CRISTALLI METALLICI
Nei corpi solidi, che la chimica definisce cristalli, gli
atomi, gli ioni o le molecole (particelle) sono disposti nello
spazio con grande regolarità geometrica o periodicità tridimensionale, tale da costituire un reticolo spaziale: essi sono
disposti su piani tra loro paralleli (piani atomici) e
s’allineano secondo rette, giacenti sui piani e parallele fra
loro (filari).
Tutto l’edificio cristallino macroscopico, che può assumere
ogni forma (figura 1.08), può esser ottenuto per aggregazione di celle elementari (minor gruppo di atomi, che mantiene costante la simmetria del reticolo cristallino), che sono i mattoncini dell’edificio cristallino (figura 1.09).
Spesso il reticolo cristallino è rappresentato da un reticolato
di rette che s’intersecano in punti (nodi), che rappresentano
le posizioni del baricentro dei singoli atomi.
Tutti i metalli allo stato solido sono corpi cristallini,
cioè formati da cristalli la cui simmetria, desumibile dalla
cella elementare, è di quattro tipi fondamentali: esagonale
compatta, esagonale semplice, cubica corpo centrato e cubica facce centrate (figura 1.09).
Figura 1.08. Esempio d’un cristallo macroscopico ottenuto per
aggregazione di molte celle elementari con simmetria cubica.
Esagonale compatto
Cubico corpo centrato (ccc)
Esagonale normale
Cubico facce centrate (cfc)
Figura 1.09. Celle elementari che rappresentano le principali
simmetrie dei reticoli cristallini dei metalli.
Nei cristalli metallici gli atomi sono a stretto contatto
fra loro e tendono ad assumere una configurazione di massima costipazione (figura 1.10).
Figura 1.10 A. Disposizione degli atomi in un reticolo cubico
corpo centrato (ccc).
Figura 1.10 B. Disposizione degli atomi in un reticolo cubico facce centrate (cfc).
La distanza fra i nuclei è definita dall’equilibrio tra le
forze attrattive (per esempio al legame degli elettroni di valenza, all’attrazione elettrica tra cariche di segno opposto –
nuclei positivi ed elettroni negativi) e le forze repulsive (per
esempio alla repulsione tra cariche elettriche dello stesso
segno, ovvero cariche dei nuclei dei singoli atomi).
È interessante constatare che la forza attrattiva tra due masse è proporzionale al loro prodotto ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i baricentri delle masse stesse (legge di Newton).
Analogamente due cariche elettriche puntiformi di segno
opposto s’attirano o di ugual segno si respingono con forza
proporzionale al prodotto delle cariche ed inversamente
proporzionale al quadrato della distanza tra le cariche stesse
(legge di Coulomb).
Ed ancora, l’interazione tra due magneti s’interpreta, in analogia alle forze gravitazionali ed elettriche, come azione
del campo magnetico generato da un magnete ed agente
sull’altro.
Forse questo significa che la massa, l’elettricità e il magnetismo sono espressioni di un’unica realtà fisica
dell’universo in cui materia, energia, spazio e tempo sono
un’unica cosa? Le più recenti teorie fisiche ne dimostrano
l’attendibilità. Non solo, hanno anche unificato le forze deboli con le forze elettromagnetiche, salvo quella gravitazionale e l’interazione “forte”, che ancora sfuggono ad una
teoria d’unificazione globale.
A distanza relativamente grande prevalgono le forze attrattive; a piccola distanza quelle repulsive. Perciò esisterà una
posizione d’equilibrio in cui l’energia del sistema sarà minima (figura 1.11).
Energia negativa 0 Energia positiva
Distanza d’equilibrio
Forza attrattiva
Energia di legame
Forza repulsiva
Distanza tra gli atomi
Figura 1.11. Distanza d’equilibrio tra due atomi adiacenti in un
reticolo cristallino.
