LO STATO SOLIDO Lo stato solido rappresenta uno dei tre stati di aggregazione della materia Nello stato solido le forze attrattive tra le particelle (ioni, atomi, molecole) prevalgono largamente sull effetto dell agitazione termica. Libertà di movimento quasi completamente soppressa, rimangono possibili oscillazioni attorno alla posizione di equilibrio (moti vibrazionali). Tutte le sostanze si possono trovare allo stato solido; l intervallo di temperatura in cui ciò si verifica dipende dalle forze di interazione fra le particelle. Più deboli sono le forze attrattive più bassa sarà la temperatura per cui si ha il passaggio allo stato liquido o gassoso. 1
LO STATO SOLIDO CARATTERISTICHE DEI SOLIDI SONO: Forma e volume propri; Densità maggiore rispetto ai gas; Rigidezza e incomprimibilità Non tendono a diffondere, (anche se fenomeni di lenta diffusione e quindi di mescolamento si manifestano quando due metalli sono posti a contatto) Solidi a struttura disordinata : SOLIDI AMORFI Solidi a struttura ordinata: SOLIDI CRISTALLINI 2
SOLIDI AMORFI Sono caratterizzati da una disposizione disordinata degli atomi paragonabile a quella presente nei liquidi. Hanno proprietà meccaniche, ottiche elettriche ISOTROPE (uguali qualunque sia la direzione in cui vengono misurate). Non sono caratterizzati da una temperatura di fusione ben definita TIPICO ESEMPIO DI SOLIDI AMORFI SONO I VETRI 3
I VETRI La silice (sabbia) fonde a temperatura elevata (1723 C) e dà luogo, per raffreddamento rapido ad un solido amorfo (vetro silice). Si O Il vetro di sola silice rammollisce a temperatura molto alta per dare un liquido molto viscoso, quindi le molecole scorrono con estrema difficoltà le une sulle altre. Per abbassare la temperatura di rammollimento e quindi la temperatura di lavorazione, si devono rompere alcuni collegamenti tra le molecole di silice. Ciò si ottiene introducendo nel reticolo atomi che lo modificano come ad esempio il sodio. In tal modo il vetro diventa più facilmente liquido a temperatura più bassa. 4
Soffiatura del vetro Soffiatura del vetro 5
SOLIDI CRISTALLINI Sono caratterizzati da una disposizione ordinata degli atomi (ioni, molecole) secondo un ben definito RETICOLO CRISTALLINO. Le proprietà ottiche, meccaniche elettriche sono diverse nelle diverse direzioni (ANISOTROPIA). Sono caratterizzati da Temperature di fusione ben definite. 6
STRUTTURA NEI SOLIDI CRISTALLINI Siti reticolari Cella Elementare c b γ β Piani reticolari α a a, b, c e α, β, γ sono dette costanti o parametri di cella ed individuano la cella elementare Il RETICOLO CRISTALLINO è formato dalla ripetizione regolare lungo le tre direzioni non parallele della cella elementare 7
CELLE UNITARIE PRIMITIVE DEI SETTE SISTEMI CRISTALLINI (Reticoli di Bravais) 8
CELLE UNITARIE NON PRIMITIVE (Reticoli di Bravais) 9
NaCl (salgemma cristalli) CaF 2 (fluorite cristalli) 10
COME SI RICONOSCONO I SOLIDI AMORFI DA QUELLI CRISTALLINI??? La cristallinità di un solido e l individuazione della disposizione delle particelle in un cristallo e la sua assegnazione ad un sistema cristallino avviene mediante un analisi chiamata DIFFRATTOMETRIA DEI RAGGI X. I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche aventi lunghezza d onda paragonabile alla distanza tra le particelle costituenti i reticoli cristallini 11
DIFFRAZIONE DEI RAGGI X:LEGGE DI BRAGG A D C F θ G Β d E θ H d = distanza interplanare BC ed EF INTERFERISCONO COSTRUTTIVAMENTE QUANDO: GEH = n λ n = 1, 2, 3, 4,...; λ = lunghezza d onda della radiazione incidente GE = EH = d sin θ GEH = 2d sin θ n λ = 2d sin θ 12
DIFFRATTOGRAMMA DI UN SOLIDO CRISTALLINO DIFFRATTOGRAMMA DI UN SOLIDO AMORFO 500 500 450 450 intensity (a.u.) 400 350 300 250 intensity (a.u.) 400 350 300 250 200 150 200 10 20 30 40 50 60 70 80 2θ(theta) 100 10 20 30 40 50 60 70 80 2θ(theta) 13
CLASSIFICAZIONE DEI SOLIDI CRISTALLINI SOLIDI IONICI: formati da cationi ed anioni attratti da interazione di tipo elettrostatica (es. NaCl, CaO, LiF) SOLIDI COVALENTI: atomi legati fra di loro da legami covalenti (es C diamante, SiO 2 ) SOLIDI MOLECOLARI: insiemi di molecole vincolate nella loro posizione da legami intermolecolari (es. CO 2, I 2,Xe) METALLI : atomi legati insieme da legame metallico (es. Au, Li, Fe, Cu..) 14
Solidi ionici : Proprietà Legame forte; energia di coesione molto elevata; poco volatili (calori di vaporizzazione fra 700-5000 KJ/mol); elevate T di fusione; duri e fragili; scarsa conducibilità allo stato solido ma buoni conduttori elettrici allo stato fuso; elevata solubilità in H 2 O 15
Solidi covalenti : Proprietà Legame forte; energia di coesione molto elevata; poco volatili (calori di vaporizzazione fra 700-2000 KJ/mol); elevate T di fusione; duri e fragili; scarsa conducibilità elettrica; insolubili nei comuni solventi C (diamante) Ibridazione sp 3 16
Solidi molecolari: Proprietà Deboli interazioni di Van der Waals tra le molecole o gli atomi che costituiscono il reticolo; energia di coesione molto bassa; volatili (molti sublimano a Patm); facilmente deformabili; isolanti elettrici; solubili in solventi che hanno caratteristiche di polarità simili. IODIO H 2 O 17
Solidi metallici: Proprietà Legame forte; energia di coesione elevata; poco volatili; elevata densità;; elevata conducibilità termica ed elettrica, Sono duttili e malleabili ovvero sopportano notevoli deformazioni permanenti prima di arrivare alla rottura. Tale proprietà è dovuta ai loro RETICOLI CRISTALLINI MOLTO COMPATTI. 18
STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE Atomi nei metalli possono essere rappresentati con sferette rigide tutte uguali; Occupazione massima dello spazio a) Massimo impacchettamento rispetto a b) 19
STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE In totale la sfera centrale e in contatto con 12 sfere, 6 del suo strato, 3 in quello superiore e 3 in quello inferiore. Disposizione ABABAB Il reticolo così formato si chiama ESAGONALE COMPATTO 20
STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE In totale la sfera centrale e in contatto con 12 sfere, 6 del suo strato, 3 in quello superiore e 3 in quello inferiore. Disposizione ABCABCABC Il reticolo così formato si chiama CUBICO A FACCE CENTRATE 21
Impacchettamento esagonale compatto Impacchettamento cubico a facce centrate 22
STRUTTURE DIVERSE DA QUELLE A MASSIMO IMPACCHETTAMENTO STRUTTURA CUBICA SEMPLICE (solo per il Po a T e P ambiente): Una particella ai vertici di ciascun vertice del cubo Numero di coordinazione 6 23
STRUTTURE DIVERSE DA QUELLE A MASSIMO IMPACCHETTAMENTO STRUTTURA CUBICA A CORPO CENTRATO (Li, Na, K, Rb, V, Cr, Fe, Mo, Eu) Struttura cubica con l aggiunta di una sferetta al centro di ogni cubo Numero di coordinazione 8 24
ALTRI SOLIDI- STRUTTURE A STRATI O A CATENE Sostanze solide aventi strutture cristalline diverse dalle precedenti. Sono presenti legami ionici o covalenti in un piano o lungo una direzione, mentre i piani reticilari o le catene sono tenuti insieme da forze di Van der Waals. 25
ALLOTROPIA Si una specie elementare, cristallizzando in condizioni diverse, dà origine a cristalli di abito diverso si parla di ALLOTROPIA. FORME ALLOTROPICHE del C Carbonio grafite Carbonio diamante Carbonio fullerene 26
ALLOTROPIA FORME ALLOTROPICHE del C Nanotubi di Carbonio 27
FORME ALLOTROPICHE del P Fosforo nero Fosforo bianco Fosforo nero Il fosforo bianco a contatto con l'aria produce anidride fosforica generando calore. L'anidride fosforica reagisce violentemente con composti contenenti acqua e li disidrata producendo acido fosforico. Il calore sviluppato da questa reazione brucia la parte restante del tessuto molle. Il risultato è la distruzione completa del tessuto organico. 28
ALLOTROPIA L ALLOTROPIA si differenzia inoltre in : MONOTROPIA quando si ha una sola forma cristallina stabile per ogni valore di pressione e temperatura e le altre sono metastabili e tendono a trasformarsi in essa ENANTIOTROPIA quando esistono diverse forme cristalline stabili e ciascuna ha un proprio campo di esistenza 29
POLIMORFISMO POLIMORFISMO consiste nella possibilità da parte delle sostanze di cristallizzare in forme differenti che presentano diverse proprietà chimiche e fisiche a secondo delle condizioni in cui si realizza la cristallizzazione. Es: CaCO 3 Calcite (trigonale) aragonite (ortorombico-dipiramidale) 30
ISOMORFISMO Quando sostanze diverse possono cristallizzare nella stessa forma si tratta di ISOMORFISMO.. L analogia delle strutture reticolari è propria di sostanze formate da unità strutturali analoghe per forma e dimensioni Es. carbonati Mg 2+ r + = 0,65 A Zn 2+ r + = 0,74 A Fe 2+ r + = 0.75A Mn 2+ r + = 0.80A 31
LE LEGHE METALLICHE Una lega è un materiale costituito da una miscela solida di due o più metalli, o di un metallo ed un non metallo. Il tipo più semplice di lega è quella in cui il solido è costituito da due o più elementi atomicamente dispersi in una struttura monofase (SOLUZIONE SOLIDA) 32
ALCUNE LEGHE METALLICHE Lega Composizione OTTONE Fino al 40% di Zn in Cu BRONZO 10% Sn e 5% di Pb in Cu PELTRO 6% Sb e 1.5 % di Cu in Sn Acciaio inox > 12% Cr in Fe 33
LE LEGHE METALLICHE Soluzioni solide sostituzionali La struttura cristallina del solvente (B) rimane invariata ma il reticolo può essere distorto dalla presenza del soluto(a) B A La solubiltà di A in B è ampia quando: Dimensioni degli atomi A e B confrontabili (fino a ± 15%) Strutture cristalline di Ae B uguali Non dovrebbero esserci differenze in elettronegatività in modo che non si formino composti. 34
LE LEGHE METALLICHE Soluzioni solide interstiziali A B Atomi di B molto più piccoli di A Situazione tipica degli acciai al carbonio C in Feγ 35