Reticolo cristallino

Definizione di reticolo cristallino

Se si ingrandisce un qualsiasi materiale fino alla scala atomica, si scopre che gli atomi sono disposti in modo ordinato. Questa disposizione degli atomi è generalmente una ripetizione di una disposizione di base degli atomi. Questa "unità", che può costituire l'intera struttura del materiale se ripetuta un numero sufficiente di volte, è chiamata struttura reticolare del materiale.

Classificazione dei reticoli cristallini

Gli atomi o gli ioni di un reticolo possono essere disposti in più modi nella geometria 3D.

Reticolo cubico a facce centrate (CFC)

Si tratta di un reticolo cubico, con un atomo o uno ione in ciascuno dei 4 angoli del cubo e un atomo al centro di ciascuna delle 6 facce del cubo. Da qui il nome di struttura reticolare cubica a facce centrate.

Figura 1. Reticolo cubico a facce centrate. Fonte: John A. Dutton e-Education Institute

Reticolo cubico a corpo centrato (CCC)

Come si può dedurre dal nome, questo reticolo è un reticolo cubico con un atomo o uno ione al centro del cubo. Tutti gli angoli hanno un atomo o uno ione, ma non le facce.

Figura 2. Reticolo cubico a corpo centrato. Fonte: Faculty of Engineering, Kiel University

Reticolo esagonale compatto (EC)

Ora, il nome di questa struttura reticolare potrebbe non farti venire subito in mente un'immagine. Questo reticolo non è cubico come i due precedenti. Il reticolo può essere suddiviso in tre strati: lo strato superiore e quello inferiore hanno atomi disposti in modo esagonale. Lo strato intermedio ha 3 atomi che sono inseriti tra i due strati, con gli atomi che si adattano perfettamente agli spazi degli atomi dei due strati.

Figura 3. Reticolo esagonale compatto. Fonte: Princeton University

Immagina di disporre 7 mele come lo strato superiore o inferiore di questo reticolo. Ora prova ad impilare 3 mele sopra queste ultime: come faresti? Le metteresti negli spazi vuoti, che è esattamente come sono disposti gli atomi di questo reticolo.

Esempi di reticoli cristallini

Ora che conosciamo la disposizione in cui possono trovarsi gli atomi di un composto, vediamo alcuni esempi di queste strutture reticolari.

Reticolo ionico gigante

Come ricorderai dai nostri articoli sul legame, il legame ionico si verifica attraverso il trasferimento di elettroni dai metalli ai non metalli. Questo fa sì che i metalli si carichino perdendo elettroni e formando ioni con carica positiva (cationi). I non metalli, invece, si caricano negativamente guadagnando elettroni. Il legame ionico, quindi, comporta la formazione di forti forze elettrostatiche tra ioni di carica opposta in una struttura reticolare.

Questi composti possono essere disposti in reticoli ionici giganti chiamati cristalli ionici. Vengono definiti "giganti" perché sono costituiti da un gran numero di ioni uguali disposti in modo ripetitivo.

Un esempio di reticolo ionico gigante è il cloruro di sodio, NaCl. Nel reticolo del cloruro di sodio, gli ioni Na⁺ e gli ioni Cl^- sono attratti l'uno dall'altro in direzioni opposte. Gli ioni sono impacchettati insieme in una forma cubica, con gli ioni negativi di dimensioni maggiori rispetto agli ioni positivi.

Figura 4. Reticolo ionico gigante di NaCl.

Un altro esempio di reticolo ionico gigante è l'ossido di magnesio, MgO. Analogamente al reticolo di NaCl, gli ioni Mg²⁺ e gli ioni O^2- sono attratti l'uno dall'altro nel reticolo. Inoltre, come nel reticolo di NaCl, sono impacchettati insieme in un reticolo cubico. Gli ioni negativi dell'ossigeno sono più grandi degli ioni positivi del magnesio.

Figura 5. Struttura reticolare dell'ossido di Magnesio, MgO.

Reticolo covalente

Un altro importante tipo di legame è il legame covalente. Il legame covalente si forma solo tra i non metalli.

