Stato solido
Con il termine "solido" si definisce, di solito, un corpo
materiale caratterizzato da determinate proprietà di compattezza, durezza e
rigidità che lo distinguono dalle sostanze liquide o gassose. Le particelle
costituenti un solido interagiscono fra loro con maggiore forza che nello stato
liquido e, a maggior ragione, nello stato gassoso; quindi la loro distanza è la
minima possibile, da cui deriva la compattezza caratteristica e un volume che è
il minimo possibile. Ciascuna particella, inoltre, non può muoversi dalla sua
posizione determinata dal campo di forza delle particelle circostanti. L'unico
moto permesso è quello di vibrazione
(e, talvolta, di rotazione) intorno alla posizione di equilibrio.
Un composto solido è costituito da atomi, molecole e ioni disposti
ordinatamente e simmetricamente in modo tale che, presa una direzione qualsiasi
all'interno del solido, le particelle risultano ugualmente orientate e si
succedono a intervalli regolari in quella direzione. Questa periodicità, cioè
questo ordine a lungo raggio, è una delle caratteristiche fondamentali dei
cosiddetti solidi cristallini (v.
cristalli). Esistono tuttavia anche dei solidi detti amorfi,
nei quali le particelle sono disposte senza regolarità periodica (distribuzione
simile a quella di un liquido).
Se le proprietà fisiche sono differenti a seconda della direzione in cui
vengono effettuate le misure di tali proprietà, il solido si dice "anisotropico";
in caso contrario esso è "isotropico".
Ogni solido cristallino ha una sua struttura geometrica che viene caratterizzata
dal cosiddetto reticolo cristallino
e che può essere analizzata per mezzo dei raggi X, che vengono diffratti in
modo diverso all'interno della struttura stessa.
Esistono 14 reticoli spaziali distinti, detti reticoli
di Bravais (dal nome del loro scopritore), che sono stati raggruppati in
sette sistemi cristallini (cubico, tetragonale, rombico, monoclino, romboedrico,
esagonale e triclino). Il massimo numero di particelle (detto numero
di coordinazione) di cui si può circondare una particella in una
struttura cristallina è 12 e corrisponde all'avere una cosiddetta
"struttura a massimo impacchettamento" (esagonale compatta e cubica
compatta), una struttura che è possibile solo se le particelle hanno tutte le
stesse dimensioni e non hanno legami direzionali (cioè per i metalli). Quando
invece le particelle costituenti hanno dimensioni diverse (come nei reticoli dei
composti salini), al diminuire del rapporto fra i raggi delle particelle il
numero di coordinazione diminuisce: diventa 8 se il rapporto fra i raggi è
compreso fra 1 e 0,732 (reticolo cubico a corpo centrato), 6 con rapporto di
raggi compreso fra 0,732 e 0,414 (struttura ottaedrica), 4 con valore compreso
fra 0,414 e 0,225 (struttura tetraedrica) e 3 con valore compreso fra 0,225 e
0,155 (struttura trigonale planare). I solidi cristallini possono essere
classificati in base al tipo di legame (vedi legame
chimico) che tiene unite le particelle costituenti e che conferisce ai
solidi diverse proprietà meccaniche, termiche, elettriche e ottiche.
Sono costituiti da specie ioniche (v. ioni) di carica opposta tenute insieme
da forze elettrostatiche (coulombiane). Non esistono molecole discrete, ma ogni
ione interagisce con tutti gli altri ioni della struttura. I solidi ionici sono
relativamente duri e fragili, con alto punto di fusione, isolanti allo stato
solido, ma conduttori allo stato fuso o in soluzione (in acqua si dissociano, in
misura più o meno larga negli ioni costituenti).
Sono normalmente costituiti da elementi non metallici capaci di formare più
di un legame covalente. Tali solidi sono caratterizzati da un elevato punto di
fusione, sono isolanti sia allo stato solido che allo stato fuso e hanno un alto
indice di rifrazione. I solidi covalenti dotati di queste caratteristiche sono
tridimensionali per quanto riguarda il legame covalente e, per questo, hanno una
grandissima stabilità, da cui deriva anche un'elevata durezza (come nel
diamante e nel quarzo). Se invece il legame covalente si estende in due sole
direzioni si ha una struttura a strati (come nel talco
e nella grafite), che rende il
solido sfaldabile e, spesso, conduttore.
In questi solidi, cioè nei metalli, gli elettroni responsabili del legame
sono mobili su tutta la struttura (delocalizzati) per cui, di solito, un metallo
è un ottimo conduttore. Essi sono facilmente lavorabili (duttili e malleabili)
in quanto i vari piani di particelle possono scorrere l'uno sull'altro senza che
ne venga danneggiato il legame. I metalli possono formare leghe poiché spesso
nella loro struttura alcuni atomi di un metallo possono essere sostituiti con
atomi di altri metalli, oppure altri atomi possono occupare gli interstizi
disponibili (leghe sostituzionali o leghe interstiziali).
Questo tipo di solidi è costituito da molecole discrete, come, a esempio,
le molecole di iodio, che interagiscono fra loro in maniera abbastanza labile
per mezzo delle cosiddette forze di Van der Waals (interazioni elettrostatiche
fra ioni e dipoli, o fra dipoli, o fra dipoli indotti). Proprio perché tali
legami sono molto deboli, i solidi molecolari sono teneri e presentano un basso
punto di fusione (nel caso dello iodio, e in molti altri casi, il solido sublima
direttamente allo stato di vapore); sono inoltre isolanti. Talvolta si ha anche
la formazione di legami a ponte di idrogeno (come nel caso del ghiaccio).
Una particolare categoria di solidi è quella dei polimeri (macromolecole
ottenute combinando a catena, in modo ripetitivo, un gran numero di unità,
costituite da particolari composti organici). Data la loro complessità, i
polimeri non sono quasi mai totalmente cristallini, ma possono possedere solo
una parziale cristallinità, mentre la maggior parte è totalmente amorfa.
Nei reticoli cristallini possono spesso essere individuati dei difetti,
cioè delle irregolarità nella struttura. Si possono avere difetti di punto (se
localizzati in un certo punto del reticolo), difetti di linea (se in una certa
direzione la periodicità degli atomi cambia, o viene a mancare) e difetti di
piano (dati dalla combinazione di più difetti di linea sullo stesso piano).
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