Ancora sugli stati di aggregazione della materia e relazione qualitativa con i modelli del legame chimico

Generalità

    Lo stato fisico delle sostanze, a parità di temperatura e pressione, dipende dal tipo di legame esistente tra le molecole o ioni che le costituiscono. La tipologia di legame che si stabilisce tra le molecole determina l'energia necessaria per modificare lo stato di aggregazione.
A livello atomico o molecolare lo stato di aggregazione rende conto della distanza tra le particelle e della loro libertà di movimento.
Come senso comune (non perfettamente scientifico) definiamo solide, liquide o aeriformi, le sostanze che sono in quella specifica condizione a temperatura e pressione prossime a quelle definite come ambientali. Modificando le condizioni di temperatura e pressione, tutte le sostanze, se non subiscono trasformazioni chimiche o decomposizione, possono essere solide, liquide o aeriformi. Aumentando la temperatura si verifica un aumento dell'energia cinetica posseduta dalle molecole con maggiore possibilità di rottura dei legami coesivi (energia potenziale). Superati certi limiti di temperatura si verificano transizioni di fase verso stati di aggregazione meno condensati. Per contro tutte le sostanze si possono trovare allo stato solido, basta abbassare la temperatura al di sotto di un certo valore.

Lo stato SOLIDO

    Nello stato solido, le forze attrattive esistenti tra le particelle, che possono essere di intensità molto diversa, prevalgono ampiamente sull'effetto dell'agitazione termica. Ciò comporta una ridotta libertà di movimento limitata a moti vibrazionali.
    Le sostanze allo stato solido sono pressoché incomprimibili e rigide, pertanto hanno forma e dimensione propria. Esistono sostanzialmente due classi di solidi: Cristallini e Amorfi. Nei solidi cristallini si hanno strutture perfettamente definite a livello ionico o molecolare secondo uno schema geometrico caratteristico, mentre nei solidi amorfi (senza forma) si osservano disposizioni piuttosto casuali.

Solidi ionici: (attrazione ione-ione)
    Per questi tipi di solidi le posizioni reticolari sono occupate da ioni. Presentano punti di fusione relativamente alti. Sono piuttosto duri ma altrettanto fragili. Hanno bassa conducibilità elettrica allo stato solido (conducono allo stato liquido). Normalmente sono solubili in solventi polari.

Solidi molecolari: (interazioni deboli)
    Per questi tipi di solidi le posizioni reticolari sono occupate da molecole tenute insieme da forze di van der Waals e legami idrogeno. Fondono o sublimano a temperature relativamente basse dipendenti dalle interazioni molecolari (es. il glucosio presenta forti interazioni e il saccarosio, di dimensioni maggiori, presenta interazioni ancora più forti). Sono di consistenza tenera e conducono molto male sia la corrente elettrica che il calore.

Solidi covalenti: (legame covalente)
    Le posizioni reticolari di questi tipi di solidi sono occupate da atomi legati tra loro mediante legami covalenti, il tutto produce una molecola gigante estesa a tutto il cristallo. Sono moldo duri, presentano temperature di fusione molto elevate e sono cattivi conduttori del calore e dell'elettricità. Tra i composti più noti che sono solidi covalenti citiamo il diamante (JSmol view) , una forma allotropica del carbonio in cui tutti gli atomi hanno ibridazione sp³ con struttura tetraedrica, e il quarzo_alfa (JSmol view) , una forma cristallina del diossido di silicio.

Solidi metallici : (legame metallico)
    Le posizioni reticolari di questi tipi di solidi sono occupate da ioni dei metalli (cationi): gli elettroni di valenza, in maniera complessa, tengono salda la struttura pur essedo altamente delocalizzati. La delocalizzazione degli elettroni rende conto delle proprietà di questi solidi: elevata conduttività termica ed elettrica, duttilità, malleabilità e lucentezza. Hanno temperature di fusione molto variabili (per esempio: Na = 99°C; Sn = 232°C; Pb = 327°C; Au = 1064°C; Fe = 1535°C) e si passa da metalli molto teneri (metalli alcalini) ad altri molto duri (es. titanio)

Lo stato LIQUIDO

    I liquidi non hanno forma propria, ma assumono quella del recipiente che li contiene.
Lo stato liquido è uno stato condensato e le particelle sono legate l’una all’altra con forze sufficienti a mantenere la complessiva aggregazione.
All’interno del liquido non è presente la struttura ordinata tipica dei solidi. Le molecole possono scorrere le une sulle altre e godono di una certa libertà di movimento anche se decisamente inferiore a quella posseduta dalle molecole di una gas nei quali risultano quasi del tutto indipendenti le une dalle altre. Questo fa sì che i liquidi non abbiano una forma decisamente propria, ma assumono, trascurando i fenomeni interfacciali, quella del recipiente in cui si adagiano.
I liquidi hanno volume proprio e sono pressoché incomprimibili.
In funzione del tipo di sostanza liquida che andiamo a considerare, le molecole possono incontrare maggiore o minore resistenza a muoversi all’interno del liquido stesso; maggiore è la resistenza che incontrano, maggiore è la viscosità del liquido. La viscosità di un liquido in genere diminuisce all'aumentare della temperatura e viceversa.

Liquidi ionici:
    nei quali le particelle sono ioni (sali fusi o particolarissime sostanze organiche)
liquidi molecolari:
    costituiti da molecole discrete (acqua pf. 0°C, benzene pf. 5.5°C, cicloesano pf. 6°C)
liquidi metallici:
    metalli liquidi o fusi, costituiti come i metalli solidi ma gli ioni sono mobili. Lo stato fisico di quasi tutti i metalli, a 25°C, è quello solido. Fa eccezione il mercurio (Hg) che fonde a circa -39°C. Ci sono metalli che fondono poco sopra 25° (francio 27, cesio 28.5, gallio 29.8), mentre altri fondono a temperature che superano i 3000 gradi centigradi (tungsteno 3410, renio 3180, osmio 3045)
Nel link seguente presento una tabella periodica che mostra, sfruttando l'intensità di colore variabile, la temperatura di fusione degli elementi. Al passaggio del mouse viene visualizzato il valore effettivo (Tabella dei punti di fusione).

Relazione qualitativa tra i modelli del legame chimico e stato fisico

* Molte sostanze costituite da molecole discrete, a temperature ordinarie, possono presentarsi allo stato solido o liquido a causa delle relativamente forti "forze di coesione intermolecolari" (es Br₂, I₂, H₂O, C₆C₆, C₆H₁₂O₆, C₁₂H₂₂O₁₁ etc.)