Solido

Si definiscono solidi quei corpi materiali aventi una forma geometrica propria, rigida, i cui atomi costituenti sono legati tra loro da forze molto intense. Nella maggior parte dei casi gli atomi si legano secondo un reticolo cristallino o in maniera amorfa, senza possibilità di muoversi nello spazio, ad eccezione dei moti di vibrazione (causati dall’energia termica).

La maggior parte delle sostanze esistenti in natura si trova, a temperatura ambiente, allo stato cristallino. I solidi che non possiedono struttura cristallina sono detti solidi amorfi.

La formazione di un avviene con l’instaurazione di forze di legame tra gli atomi, di intensità tale da vincere l’energia di agitazione termica. Tali forze di legame sono cinque, di cui tre forti (legame ionico, covalente e metallico) e due deboli (legame idrogeno e forze molecolari di Van der Waals). Tutte queste forze sono attrattive fin quando la distanza tra gli atomi è di poco inferiore alla diametro degli atomi stessi, e diventano violentemente repulsive per distanze tra gli atomi inferiori; per questa ragione i solidi sono difficilmente comprimibili.

Classificazione dei solidi

Usualmente i solidi vengono classificati in base al tipo di legame o alla composizione chimica caratteristica:

  • solidi covalenti;
  • solidi ionici;
  • solidi molecolari (solidi di Van der Waals);
  • solidi metallici.

Altrimenti, possono essere classificati anche secondo le loro caratteristiche strutturali, ossia la disposizione spaziale dei loro atomi; e così si hanno:

  • solidi cristallini;
  • solidi amorfi;
  • solidi vetrosi.

Solidi covalenti

Nei solidi covalenti, gli atomi nel reticolo cristallino, sono tutti direttamente legati tramite legami di natura covalente, di modo che nel cristallo non sono individuabili singole molecole (il cristallo può essere visto come un’unica macromolecola). Il legame covalente nei solidi è tipico di elementi come il carbonio, il silicio ed il germanio, aventi quattro elettroni di valenza utili per completare l’ottetto con atomi adiacenti (con quattro legami covalenti a formare un tetraedro).

Solidi ionici

Il reticolo cristallino dei solidi ionici è costituito da ioni monoatomici o poliatomici trattenuti tra loro da intense interazioni elettrostatiche di tipo coulombiano. Queste, per loro natura, non sono direzionali e quindi gli ioni di carica opposta si attirano indipendentemente dalla loro collocazione spaziale: non sono quindi riconoscibili singole unità molecolari.

I cristalli ionici presentano durezza intermedia, sono fragili e di solito hanno elevati punti di fusione. Inoltre, non essendovi cariche elettriche libere, la loro conducibilità è bassa.

Molti solidi ionici sono insolubili in quasi tutti i solventi apolari o poco polari data l’elevata energia reticolare. Quando l’energia liberata dalla solvatazione degli ioni supera l’energia reticolare questi composti possono essere solubili: ciò avviene normalmente in acqua.

Solidi molecolari

I solidi molecolari (detti anche solidi di Van del Waals) sono costituiti da singole molecole di gas rari (neon, argo, xeno, cripto) o molecole a forte legame covalente (metano, idrogeno, cloro) tenute assieme nel reticolo cristallino dalle forze di Van der Waals.

I cristalli molecolari hanno una debole forza di coesione, sono molto teneri, sono stabili a temperature molto basse ed hanno punto di fusione altrettanto basso (inferiore ai 400 °C o decompongono prima di fondere) e sono molto volatili. Dal punto di vista strutturale, le molecole tendono a realizzare strutture compatte.

Solidi metallici

I solidi metallici (costituiti con legame metallico) sono formati esclusivamente da atomi elettropositivi (ad esempio: sodio, rame, alluminio), tendenti a cedere i propri elettroni che però, non avendo a disposizione atomi elettronegativi con cui unirsi, restano liberi.

L’insieme delle proprietà dei metalli suggerisce una struttura in cui il cristallino sia costituito da cationi del metallo ottenuti dalla liberazione di elettroni dal guscio di valenza, oscillanti intorno ai nodi del reticolo cristallino, mentre gli elettroni liberati si muovono nell’intero reticolo comportandosi come una sorta di “gas elettronico” che permea l’intero cristallo ed è responsabile della stabilità della struttura cristallina.

