amorfi solidi cristallini - corsi di laurea a distanza...
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Lo stato solidoLo stato solido
Solido: qualsiasi corpo rigido e incomprimibile che ha forma e volume propri
Solidi
amorfi
cristallini
Cella elementare: la più piccola porzione del reticolo cristallino che ne possiede tutte le caratteristiche geometriche e che, ripetuta nelle tre direzioni dello spazio, genera l’intero cristallo
γ βα
X
Y
Z
a
bc
α = βγ
angolo nel piano YZ= angolo nel piano XZ= angolo nel piano XY
Nodi: vertici della cella elementare
Reticoli di Bravais
7 gruppi o sistemi cristallografici:
Gruppo monometrico (a = b = c)
Gruppo dimetrico (a = b = c)
Gruppo trimetrico (a = b = c)
Cubico
EsagonaleTetragonaleTrigonale (o romboedrico)
RombicoMonoclinoTriclino
Sistema Primitivo (semplice)
Basi centrate
Corpo centrato
Facce centrate
Triclino (a≠b≠c) (α≠β≠γ≠90°)
Monoclino (a≠b≠c) (α=γ=90°≠β)
Rombico (a≠b≠c) (α=β=γ=90°) Trigonale (o romboedrico)(a=b=c) (α=β=γ≠90°)
Tetragonale (a=b≠c) (α=β=γ=90°)
Esagonale (a=b≠c) (α=β=90°, γ=120°)
Cubico (a=b=c) (α=β=γ=90°)
Reticolo Cubico Semplice (CS)
18 18⋅ =
Reticolo Cubico Corpo Centrato (CCC)
18 1 28⋅ + =
Reticolo Cubico Facce Centrate (CFC)
1 18 6 48 2⋅ + ⋅ =
Sostanze
monocristalline
policristalline (metalli)
Diamante (C puro)Quarzo (SiO2)Corindone (Al2O3)Rubino (corindone con Cr)Zaffiro (corindone con Ti e Fe)
Fenomeni particolari:
• polimorfismo • allotropia • isomorfismo
Poichè un’eventuale trasformazione da una fase solidaall’altra è spesso lentissima, una fase cristallina può esistereanche in condizioni in cui essa dovrebbe essere instabile: un tipico esempio è dato dal carbonio diamante e carboniografite. La reazione
Cdiamante → Cgrafite
a T ambiente e p=1atm ha ∆G < 0 e pertanto dovrebbeessere spontanea. In realtà il diamante non si trasforma in grafite in quanto la velocità di reazione è molto bassa.
La diffrazione dei raggi X
È stata utilizzata per dimostrare la struttura regolare dei solidi e l’esistenza in essi di un reticolo cristallino
Se i cristalli possiedono effettivamente la struttura regolare, possono costituire un reticolo di diffrazione delle dimensioni confrontabili con quelle dei raggi X (λ ≈ 1Å)
Sorgente RX CristalloZnS
Pellicolafotografica
Gli atomi di un cristallo sono disposti regolarmente nello spazio e possono essere considerati come giacenti su piani paralleli, detti piani reticolari(Bragg -teoria della riflessione)
monocromaticofascio di raggi X
dA
B
Cθ
θ
I fasci di raggi X riflessi da piani diversi compiono percorsi di differente lunghezza e quindi vi può essere interferenza. L’intensità del raggio riflesso varia con l’angolo di incidenza.
L’intensità del raggio riflesso è massima quando la differenza di percorso tra i raggi riflessi è uguale ad un numero intero di lunghezze d’onda:
CBBACBn 2=+=λ monocromaticofascio di raggi X
dA
B
Cθ
θθsin⋅= dCB
θλ sin2 ⋅= dn Legge di Bragg
n = numero intero (1, 2, 3, …)
Classificazione dei solidi
5 tipologie diverse di solidi:
• Solidi ionici• Solidi covalenti• Solidi molecolari• Solidi metallici• Strutture a strati o a catene
Solidi ionici:
sono costituiti da un insieme di ioni di segno opposto tenuti uniti da forze di natura elettrostatica
Cl-
Na+
numero di coordinazione = numero di ioni di segno opposto che circonda lo ione considerato
Caratteristiche dei solidi ionici:
- elevata energia di coesione (energia necessaria perseparare gli ioni di carica opposta e per portarli allo statodi vapore)
- bassa volatilità: i solidi ionici hanno a temperatura
ambiente una bassa tensione di vapore - temperature di fusione piuttosto elevate - durezza abbastanza elevata - fragilità - scarsa conducibilità allo stato solido ed elevata
conducibilità allo stato fuso - elevata solubilità in acqua
Solidi covalenti:
le particelle costitutive sono legate tra loro mediante legami covalenti. Tipici solidi covalenti:
• il diamante
• la silice (SiO2)• il carburo di silicio (SiC)
Caratteristiche dei solidi covalenti: - elevata energia di coesione - scarsa volatilità (ovvero bassa tensione di vapore) - temperature di fusione molto elevate - fragilità - elevata durezza e bassa comprimibilità (il diamante ad
esempio occupa il 10° e ultimo posto nella scala delle durezze di Mohs)
- scarsa conducibilità elettrica (generalmente)
Solidi molecolari:
l’unità che si ripete nel reticolo è costituita da una molecola o da un atomo chimicamente identificabile. I legami che si formano tra le molecole sono dovuti a forze di van der Waals, cui si possono sovrapporre legami idrogeno.
Tipici esempi di solidi molecolari sono rappresentati da CO2 e I2, a bassa temperatura.
Caratteristiche dei solidi molecolari: - basse temperature di fusione - elevata volatilità - scarsa durezza ed elevata deformabilità - scarsa conducibilità elettrica
Solidi metallici:
gli atomi che li costituiscono sono tenuti assieme da legami di tipo metallico. Esempi: Ca, Na, K, Fe, Cr, Ag, Au, …
Caratteristiche dei solidi metallici: - elevata densità dovuta alla formazione di reticoli compatti - elevata conducibilità termica ed elettrica - lucentezza - duttilità - malleabilità - elevata temperatura di fusione (Hg: -39°C; W: +3390°C)
Strutture a strati o a catene:
sono strutture in cui sono presenti legami di tipo ionico o covalente in un piano (o anche solo lungo una direzione), mentre i piani reticolari (o le catene) così generate sono tenuti assieme da forze di van derWaals (in particolare forze di London).
Grafite: ha una struttura a strati con legami covalenti lungo un piano; i piani sono tenuti assieme da forze di London.
Caratteristiche della grafite:
- elevata conducibilità elettrica - facile sfaldabilità