Stato solido

Stato solido

Solido = corpo rigido e incomprimibile, ha forma e volume propri.

Amorfi: struttura microscopica disordinata, come liquidi ad altissima viscosità (es. vetro).

Isotropi = proprietà fisiche uguali in ogni direzione.

Cristallini: struttura ordinata (reticolo cristallino), forma geometrica precisa.

Anisotropi (generalmente).

Cella elementare = più piccola porzione del reticolo cristallino che ne possiede ogni caratteristica; ripetuta genera l’intero cristallo.

Reticoli cristallini: 14 tipi

Triclino
a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 90°

Monoclino
a ≠ b ≠ c
α = γ = 90° ≠ β
+ basi centrate

Rombico
a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90°
+ basi centrate
+ corpo centrato
+ facce centrate

Trigonal (romboedrico)
a = b ≠ c
α = β = γ ≠ 90°

Tetragonale
a = b ≠ c
α = β = γ = 90°
+ corpo centrato

Esagonale
a = b ≠ c
α = β = 90° ≠ γ = 120°

Cubico
a = b = c
α = β = γ = 90°
+ corpo centrato
+ facce centrate

Stato solido

Solido = corpo rigido e incomprimibile.

Ha forma e volume propri.

Amorfo: struttura microscopica disordinata, come liquidi ad altissima viscosità (es. vetro).

Isotropi = proprietà fisiche uguali in ogni direzione.

Cristallini: struttura ordinata (reticolo cristallino), forma geometrica precisa.

Anisotropi (generalmente).

Cella elementare = più piccola porzione del reticolo cristallino che ne possiede ogni caratteristica; ripetuta genera l'intero cristallo.

Reticoli cristallini: 14 tipi (reticoli di Bravais)

Triclino
a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 90°

Monoclino
a ≠ b ≠ c
α = γ = 90° ≠ β
+ basi centrate

Rombico
a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90°
+ basi centrate
+ corpo centrato
+ facce centrate

Trigonal (romboedrico)
a = b ≠ c
α = β = γ ≠ 90°

Tetragonale
a = b ≠ c
α = β = γ = 90°
+ corpo centrato

Esagonale
a = b ≠ c
α = β = 90° ≠ γ ≠ 120°

Cubico
a = b = c
α = β = γ = 90°
+ corpo centrato
+ facce centrate

Particelle che appartengono alla cella elementare

Cubico semplice

8 particelle sono sui nodi della cella elementare, ma appartiene in tutto ad 8 celle (quelle che hanno la particella come nodo).

=> 8 · (1/8) = 1

Cubico corpo centrato

8 sui nodi; + 1 al centro.

Le 8 sui nodi: 1/8 (vedi sopra).

Quella al centro: solo questa cella.

8 · (1/8) + 1 = 2

Cubico facce centrate

8 sui nodi + 6 sulle facce.

Nodi: 1/8 (vedi sopra).

Facce: 1/2 (condivise fra 2 celle).

=> 8 · (1/8) + 6 · (1/2) = 4

Massa volumica della cella elementare

d = m / V

m = (M_t · Z) / N_a => d = (Z · M_t) / (N_a · V)

Policristalli e monocristalli

Policristalli = costituiti da regioni singolarmente ordinate (cristalli) orientate nel solido in modo casuale.

Es. metalli.

Monocristalli = costituiti da una sola regione ordinata.

Diamante (C), quarzo (SiO₂), corindone (Al₂O₃).

• Cromo: rubino.
• Titanio/Ferro: zaffiro.

Polimorfismo e allotropia

Polimorfismo = sostanze (polimorfe) in condizioni diverse danno solidi cristallini con diverse strutture reticolari.

Allotropia = strutture (allotropiche) diverse composte dalla stessa specie.

Es. Carbonio: diamante (cub.) e grafite (esag.).

Stabili in condizioni diverse.

Proprietà fisiche diverse.

Una fase cristallina può esistere in condizioni in cui dovrebbe essere instabile, perché la trasformazione da una fase solida all'altra è lentissima (es. diamante → grafite).

Legge di Bragg

Teoria della riflessione: gli atomi di un cristallo sono disposti regolarmente nello spazio, giacenti su piani paralleli (piani reticolari) → raggi X incidenti un cristallo vengono diffratti (in modo diverso in base all'angolo di incidenza).

Classificazione dei solidi

Solidi ionici

Ioni di segno opposto, uniti da forze elettrostatiche.

• Elevata energia di coesione.
• Bassa volatilità (bassa tensione di vapore).
• Durezza elevata.
• Elevata solubilità.

Numero di coordinazione = ioni di segno opposto che circondano lo ione considerato.

CsCl, CsBr: 8 ioni con dimensioni simili.

TlCl.

NaCl, NaI: 6.

ZnS, BeO: 4.

Solidi covalenti

Le particelle sono legate attraverso legami covalenti (es. diamante).

• Elevata energia di coesione.
• Scarsa volatilità.
• Temperature di fusione elevate.
• Elevata durezza, scarsa comprimibilità.
• Fragilità (legami fortemente direzionali).

Solidi molecolari

L'unità che si ripete è una molecola o un atomo; i legami sono dovuti a forze di van der Waals.

• Bassa temperatura di fusione.
• Elevata volatilità.
• Scarsa durezza.
• Deformabilità.

Solidi metallici

Gli atomi danno legami di tipo metallico.

• Reticoli compatti => elevata densità.
• Elevata conducibilità.
• Duttilità, malleabilità.
• Alta temperatura di fusione.

Strutture a strati e a catene

Legami ionici/covalenti in un piano generano i piani reticolari (o le catene).

Fra i diversi piani ci sono forze di van der Waals.

• Elevata conducibilità elettrica.
• Elevata sfaldabilità.

Es. grafite.

Atomi di carbonio disposti ai vertici di esagoni regolari.

Ibridazione sp² => legami σ e π; π delocalizzati sul piano reticolare, a causa della sovrapposizione laterale di orbitali p con asse di simmetria perpendicolare al piano.

Soluzioni solide

Per sostituzione: in un reticolo, alcuni atomi o ioni vengono sostituiti da quelli di un elemento diverso.

Questo elemento deve avere dimensione simile (differenza del raggio <15%) e configurazione elettronica simile a quello sostituito.

Per intrusione: atomi di piccole dimensioni (H, B, C, O, N) si inseriscono nel reticolo cristallino di un altro elemento (solitamente un metallo).

Difetti strutturali nei solidi

Influenzano (anche in modo rilevante) sulle proprietà del cristallo.

Difetti di punto

• Lacune/vacanze: mancanza di una particella in una posizione determinata.
• Atomi autointerstiziali: trovano posto nelle cavità fra gli altri atomi.
• Impurezze sostituzionali: degli atomi estranei sostituiscono alcuni atomi del reticolo.
• Impurezze interstiziali: atomi estranei si inseriscono nelle cavità fra atomi del reticolo.

Lacune interstizi

Composti non stechiometrici = diverso rapporto fra gli atomi di un elemento e dell'altro.

Se c'è vacanza di un catione, per mantenere la neutralità quelli vicini aumentano la propria carica positiva.

In realtà i composti non stechiometrici sono più di quelli stechiometrici.

Es. Ni_0,97O₁.

Nei cristalli ionici

O catione.

O anione.

Centro F: manca un anione, eccesso locale di carica positiva => un elettrone migra fino al sito della lacuna e prende il posto dell'anione.

Difetto di Frenkel

Uno ione si sposta dalla posizione reticolare e va in una interstiziale.

Difetto di Schottky

Mancano contemporaneamente un anione e un catione.