Nei solidi l’energia cinetica è bassa e le forze di coesione sono alte. I solidi sono rigidi e con forma e contorni ben definiti. La disposizione delle particelle risulta disordinata nei solidi amorfi (es. il vetro) e molto ordinata e ripetitiva nei solidi cristallini (es. nei sali). Quest’ultimi sono dotati di un reticolo cristallino tridimensionale rigido ed ordinato, che conferisce, in genere, elevata densità, durezza e resistenza al calore.
I solidi sono caratterizzati da proprietà riassumibili in durezza (proprietà di intaccare o scalfire un altro corpo), malleabilità (proprietà di ridursi in piccoli fogli sottili), duttilità (proprietà di ridursi in fili), tenacità (resistenza alla rottura), plasticità (proprietà di modellarsi sotto l’azione di una forza che agisce per tempi più o meno lunghi) ed elasticità (proprietà di riprendere la forma ed il volume iniziali dopo essere stati soggetti ad una deformazione). I solidi cristallini sono caratterizzati dall’avere una struttura cristallina ordinata e periodica, detta reticolo cristallino, costituita dagli atomi o molecole componenti il solido disposti nello spazio.
Come si può riconoscere un reticolo cristallino?
- utilizzando la diffrazione a raggi X;
- misurando le proprietà fisiche di un singolo cristallo di solido;
- da un punto di fusione ben definito.
Il reticolo cristallino è formato da nodi, cioè atomi o molecole che formano il solido in esame, allineati tra loro a formare una figura geometrica definita ed ordinata. I nodi possono essere costituiti da atomi/molecole uguali o da atomi diversi, come anioni e cationi di un sale ionico.
Più nodi disposti alla stessa distanza e nella stessa direzione si possono definire ‘filari’. Disponendo regolarmente più nodi lungo una superficie possiamo costruire un parallelogramma elementare, identificato da due lati e dall’angolo compreso tra essi. Più ‘parallelogrammi elementari’ (o ‘celle elementari’) ripetuti su un piano generano l’intera struttura cristallina. Quindi un monocristallo è costituito da più celle elementari disposte ordinatamente nello spazio. Esistono 14 tipi di reticoli cristallini diversi.
Una sostanza può possedere più tipi di reticoli cristallini possibili, per il suo stato solido, a seconda delle condizioni di temperatura e pressione a cui il solido stesso è sottoposto. Questo fenomeno è conosciuto come polimorfismo, in caso di molecole, o allotropia, in caso di elementi puri.
Le diverse forme cristalline della stessa sostanza hanno analoghe proprietà chimiche ma diverse caratteristiche fisiche (es. il carbonio ha almeno due forme allotropiche cristalline: la grafite, che risulta opaca/nera, ottimo conduttore elettrico e ha la più alta temperatura di fusione, ed il diamante, che risulta durissimo, trasparente, incolore ed un pessimo conduttore elettrico).
Il passaggio a forma cristallina è un vero e proprio passaggio di stato (quindi si svolge in condizione isotermica). Se il passaggio a struttura cristallina risulta avvenire in ambedue le direzioni e nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, otterremo un solido composto contemporaneamente da due tipi di forme cristalline: enantiotropia. Se in certe condizioni di temperatura e pressione abbiamo la presenza di una o dell’altra forma cristallina, avremmo il fenomeno della monotropia. Le sostanze con solo due forme cristalline possibili si dicono dimorfe.
Due sostanze diverse possono generare dei reticoli cristallini molto simili tra loro: isomorfismo. Se noi causassimo la cristallizzazione di una soluzione contenente, come soluti, due solidi isomorfi tra loro, otterremo un ‘cristallo misto’. Per ottenere un isomorfismo le due sostanze devono essere composte da atomi con raggi atomici simili e devono avere una formula chimica analoga, come nel caso di KCr(SO4)2 e KAl(SO4)2.
Solitamente una sostanza che passa dallo stato liquido, o aeriforme, allo stato solido evidenzia una contrazione di volume ma ciò non è sempre valido, es. acqua e ghiaccio.
I solidi si possono classificare in base al tipo di legame che unisce le varie particelle del solido stesso, quindi che unisce i vari nodi del reticolo cristallino: solidi molecolari, solidi con legami ad idrogeno, solidi ionici, solidi covalenti.