Esistono due tipi di strutture che possono contenere legami covalenti: le strutture covalenti giganti e le strutture covalenti semplici. La differenza è che l'attrazione elettrostatica che tiene insieme le strutture giganti è più forte dell'attrazione elettrostatica che tiene insieme le strutture semplici.

Reticolo semplice

Alcuni esempi di semplici reticoli molecolari sono lo iodio, il buckminsterfullerene (C₆₀) e il ghiaccio.

Il buckminsterfullerene (C₆₀) è un allotropo del carbonio, il che significa che le sue molecole sono composte solo da atomi di carbonio. Il buckminsterfullerene (C₆₀₎ contiene in totale 60 atomi di carbonio, disposti in 20 anelli esagonali e 12 pentagonali. Questi anelli formano una struttura sferica.

Figura 6. Reticolo di buckminsterfullerene (C₆₀).

Quando l'acqua gela, le molecole di H₂O si dispongono in una struttura reticolare cristallina. Sapevi che l'acqua si espande quando gela? Questo perché le molecole d'acqua hanno più spazio tra loro quando si dispongono in una struttura cristallina rispetto allo stato liquido. I cerchi rossi sono atomi di ossigeno e i cerchi gialli sono atomi di idrogeno.

Figura 7. Molecole di acqua in un reticolo cristallino.

Lo iodio è un'altra molecola semplice le cui molecole sono disposte in un reticolo cristallino. Le molecole di iodio si dispongono in un reticolo cubico a facce centrate. Un reticolo cubico faccia-centrico è un cubo di molecole con altre molecole al centro delle facce del cubo.

Figura 8. Struttura reticolare dello iodio.

Il reticolo dello iodio può essere un po' difficile da visualizzare anche con un'immagine. Osservate il reticolo dall'alto: vedrete che le molecole sul lato destro e sinistro del cubo sono allineate allo stesso modo, mentre quelle al centro sono allineate in senso opposto.

Struttura gigante covalente

Esempi di reticoli molecolari giganti sono: la grafite, il diamante e l'ossido di silicio (IV).

Figura 9. Geometria dei reticoli molecolari giganti.

La grafite è un allotropo del carbonio, cioè è completamente composta da atomi di carbonio. La grafite è una struttura covalente gigante perché in una singola molecola di grafite possono esistere milioni di atomi di carbonio. Gli atomi di carbonio sono disposti in anelli esagonali e diversi anelli sono uniti tra loro per formare uno strato. La grafite è costituita da diversi strati sovrapposti.

Figura 10. Struttura della grafite.

I legami condivisi dagli atomi di carbonio in uno strato sono legami covalenti forti. Ogni atomo di carbonio crea 3 legami covalenti singoli con altri 3 atomi di carbonio. Tra gli strati esistono deboli forze intermolecolari (indicate dalle linee tratteggiate nella figura). La grafite è un materiale unico con proprietà e utilizzi molto interessanti, che potete approfondire in un articolo dedicato alla grafite.

Il diamante è un altro allotropo del carbonio e una struttura covalente gigante. Il diamante e la grafite sono entrambi composti completamente di carbonio, ma hanno proprietà completamente diverse. Ciò è dovuto alla differenza nella struttura reticolare dei due composti. Nel diamante, gli atomi di carbonio sono disposti in una struttura tetraedrica. Ogni atomo di carbonio crea 4 legami covalenti singoli con altri 4 atomi di carbonio.

Figura 11. Atomi di carbonio disposti in una struttura tetraedrica di un diamante.

Questa geometria tetraedrica rende il diamante il materiale più duro al mondo! Per saperne di più sul diamante, potete leggere l'articolo ad esso dedicato.

Un altro esempio di struttura covalente gigante è l'ossido di silicio (IV), noto anche come silice. La silice è il principale costituente della sabbia. La formula chimica della silice è SiO₂. Come il diamante, anche gli atomi della silice sono disposti in una geometria tetraedrica.

Figura 12. Disposizione tetraedrica degli atomi nell'ossido di silicio.

Grazie alla struttura tetraedrica, l'ossido di silicio (IV) è molto duro. La silice viene utilizzata anche per la formazione del vetro.

