Chimica inorganica - parte 2

Stati della materia

Stato solido

Nel stato solido, l'energia di legame è maggiore di quella cinetica, quindi ha una forma propria e volume, ed è incomprimibile e rigido. È caratterizzato dalla presenza del reticolo cristallino con unità di formazione note come celle elementari. Le temperature di fusione sono definite e si possono trovare moti oscillatori.

• Solidi ionici: Si formano quando due ioni si legano tramite legame ionico, creando un reticolo in cui ogni nodo è costituito da vari ioni. Questa struttura è stabile e una volta che le componenti si legano, si verifica una diminuzione di energia rispetto a quando sono separati. Per rompere il reticolo è necessaria l'energia reticolare, che dipende dalla natura degli ioni, aumenta con la carica e con la diminuzione delle dimensioni. Presentano temperature di ebollizione elevate e sono cattivi conduttori allo stato solido, ma buoni allo stato liquido, e sono fragili.
• Non tutti i solidi sono cristallini. Se si rompe un vetro, si formano pezzi con conformazioni diverse perché la struttura del vetro è fatta da molecole aggrovigliate tra loro, senza struttura cristallina. Sono considerati solidi amorfi, quasi come fossero liquidi (privi di forma e senza cristallino). Per formare un solido cristallino, il vetro dovrebbe fondersi, le molecole districarsi e allinearsi secondo schemi ordinati.
• Solidi metallici: I nodi reticolari sono costituiti da ioni positivi metallici e immersi in un "mare di elettroni". Sono buoni conduttori e malleabili, poiché un taglio su una parte sottile può deformarsi senza rompere i legami grazie al mare di elettroni. Questi solidi possono essere divisi in conduttori, semiconduttori e isolanti. Secondo la teoria delle bande, il sodio ha un elettrone nel livello esterno s. Se si lega a un altro sodio, gli orbitali si fondono e, aggiungendo un terzo atomo e così via, si forma un grande orbitale molecolare diviso in due parti: una con orbitali a bassa energia (rosso) e una con orbitali ad alta energia (blu). Aumentando gli atomi di sodio, aumenta anche il numero delle bande. Quando si arriva a un numero di Avogadro di atomi di sodio, ci sono tante bande da avere un numero indefinito di bande di valenza (con elettroni) e bande di conduzione (senza elettroni). Nei conduttori, la presenza della banda di conduzione permette agli elettroni di passare dalla banda di valenza all'altra, facendo un salto di energia quando c'è un campo elettrico vicino, quindi possono trasportare corrente. Nei conduttori, la banda vuota è vicina o sovrapposta a quella di valenza; negli isolanti, sono molto lontane e c'è un gap importante di energia, quindi anche con un campo elettrico gli elettroni non riescono a spostarsi nella banda vuota. Nei semiconduttori, il gap è più piccolo, le bande non si sovrappongono ma gli elettroni possono passare alla banda vuota, anche se con minore energia rispetto ai conduttori.
• Solidi molecolari: I nodi reticolari sono occupati da molecole e non da ioni. In questo caso, le forze che mantengono la struttura cristallina sono elettrostatiche. Hanno basse temperature di fusione, non sono duri e non sono conduttori.
• Solidi covalenti: I nodi reticolari sono occupati da atomi legati con legame covalente. Hanno alti punti di fusione, sono duri e insolubili in acqua o altri solventi, sono isolanti termici ed elettrici, ma non tutti. Il diamante è formato da atomi di carbonio legati tra loro con ibridazione sp³. Ogni atomo di carbonio si trova al centro di un tetraedro ed è legato covalentemente ad altri quattro atomi di carbonio. Non è un buon isolante termico a causa delle vibrazioni nella struttura. Il carbonio grafite deriva dal carbonio e ha ibridazione sp². Si formano lamine interposte una sopra l'altra, con ogni atomo di carbonio legato ad altri tre formando strutture esagonali su piani paralleli. È un buon conduttore perché l'ibridazione sp² garantisce un elettrone libero. La silice è formata da legami covalenti tra ossigeno e silicio, risultando in una macromolecola.

Stato gassoso

Nel stato gassoso, l'energia cinetica è maggiore dell'energia di legame. Questo stato è caratterizzato da maggior disordine, con particelle che si muovono in continuazione occupando tutto il volume a loro disposizione. Il gas ha una bassa viscosità, senza forma e volume propri, ed è comprimibile.

In una prima trattazione, i gas saranno detti "ideali" e regolati da varie leggi che dipendono da particolari proprietà dei gas costituenti.

• Proprietà estensive (dipendono dalla quantità di materia): massa e volume.
• Proprietà intensive (non dipendono dalla quantità di moto): temperatura e pressione. La pressione è il rapporto fra la forza e la superficie su cui essa agisce ed è l'effetto macroscopico degli urti delle particelle di gas, si misura in Pascal. La temperatura è la capacità di un corpo di trasferire calore a un altro corpo.

Un gas ideale ha particelle senza interazioni tra loro, quindi non c'è né attrazione né repulsione. Le particelle sono puntiformi (V=0, trascurabile rispetto al volume totale), in moto continuo e gli urti fra esse e con il recipiente sono elastici.

• Legge di Boyle: PV = k a T costante. P e V sono inversamente proporzionali (curva: ramo di iperbole).
• Legge di Charles: V/T = k a P costante. V e T sono direttamente proporzionali.
• Legge di Gay-Lussac: P/T = k a V costante. P e T sono direttamente proporzionali.

Principio di Avogadro: il volume molare è 22,414 e corrisponde a quello occupato da una mole di qualsiasi gas in condizioni standard (1 atm e 0°C), contenente un numero di Avogadro di molecole.

L'equazione di stato dei gas ideali, PV = nRT, può essere applicata anche alle miscele di gas secondo la legge delle pressioni parziali di Dalton, secondo cui la pressione totale di una miscela è data dalla somma delle pressioni che ciascun gas eserciterebbe se presente da solo. In natura non esistono gas ideali, ma gas reali che hanno interazioni fra le particelle.