Solido cristallino: definizione, tipi, caratteristiche ed esempi

Un solido cristallino è un tipo di solido la cui struttura tridimensionale fondamentale consiste in uno schema molto regolare di atomi o molecole, che formano un reticolo cristallino. La maggior parte dei solidi sono solidi cristallini e le diverse disposizioni di atomi e molecole al loro interno possono modificarne le proprietà e l'aspetto.

Un solido è uno stato della materia in cui la sostanza mantiene la sua forma e mantiene un volume consistente. Questo rende un solido distinto dai liquidi o dai gas; i liquidi mantengono un volume costante ma prendono la forma del loro contenitore e i gas prendono la forma e volume del loro contenitore.

Gli atomi e le molecole in un solido possono essere disposti secondo uno schema regolare, rendendolo un solido cristallino, oppure essere disposti senza uno schema, rendendolo un solido amorfo.

Gli atomi o le molecole in un cristallo formano uno schema periodico, o ripetitivo, in tutte e tre le dimensioni. Questo rende la struttura interna di un cristallo

La più piccola unità del modello strutturale è chiamata a cella unitaria. Un cristallo è costituito da queste celle unitarie identiche ripetute più e più volte in tutte e tre le dimensioni. Questa cella è il componente più fondamentale della struttura del cristallo e determina alcune delle sue proprietà. Determina anche il modello che uno scienziato vede quando guarda il cristallo usando la diffrazione dei raggi X, che può aiutarli a identificare la struttura e la composizione del cristallo.

Le posizioni degli atomi o delle molecole che compongono la cella elementare sono chiamate punti reticolari.

Quando un liquido si raffredda fino al punto di congelamento, diventa un solido in un processo chiamato precipitazione. Quando una sostanza precipita in una struttura cristallina regolare, si parla di cristallizzazione.

La cristallizzazione inizia con un processo chiamato nucleazione: atomi o molecole si raggruppano insieme. Quando questi ammassi sono sufficientemente stabili e abbastanza grandi, inizia la crescita dei cristalli. La nucleazione a volte può essere avviata più facilmente utilizzando cristalli di semi (gruppi prefabbricati) o una superficie ruvida, che incoraggia la formazione di grappoli.

Un dato materiale atomico o molecolare può essere in grado di formare più strutture cristalline. La struttura in cui il materiale si cristallizza dipenderà da alcuni parametri durante il processo di cristallizzazione, tra cui temperatura, pressione e presenza di impurità.

Ci sono quattro tipi principali dei solidi cristallini: rete ionica, covalente, metallica e molecolare. Si distinguono l'uno dall'altro in base agli atomi o alle molecole di cui sono fatti e al modo in cui tali atomi o molecole sono legati l'uno all'altro.

Lo schema ripetitivo nella struttura dei cristalli ionici è costituito dall'alternanza di cationi caricati positivamente con anioni caricati negativamente. Questi ioni possono essere atomi o molecole. I cristalli ionici sono generalmente fragili, con alti punti di fusione.

Come solidi, non conducono elettricità, ma possono condurre elettricità come liquidi. Possono essere costituiti da atomi o molecole, purché carichi. Un esempio comune di solido ionico sarebbe il cloruro di sodio (NaCl), noto come sale da cucina.

I cristalli di rete covalenti, a volte chiamati semplicemente cristalli di rete, sono tenuti insieme da legami covalenti tra i loro atomi costituenti. (Si noti che i cristalli di rete covalente sono solidi atomici, il che significa che non possono essere fatti di molecole.) Sono solidi molto duri, hanno punti di fusione elevati e non conducono bene l'elettricità. Esempi comuni di solidi reticolari covalenti sono il diamante e il quarzo.

