Solidi metallici, ionici, covalenti e molecolari

Perché il diamante è durissimo e il ghiaccio fragile? Perché il rame conduce la corrente e il sale no, almeno da solido? Perché alcuni solidi fondono a migliaia di gradi e altri a temperatura ambiente? Le risposte non stanno negli atomi presi singolarmente, ma nel tipo di legame che li tiene insieme nel cristallo. Classificare i solidi in base al legame è la chiave per prevederne le proprietà.

Vediamo i quattro grandi tipi di solido cristallino — metallico, ionico, covalente e molecolare — e come la natura del legame spiega durezza, fusione, conducibilità e fragilità di ciascuno.

Quattro modi di tenere insieme un cristallo

I solidi cristallini si classificano in quattro famiglie principali, secondo la natura delle forze che legano le unità nel reticolo. Nei solidi metallici cationi immersi in un «mare» di elettroni delocalizzati; nei solidi ionici ioni di carica opposta tenuti dall’attrazione elettrostatica; nei solidi covalenti (o reticolari) atomi uniti da una rete continua di legami covalenti; nei solidi molecolari molecole intere tenute insieme da deboli forze intermolecolari.

Come il legame determina le proprietà

Da questa classificazione discendono quasi tutte le proprietà osservabili. I metallici conducono bene corrente e calore (gli elettroni sono liberi di muoversi), sono duttili e malleabili (gli strati di cationi scorrono senza spezzare il legame col mare elettronico) e hanno lucentezza caratteristica. I covalenti sono durissimi e altofondenti, perché rompere il cristallo significa spezzare legami covalenti forti in ogni direzione (diamante, quarzo, carburo di silicio). Gli ionici sono duri ma fragili, isolanti da solidi e conduttori se fusi. I molecolari sono teneri e bassofondenti, perché basta vincere le deboli forze tra le molecole, non i legami interni (ghiaccio, zucchero, iodio, gran parte dei composti organici).

L’energia che tiene insieme i solidi ionici

Per i solidi ionici, la coesione è quantificata dall’energia reticolare, l’energia liberata assemblando il cristallo dagli ioni gassosi. Essa cresce con il prodotto delle cariche degli ioni e diminuisce con la loro distanza, secondo una relazione di tipo coulombiano:

Ereticolare ∝ z+ · z−d

dove z₊ e z₋ sono le cariche degli ioni e d la distanza tra i loro centri. Questo spiega perché l’ossido di magnesio (ioni con carica doppia, 2+ e 2−) fonde a circa 2800 °C, ben più del cloruro di sodio (cariche singole): cariche più alte significano energia reticolare molto maggiore e quindi punti di fusione altissimi. La stessa logica vale, con i dovuti adattamenti, per spiegare durezza e solubilità.

Riconoscere il tipo di solido

Spesso si può intuire la famiglia di un solido da poche osservazioni semplici. Un materiale lucente, che si piega senza rompersi e conduce la corrente è quasi certamente metallico. Un solido durissimo, che non conduce e fonde a temperature elevatissime fa pensare a un covalente reticolare. Un cristallo duro ma fragile, isolante da solido ma che conduce una volta sciolto in acqua, è tipicamente ionico. Un solido tenero, che fonde a bassa temperatura, spesso volatile o odoroso e non conduttore, è con ogni probabilità molecolare. Punto di fusione, durezza, conducibilità e solubilità sono quindi indizi rapidi che, combinati, indirizzano verso il tipo di legame e quindi verso il comportamento atteso del materiale.

Perché conta nella pratica

Saper riconoscere a quale famiglia appartiene un solido permette di prevederne il comportamento senza misurarlo: se è duro o tenero, se conduce, a che temperatura fonde, se è solubile, se è fragile. È uno strumento di ragionamento utilissimo per chi sceglie materiali, formula prodotti o interpreta il comportamento di una sostanza. Capire che il punto di fusione altissimo di un ossido refrattario nasce dall’energia reticolare, o che la duttilità di un metallo viene dal mare elettronico, significa collegare la struttura microscopica alle proprietà che contano in produzione e nell’uso. È la sintesi applicativa di tutto il percorso sullo stato solido.

Domande frequenti

Quali sono i quattro tipi di solido cristallino?

Sono il metallico (cationi in un mare di elettroni delocalizzati), l’ionico (ioni di carica opposta legati elettrostaticamente), il covalente o reticolare (atomi uniti da una rete continua di legami covalenti) e il molecolare (molecole tenute insieme da deboli forze intermolecolari). Il tipo di legame determina le proprietà del materiale.

Perché i metalli conducono la corrente e i sali no?

Perché nei metalli gli elettroni di valenza sono delocalizzati in un «mare» comune e liberi di muoversi, trasportando corrente. Nei solidi ionici, invece, le cariche sono ioni bloccati nel reticolo: da solidi non conducono. Diventano conduttori solo quando vengono fusi o disciolti, perché allora gli ioni sono liberi di spostarsi.

Perché il diamante è così duro?

Perché è un solido covalente: ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro da legami covalenti fortissimi in una rete tridimensionale continua. Per scalfirlo o romperlo bisognerebbe spezzare un’enorme quantità di questi legami in ogni direzione, cosa estremamente difficile. La stessa struttura lo rende anche un eccellente conduttore di calore.

Perché lo zucchero e il ghiaccio fondono a bassa temperatura?

Perché sono solidi molecolari: le molecole intere sono tenute insieme solo da deboli forze intermolecolari. Per fonderli basta vincere queste forze deboli, non i legami covalenti interni alle molecole, che restano intatti. Per questo i solidi molecolari sono in genere teneri, bassofondenti e isolanti.

Che cos’è l’energia reticolare?

È l’energia liberata quando gli ioni gassosi si assemblano in un cristallo ionico, e misura la forza di coesione del solido. Cresce con il prodotto delle cariche degli ioni e diminuisce con la loro distanza. Spiega perché l’ossido di magnesio, con ioni di carica doppia, fonde a temperatura molto più alta del cloruro di sodio, con cariche singole.