Proprietà dei solidi e legame: solidi ionici, covalenti, molecolari, metallici

Le proprietà dei solidi sono influenzate dal tipo di legame presente che può essere di tipo ionico, covalente, metallico e molecolare.

Proprietà dei solidi ionici

In un solido ionico sono presenti due ioni di segno opposto e la forza di legame è dovuta all’attrazione elettrostatica tra le due cariche la cui intensità dipende dalla carica e dalle dimensioni degli ioni.

I composti ionici sono solidi cristallini in cui è presente una disposizione periodica e ordinata di ioni ai vertici di una struttura reticolare e sono anisotropi.

L’energia reticolare, ovvero l’energia necessaria per separare una mole del solido cristallino in ioni allo stato gassoso è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche ioniche e inversamente proporzionale alla somma dei raggi degli ioni.

Si considerino ad esempio il fluoruro di sodio e l’ossido di calcio che cristallizzano entrambi in un reticolo cubico a facce centrate i cui ioni hanno circa le stesse dimensioni.

Lo ione Na⁺ ha un raggio di 102 pm e lo ione Ca²⁺ ha un raggio di 102 pm mentre lo ione F^– ha un raggio di 133 pm rispetto allo ione O^2- che ha un raggio di 140 pm.

Poiché gli ioni Ca²⁺ e O^2- hanno una carica maggiore rispetto a Na⁺ e F^–, l’energia reticolare dell’ossido di calcio è di circa quattro volte maggiore rispetto a quella del fluoruro di sodio pertanto la forza del legame presente in CaO è maggiore rispetto a quella presente in NaF e di conseguenza la temperatura di fusione di CaO è maggiore rispetto a quella di NaF.

Le proprietà dei solidi ionici sono influenzate dall’elevata energia reticolare ed essi presentano elevato punto di fusione e di ebollizione, solubilità in acqua o in altri solventi polari, buona conducibilità elettrica quando si trovano allo stato fuso o in soluzione, elevata durezza e fragilità.

Proprietà dei solidi covalenti

I solidi covalenti sono costituiti da atomi o molecole direttamente legati tramite legami di natura covalente di modo che nel cristallo non sono individuabili singole molecole.

L’energia dei legami nei cristalli covalenti è molto elevata, simile a quella dei legami covalenti quindi i solidi covalenti hanno elevata temperatura di fusione, sono duri, insolubili e cattivi conduttori sia allo stato solido che allo stato fuso.

Un esempio tipico è costituito dal diamante, solido perfettamente trasparente e incolore, duro e alto fondente con elevata densità. In questa forma allotropica, ogni atomo di C utilizza orbitali ibridi sp³ per legarsi covalentemente ai 4 atomi di C posti ai vertici di un tetraedro al cui centro c’è l’atomo in questione. Altri esempi di solidi covalenti sono il nitruro di boro, il biossido di silicio e il carburo di silicio.

Proprietà dei solidi molecolari

I solidi molecolari sono costituiti da aggregati di particelle neutre (atomi o molecole) interagenti mediante legami chimici secondari come interazioni dipolo-dipolo, forze di dispersione di London e legami a idrogeno.

Poiché queste forze sono più deboli rispetto a quelle presenti nel legame ionico e in quello covalente, i solidi molecolari tendono ad essere teneri, ad avere un basso punto di fusione e di ebollizione. In tali composti le forze di dispersione di London aumentano con regolarità all’aumentare della massa molare. Se le molecole presentano una forma che non consente di impacchettarsi in modo regolare nel cristallo si verifica che esse hanno un punto di fusione particolarmente basso rispetto ad analoghe molecole in quanto le forze che le tengono unite sono minori. Ad esempio il toluene ha una temperatura di fusione molto più bassa rispetto a quella del benzene.

I solidi molecolari hanno bassa conduttività termica ed elettrica, possono essere duttili o fragili. Quelli che presentano sia duttilità che fragilità vanno incontro a deformazioni elastiche.

Proprietà dei solidi metallici

I solidi metallici presentano un legame metallico in cui gli elettroni sono delocalizzati nel reticolo cristallino costituito da cationi del metallo ottenuti dall’allontanamento degli 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

Gli elettroni di valenza pertanto non sono legati a un particolare nucleo, ma possono muoversi quasi liberamente da uno all’altro. Tale modello porta a raffigurare il cristallo metallico come formato da ioni positivi fissati nelle posizioni reticolari, tenuti insieme da un “mare” di elettroni fluttuanti pertanto è necessaria una bassa energia per allontanare gli elettroni. Applicando un potenziale elettrico gli elettroni si spostano nel solido migrando verso l’elettrodo positivo pertanto i metalli sono buoni conduttori di elettricità.

I metalli sono duttili e malleabili e la facilità con cui possono essere deformati è dovuta al fatto che elettroni liberi nel cristallo non sono costretti ad occupare zone spaziali definite e di conseguenza gli strati reticolari costituiti dai cationi possono essere spostati l’uno rispetto all’altro senza implicare la rottura di legami: gli elettroni liberi, in costante e rapido movimento, si adattano istantaneamente alle nuove posizioni assunte dai cationi.

Tabella

Le proprietà dei solidi sono dovute quindi al particolare tipo di legame presente e vengono riassunte nella seguente tabella: