato cristallino

Stato cristallino: disposizione ordinata delle unità costitutive (atomi,molecole, ioni) che si

ripetono periodicamente nello spazio, quindi è possibile individuare sempre un

“motivo” che si ripete con regolarità lungo qualsiasi direzione

Tale regolarità ha conseguenze geometriche anche su scala macroscopica, determinando

la forma dei cristalli

Principio del massimo impacchettameno

è alla base della disposizione di atomi, molecole o ioni

in un sistema solido:

Le particelle tendono a disporsi nel modo più compatto possibile, cioè in

modo da ridurre gli spazi vuoti, per il principio di minima energia.

Principio del massimo impacchettameno:

Infatti ogni particella tende ad interagire con forze di attrazione col

maggior numero possibile di altre particelle. Maggiore è il numero di particelle che ne circondano una,

maggiore è il numero di interazioni attrattive cui esse danno luogo , e

quindi minore è l’energia del sistema

Mah….

Al principio di massimo impacchettamento si oppone.

• La direzionalità delle interazioni fra le particelle costituenti

• La forma non sferica delle particelle• Le diverse dimensioni degli ioni

positivi e negativi nei composti ionici

Strutture a massimo impacchettamento

Sfere in un piano a massimo impacchettamento:

Sfere in un piano NON a massimo impacchettamento:

Strutture a massimo impacchettamento

Aggiungiamo sfere sul piano di sfere precedente per avere un massimo impacchettamento:

1. Metto uno strato di sfere nelle cavità del primo strato di modo che ogni sfera del primo strato è in contatto con altre tre sfere

2. Metto altro strato di sfere in corrispondenza delle cavità sotto il primo e ci sono due modi possibili:

• Il centro delle sfere corrisponde al centro di una sfera dello strato piu’ superiore che ho messo• Il centro delle sfere corrisponde a una cavità dello strato piu’ superiore che ho messo

Massimo impacchettamento si ha quando ogni sfera è a contatto con altre 12 sfere

Strutture a massimo impacchettamento

Primo strato di sfere:

Strutture a massimo impacchettamento

Secondo strato di sfere:

Strutture a massimo impacchettamento

Esagonale compatto Cubico compatto oABAABA Cubico a facce centrate

ABCABC

Strutture NON a massimo impacchettamento

Cubico semplice o primitiva

Cubico a corpo centrato

Numero di coordinazione 8Numero di coordinazione 6

Cavità nelle strutture a massimo impacchettamento

Il numero delle cavità ottaedriche è uguale al numero delle sfereIl numero delle cavità tetraedriche è il doppioUn reticolo a massimo impacchettamento puo’ quindi essere visto come fatto dalla compenetrazione di 3 reticoli: quello delle sfere, quello delle cavità tetraedriche e quello delle cavità ottaedriche.

Strutture nei composti ionici

Di solito l’anione è più grande del catione e spesso la struttura di massimo impacchettamento è quindi determinata dall’impacchettamento degli anioni, mentre i cationi occupano le cavità tetraedriche o ottaedriche in modo ordinato, cioè: occupano tutte le cavità su un piano oppure le lasciano tutte vuote.

Il tipo di cavità occupate dipende dalle dimensioni relative dei cationi e anioni

Il numero di strati occupati dipende dal rapporto stechiometrico anioni/cationi nella formula del composto

Strutture nei composti ionici

Struttura cubica a facce centrate degli ioni cloruro (anche per Na+ ma non è massimo impacchettamento perché non si toccano). Quindi ciascun Cl- è a contatto con 12 Cl- in una cubica a facce centrate.Gli ioni sodio occupano tutte le cavità ottaedriche.Numero di coordinazione 6 per entrambi Cl- e Na+, in quanto ciascuno circondato da 6 Na+ e 6 Cl-, rispettivamente.

Strutture di sostanze molecolari

1. Costituite da molecole discrete: SOLIDI MOLECOLARI. Es. I2, O2, CH4, gas nobili, H2O

2. Solido in cui gli atomi sono legati tra loro con legami covalenti: SOLIDI CON STRUTURA COVALENTE POLIMERA. Es. C (grafite, diamante), SiC, BN

Solidi molecolari

La struttura del solido dipende dalla geometria delle molecole e dalla direzionalità più o meno accentuata dei legami o dalla loro adirezionalità. Le molecole tendono a disporsi seguendo il principio di massimo impacchettamento ma dall’altra parte le forze di interazione molecolare tendono a disporre le molecole di modo da rendere massima la loro interazione

Quindi:

Se molecole sferiche o assimilabili a sfere e le forze di interazione molecolare non direzionali ho struttura a massimo impacchettamento, es. He, H2 e N2 strutture esagonale compatteO2 , gli altri gas nobili e alogeni strutture cubiche compatte

Se molecole piu’ complesse ma interazioni molecolari adirezionali si possono ricondurre a strutture a massimo impacchettamento, Es. CH4 struttura cubico compatto

Se legami direzionali forti, strutture non compatte, Es. H2O

Solidi molecolari

Argon O2 I2

Solidi molecolari

H2S pero’ fa legami a H trascurabili e infatti ha una struttura a massimo impacchettamento degli atomi di zolfo allo stato solido

Struttura del ghiaccio

SOLIDI CON STRUTURA COVALENTE POLIMERA

Sono le eccezioni alla regola del massimo impacchettamento perche’ ho legami covalenti direzionali, quindi….

La massima stabilità del solido è raggiunta quando gli atomi formano il numero massimo possibile di legami covalenti e non quando sono circondati dal maggior numero possibile di altri atomi

Es. diamante, SiC e BN hanno tutti stessa struttura

SOLIDI CON STRUTTURA COVALENTE POLIMERA

A

B

A

numero di coordinazione 4 numero di coordinazione 3

Polimorfismo: sostanze che cristallizzano in modi diversi, ma con stessa formula chimica. Allotropia: sostanze elementari diverse per formula chimica o struttura cristallina aventi lo stesso stato di aggregazione

Strati tenuti insieme da forze tipo van der Waals

Strati fatti di C legato con legami covalenti

Proprietà dei SOLIDI DUREZZA . È la resistenza alla scalfitura con un punzone e dipende dall’energia di legame. Più forte è più duro è.

FRAGILITA’. La possibilità di frattura di un cristallo per azioni di sollecitazioni meccaniche esterne, es. slittamento di atomi o molecole lungo un piano di cristallo. Dipende dalla direzionalità del legame nel solido. Più direzionale è, più fragile è.

Solidi covalenti polimeri e solidi ionici sono duri e fragili. Non conducono elettricità.

Solidi covalenti polimeri costituiti da strati o catene di atomi tenuti insieme da forze di van der Waals sono meno fragili dei solidi covalenti polimeri tipo diamante. Possono condurre elettricità.

Solidi molecolari sono poco duri e non sono fragili. Solidi molecolari con legami a idrogeno sono pero’ piu’ duri e piu’ fragili. Non conducono elettricità.