I cristalli metallici sono anche solidi atomici, costituiti da atomi di metallo tenuti insieme da legami metallici. Questi legami metallici sono ciò che conferisce ai metalli la loro malleabilità e duttilità, poiché consentono agli atomi di metallo di rotolare e scivolare l'uno sull'altro senza rompere il materiale. I legami metallici consentono anche agli elettroni di valenza di muoversi liberamente attraverso il metallo in un "mare di elettroni", che li rende ottimi conduttori di elettricità. La loro durezza e i punti di fusione variano ampiamente.

I cristalli molecolari sono costituiti da molecole legate, a differenza dei cristalli metallici e reticolari, che sono costituiti da atomi legati. I legami molecolari sono relativamente deboli rispetto ai legami atomici e possono essere causati da una varietà di forze intermolecolari comprese le forze di dispersione e le forze dipolo-dipolo.

I legami idrogeno deboli tengono insieme alcuni cristalli molecolari, come il ghiaccio. Poiché i cristalli molecolari sono tenuti insieme da tali legami deboli, i loro punti di fusione tendono ad essere molto più bassi, sono peggiori conduttori di calore ed elettricità e sono più morbidi. Esempi comuni di cristalli molecolari includono ghiaccio, ghiaccio secco e caffeina.

I solidi formati da gas nobili sono anche considerati cristalli molecolari pur essendo costituiti da atomi singolari; gli atomi di gas nobile sono legati da forze simili a quelle che legano debolmente le molecole insieme in un cristallo molecolare, il che conferisce loro proprietà molto simili.

Un policristallo è un solido composto da più tipi di strutture cristalline, che sono a loro volta combinate in uno schema non periodico. Il ghiaccio d'acqua è un esempio di policristallo, così come la maggior parte dei metalli, molte ceramiche e rocce. L'unità più grande costituita da un modello singolare è chiamata grano e un grano può contenere molte celle unitarie.

Un elettrone in un solido cristallino è limitato in quanta energia può avere. I possibili valori di energia che può avere costituiscono una "banda" di energia pseudo continua, detta an banda di energia. Un elettrone può assumere qualsiasi valore di energia all'interno della banda, purché la banda non sia riempita (c'è un limite al numero di elettroni che una data banda può contenere).

Queste bande, pur considerate continue, sono tecnicamente discrete; contengono semplicemente troppi livelli di energia che sono troppo vicini tra loro per risolversi separatamente.

Le bande più importanti sono chiamate banda di conduzione e banda di valenza: La banda di valenza è l'intervallo dei più alti livelli energetici del materiale in cui gli elettroni sono presenti alla temperatura dello zero assoluto, mentre la banda di conduzione è l'intervallo più basso di livelli che contengono non riempiti stati.

Nei semiconduttori e negli isolanti queste bande sono separate da un gap energetico, chiamato banda proibita. Nei semimetalli si sovrappongono. Nei metalli, non c'è essenzialmente alcuna distinzione tra loro.

Quando un elettrone si trova nella banda di conduzione, ha energia sufficiente per muoversi liberamente nel materiale. Ecco come questi materiali conducono l'elettricità: attraverso il movimento degli elettroni nelle loro bande di conduzione. Poiché la banda di valenza e la banda di conduzione non hanno spazi tra loro nei metalli, è facile che i metalli conducano elettricità. I materiali con una banda proibita maggiore tendono ad essere isolanti; è difficile ottenere un'energia sufficiente per un elettrone per saltare il divario ed entrare nella banda di conduzione.

Un altro tipo di solido è un solido amorfo, che non ha uno schema periodico. Gli atomi e le molecole all'interno dei solidi amorfi sono in gran parte disorganizzato. Per questo motivo, condividono molte somiglianze con i liquidi e in effetti non hanno un punto di fusione prestabilito.

Invece, poiché le distanze tra atomi o molecole vicini nella struttura variano, l'energia termica passa attraverso il materiale in modo non uniforme. Il materiale si scioglie lentamente in un ampio intervallo di temperature.

Esempi di solidi amorfi includono gomma, vetro e plastica. Anche l'ossidiana e lo zucchero filato sono esempi di solidi amorfi.