Lo Stato Solido

Allo stato solido, le particelle - che possono essere presenti come atomi, ioni o molecole - occupano posizioni fisse e la loro libertà di movimento è limitata ai moti vibrazionali: oscillazioni intorno alle posizioni di equilibrio, la cui frequenza dipende dalla temperatura. Generalmente, le particelle hanno una disposizione ordinata, in reticoli cristallini regolari.

Le forze di coesione che tengono insieme le particelle allo stato solido, possono essere di intensità molto diversa. In molti casi si tratta di veri e propri legami, ionici o covalenti, in altri le particelle sono tenute insieme da legami a ponte di idrogeno. Vi sono aggregati molecolari di tipo covalente tenuti insieme da interazioni idrofobiche (forze di van der Waals).

Il criterio più razionale per classificare i vari tipi di solidi, è proprio quello basato sul tipo di legame che tiene unite le particelle. In questo modo si possono individuare quattro classi, ciascuna caratterizzata da un comportamento chimico-fisico omogeneo, determinato dalla natura stessa del legame.

• solidi ionici (ioni)
• solidi covalenti (atomi)
• solidi molecolari (molecole)
• solidi metallici (atomi)

Solidi ionici

Dei cristalli ionici abbiamo già parlato a proposito del legame ionico.
Le loro caratteristiche sono:

• rigidità e durezza, ma facile sfaldabilità
• punti di fusione elevati
• cattiva conducibilità elettrica
• buona conducibilità allo stato fuso (o in soluzione)

Solidi covalenti

Sono costituiti da atomi, tenuti insieme da forti legami covalenti. Esempi classici di cristalli di questo tipo sono il carbonio elementare, sia in forma di diamante che di grafite, e il quarzo (SiO₂).
Nel diamante gli atomi di carbonio hanno tutti ibridazione sp³; il cristallo ha quindi una struttura tetraedrica. È caratterizzato da estrema durezza, un punto di fusione elevatissimo e pessima conducibilità elettrica.

Reticolo cristallino del diamante

La grafite è una forma allotropica del diamante. Nella grafite ogni atomo di carbonio ha ibridazione sp²; nel cristallo si può riconoscere un'organizzazione in strati sovrapposti, tenuti insieme da interazioni di van der Waals. Questo spiega la facile sfaldabilità della grafite e il suo uso come lubrificante. Per la presenza di numerosi elettroni π, delocalizzati su ciascuno strato, la grafite è un buon conduttore di corrente.

Organizzazione in piani sovrapposti della grafite

Solidi molecolari

Sono costituiti da molecole, che possono essere tenute insieme da forze di van der Waals (ad esempio lo iodio (I₂) cristallino e molti altri cristalli molecolari di elementi non metallici) o da legami a idrogeno (ad esempio il ghiaccio).

Per la natura dei legami che tengono insieme le particelle, i solidi molecolari sono caratterizzati da:

• consistenza tenera
• bassi punti di fusione
• bassi punti di ebollizione (volatilità)
• cattiva conducibilità elettrica

Solidi metallici

I solidi formati dagli elementi metallici allo stato elementare hanno proprietà decisamente diverse da quelle degli altri solidi. Fra tutte spiccano:

• elevata conducibilità elettrica e termica
• effetto fotoelettrico (capacità di emettere elettroni in seguito all'interazione con radiazioni elettromagnetiche)
• malleabilità e duttilità (rispettivamente la capacità di lasciarsi ridurre in lamine e in fili sottilissimi)

Queste caratteristiche si giustificano ammettendo che nel metallo gli elettroni siano completamente liberi di muoversi e che il solido sia organizzato in strati capaci di slittare con relativa facilità l'uno sull'altro.

Tutto ciò si può spiegare supponendo che nei solidi metallici gli atomi siano tenuti insieme da un 'terzo' tipo di legame, detto appunto legame metallico.

I solidi metallici sarebbero quindi costituiti da un insieme ordinato di cationi, immersi in 'un mare' di elettroni, formato da tutti gli elettroni di valenza disponibili, uniformemente distribuiti (delocalizzati) e in grado di muoversi liberamente in tutto il cristallo.

Nel reticolo cristallino metallico, gli atomi tendono a impacchettarsi nel modo più compatto possibile, secondo tre tipi di celle elementari. In alcuni cristalli, il numero di coordinazione è 8 e la struttura è cubica a corpo centrato (Li, Na, K); più frequentemente il numero di coordinazione è 12 e si possono avere due tipi di impacchettamento: cubico compatto (a facce centrate) ed esagonale compatto.

Per meglio comprendere questi due tipi di organizzazione, immaginiamo di disporre delle sfere su un piano nella maniera più compatta possibile. Si ottiene uno strato in cui ogni sfera è circondata da 6 sfere. A questo si può sovrapporre un secondo strato, in modo da disporre le sfere nelle 'cavità' del primo strato. Un terzo strato può, a questo punto, essere sovrapposto solo in due modi diversi: o in modo da 'ricalcare' il primo strato -e si ottiene l'impacchettamento esagonale compatto- o in modo da 'non ricalcare' il primo strato -e si ottiene l'impacchettamento cubico compatto.

I due diversi modi di disporre il 'terzo' strato