Reticolo metallico

Quando gli atomi dei metalli sono strettamente impacchettati tra loro, creano una forma regolare che chiamiamo reticolo metallico gigante.

All'interno di questo reticolo, ci sono elettroni liberi nel guscio esterno degli atomi di metallo. Questi elettroni liberi sono noti anche come elettroni "delocalizzati" e sono liberi di spostarsi all'interno della struttura permettendo la formazione di ioni positivi. Ciò porta alla formazione di un legame metallico.

Un esempio di reticolo metallico è il calcio, i cui ioni hanno una carica 2+. Il rame forma un reticolo cubico a facce centrate (CFC). In un reticolo CFC, c'è un atomo in ogni vertice del cubo e c'è un atomo al centro di ogni faccia del cubo. I metalli formano strutture metalliche giganti perché sono composti da milioni di atomi.

Figura 13. Reticolo cubico a facce centrate di rame. Fonte: John A. Dutton e-Education Institute

Caratteristiche dei reticoli

Reticoli ionici

I reticoli ionici giganti hanno punti di fusione e di ebollizione molto elevati a causa della forte attrazione che tiene uniti gli ioni.

Conducono l'elettricità, ma solo quando sono disciolti o fusi. Quando i reticoli ionici sono allo stato solido, gli ioni sono fissi in posizione e non possono muoversi, quindi l'elettricità non viene condotta.

I reticoli ionici giganti sono solubili in acqua e nei solventi polari, ma sono insolubili nei solventi non polari. I solventi polari hanno atomi con una grande differenza di elettronegatività. I solventi non polari contengono atomi con una differenza di elettronegatività relativamente piccola.

Reticoli covalenti

Reticoli semplici covalenti

I reticoli covalenti semplici hanno punti di fusione e di ebollizione bassi perché le forze intermolecolari tra le molecole sono deboli. Pertanto, è necessaria solo una piccola quantità di energia per rompere il reticolo.

Non conducono elettricità in nessuno degli stati - solido, liquido o gassoso - perché non ci sono ioni o elettroni delocalizzati che si muovono all'interno della struttura e trasportano una carica.

I reticoli covalenti semplici sono più solubili in solventi non polari e sono insolubili in acqua.

Reticoli giganti covalenti

I reticoli covalenti giganti hanno punti di fusione e di ebollizione elevati, poiché è necessaria una grande quantità di energia per rompere i forti legami tra le molecole.

La maggior parte di questi composti non può condurre l'elettricità perché non ci sono elettroni liberi disponibili per trasportare una carica. Tuttavia, la grafite può condurre l'elettricità perché ha elettroni delocalizzati.

Questi tipi di reticoli sono insolubili in acqua perché non contengono ioni.

Reticoli metallici

I reticoli metallici giganti hanno punti di fusione e di ebollizione moderatamente elevati a causa del forte legame metallico.

Questi reticoli possono condurre l'elettricità quando sono solidi o liquidi, poiché gli elettroni liberi sono disponibili in entrambi gli stati e possono spostarsi all'interno della struttura trasportando una carica elettrica.

Sono insolubili in acqua a causa dei legami metallici molto forti. Tuttavia, possono essere solubili solo in metalli liquidi.

Usi delle strutture cristalline

La struttura reticolare che gli atomi di un composto formano influisce sulle sue proprietà fisiche, come la duttilità e la malleabilità. Quando gli atomi sono disposti in una struttura reticolare cubica a facce centrate, il composto presenta un'elevata duttilità. I composti con struttura reticolare hcp presentano la deformabilità più bassa. I composti con struttura reticolare bcc si collocano tra quelli con struttura fcc e hcp in termini di duttilità e malleabilità.

Le proprietà influenzate dalle strutture reticolari sono utilizzate in molte applicazioni dei materiali. Ad esempio, gli atomi della grafite sono disposti in un reticolo hcp. Poiché gli atomi sono disposti con un offset rispetto agli atomi degli strati superiori e inferiori, gli strati possono spostarsi l'uno rispetto all'altro con relativa facilità. Questa proprietà della grafite è utilizzata nelle matite: gli strati possono spostarsi e staccarsi facilmente ed essere depositati su qualsiasi superficie, consentendo alla matita di "scrivere".