Solidi cristallini

I solidi cristallini hanno una struttura reticolare regolare, in cui il reticolo è composto da una struttura geometrica di atomi predefinita, che si ripete periodicamente e sempre uguale.

La disposizione regolare dei componenti un cristallino a livello microscopico produce la forma caratteristica dei cristalli (morfologia) definita da facce e angoli diedri caratteristici. I solidi cristallini mostrano piani di sfaldatura che sono in relazione con la forma dell’edificio cristallino.

Una stessa sostanza talvolta ha più forme cristalline, in dipendenza dalla temperatura e dalla pressione a cui solidifica. Questa proprietà viene detta polimorfismo quando è riferita a un composto (es. calcite, aragonite) e allotropia quando è riferita ad un elemento (es. diamante, grafite, fullereni).

Esistono molti casi in cui sostanze differenti, ma capaci di dare cristalli con la stessa struttura, anche a livello molecolare, mostrano una reciproca e completa miscibilità allo stato (cristalli misti). Questa proprietà è detta isomorfismo.

Caratteristica tipica dei solidi cristallini è l’anisotropia: proprietà di una sostanza per cui i valori delle sue grandezze fisiche (indice di rifrazione, conducibilità elettrica e termica, durezza, eccetera) dipendono dalla direzione che viene considerata.

Solidi amorfi

I solidi amorfi si formano a causa di condizioni particolari durante il processo di solidificazione (ad esempio aumentando la velocità di raffreddamento), che non permettono agli atomi di stabilizzarsi termodinamicamente in una condizione ordinata, impedendo così la formazione di una struttura cristallina periodica. I solidi amorfi sono isotropi.

Molti materiali solidi cristallini possono essere preparati anche in una forma amorfa.

Le principali caratteristiche dello stato amorfo sono:

  • possiede struttura metastabile che si può trasformare in strutture cristalline solo in determinate condizioni termodinamiche e cinetiche;
  • ha proprietà isotrope, ovvero le loro proprietà fisiche non dipendono dalla direzione in cui si analizza il campione;
  • la fusione di un amorfo non avviene a temperatura costante in quanto i legami presenti nel non si rompono tutti alla stessa temperatura;
  • rispetto ai liquidi ha atomi più vicini e un minor volume libero;
  • all’aumentare della temperatura la viscosità dei solidi amorfi decresce in modo esponenziale;
  • a causa dell’assenza di ordine a lungo raggio, i solidi amorfi presentano una diffrazione ai raggi X priva di picchi.
  • possono esistere in due fasi distinte: quello gommoso e quello vetroso.

Solidi vetrosi

I solidi vetrosi sono una tipologia di solidi amorfi, in quanto anch’essi non possiedono una struttura cristallina, ma una struttura disordinata e non periodica.

Tale struttura è ottenuta dalla solidificazione di un liquido (puro o miscuglio di sostanze) che a causa della sua viscosità durante il raffreddamento “congela” la posizione degli atomi o delle molecole nella stessa posizione posseduta nella fase liquida. Tale disordine è tanto più pronunciato quanto è più veloce il raffreddamento.

Dilatazione termica volumica dei solidi

Quando ad un viene somministrata una certa quantità di calore, questo per effetto attua una dilatazione volumica (cioè tridimensionale), per effetto termico dell’aumento di temperatura. Viceversa in caso venga sottratto calore, il si contrarrà per effetto della diminuzione di temperatura.

La dilatazione non è sempre uniforme in tutte le dimensioni, ma alcune possono essere più evidenti di altre a seconda della forma geometrica del . Ad esempio una trave subirà una dilatazione più evidente longitudinalmente (lungo la sua dimensione prevalente: cioè la lunghezza) piuttosto che trasversalmente (cioè in spessore).

La legge fisica che regola tale dilatazione termica volumica è la seguente:

\[V=V_0(1+\alpha\Delta T)\]

dove: \(V\) è il volume finale, \(V_0\) è il volume iniziale, \(\alpha\) è il coefficiente di dilatazione volumica del corpo, \(\Delta T\) è la variazione di temperatura durante il processo di dilatazione.