Sappiamo tutti quanto la scienza, pur essendo esatta (a meno di casi particolari) ed attendibile, risulti spesso intrisa di eccezioni ed imperfezioni che la rendono, paradossalmente, ancora più affascinante. Ognuno di noi ha pregi e difetti che ci rendono, però, delle persone uniche e speciali.
E nel caso dei solidi, anche questi presentano un lato nascosto colmo di imperfezioni che li rendono in qualche modo ‘pari’ ai nostri occhi, solitamente abituati ad osservare ogni forma di vita o qualunque tipo di oggetto con sguardo curioso e alle volte ipercritico, cercando di coglierne gli aspetti fondamentali, quella perfezione fin troppo spesso fittizia, nonché irraggiungibile a chiunque.
Questo ci insegna, la natura. Ad apprezzare ciò che si analizza cogliendo le affascinanti ed imperfette sfumature della stessa natura. Perché questa, nella sua manifesta imperfezione, costituisce un quadro i cui elementi, considerati singolarmente e poi assemblati insieme, costituiscono un meraviglioso scenario di perfezione e incredibile bellezza.
2.1. Introduzione
Nel quotidiano, qualsiasi processo o fenomeno correlato al mondo naturale tende spontaneamente all’equilibrio. Ad esempio, difficilmente si ‘riescono a trovare’ in natura degli atomi isolati, poiché questi tendono spontaneamente ad ‘accoppiarsi’, proprio come accade spesso nella vita delle persone. Già, persino gli atomi ‘soffrono di solitudine’ e, a parte i ‘resilienti’ quanto ‘orgogliosi’ gas nobili o anche la maggior parte dei metalli di transizione che si trovano allo stato elementare (generalmente solido), sembrerebbe proprio che il mondo sia costituito da qualsiasi genere di abbinamento, alle volte anche insolito.
Perché ciò accade? In breve, si tratta di una questione correlata all’energia. Gli atomi isolati hanno infatti un contenuto energetico maggiore, dunque raggiungono una maggiore stabilità attraverso la combinazione con altri elementi. In effetti, persino gli esseri umani, spesso in preda alla più costernante solitudine, non riescono sempre ad esprimere appieno il proprio stato d’animo, se non attraverso l’ascolto paziente di una o più persone che gli dimostrano (si spera!) conforto e comprensione.
Insomma, il controllo di se stessi – nonché la piena dominazione della propria forza interiore – non è sempre un compito di facile assoluzione… E nel caso delle molecole e degli atomi si può assumere che, nonostante l’intrinseca spontaneità da loro posseduta, anche questi seguano, nel rapportarsi con altre specie chimiche, delle ben precise ‘regole’ di coordinazione e ordinamento a seconda dello stato di aggregazione in cui essi si trovano.
Sappiamo, in effetti, che allo stato gassoso corrisponde uno stato maggiormente disordinato, in quanto i gas non hanno un volume proprio, sono comprimibili e le particelle che li compongono sono libere di muoversi in ogni direzione. Nel caso di un recipiente chiuso a volume noto, queste tenderanno a scontrarsi con maggiore frequenza e (forse) con maggiore efficacia, (ciò dipende dalla geometria delle molecole e dai vari meccanismi dell’urto connesse a queste) dunque il contenuto energetico di tale sistema dovrebbe essere abbastanza elevato.
Ad esempio, riguardo un ‘gas reale’ in cui si tiene conto di ogni singola interazione tra le particelle, ciò appare sicuramente ben evidente. Nel caso dello stato liquido, si ha in contemporanea una mutua situazione di ordine e disordine. Lo stato solido è, invece, lo stato ‘di maggior ordine e perfezione’, almeno sulla carta. Sì perché, in effetti, persino i solidi presentano dei difetti di carattere strutturale. Ma prima di parlarne, passiamo in rassegna alle loro principali caratteristiche fisico-chimiche, nonché al loro ‘perfetto metodo’ di combinazione.
2.2. Lo stato solido
Nello scorso articolo è stato nominato il Nichel cristallino, ovvero un solido avente una struttura profondamente ordinata descritta dalla struttura cristallina denominata ‘cubica a facce centrate’. In generale, lo stato solido è caratteristico di metalli di transizione e di molecole caratterizzate da un legame di tipo ionico, ovvero un legame in cui si ha una ‘distribuzione disomogenea di elettroni’ tra i due atomi.
Nello specifico, uno dei due atomi avrà una spiccata tendenza a trattenere su di sé gli elettroni con cui stabiliscono il legame: ad esso verrà attribuita, dunque, una carica negativa spesso indicata con il simbolo δ ‾ (delta -). Al contrario, l’altro atomo avrà minore tendenza a trattenere su di sé tali elettroni di legame, dunque gli verrà assegnato il simbolo δ + (delta +). Questa proprietà periodica generale degli atomi viene definita elettronegatività. Un esempio abbastanza semplice è dato dal sale da cucina, NaCl. Il Sodio, avendo un basso valore di elettronegatività (tabulato nella Tavola Periodica), tenderà a perdere, in tal caso, un elettrone di valenza (l’elettrone del guscio più esterno). Il Cloro, invece, essendo molto elettronegativo, tenderà ad acquistarne uno solo per completare l’ottetto.
La configurazione otteziale è in effetti la condizione cui aspirano i vari atomi nel combinarsi con altri atomi. Infatti, essendo i gas nobili degli elementi molto stabili aventi otto elettroni nel proprio guscio di valenza, anche gli altri atomi tendono a raggiungere tale condizione di stabilità a minore energia, come già accennato nell’introduzione.
Nel caso del Sodio, questo possiede ben 11 elettroni. Dunque, al fine di raggiungere una maggiore stabilità, questo tenderà a perdere un elettrone e a trasformarsi in ione positivo e ad assumere lo stesso numero di elettroni posseduti dal gas nobile che lo precede, ovvero l’Elio (He). Nel caso del Cloro, invece, questo guadagnerà un elettrone assumendo il medesimo numero di elettroni del gas nobile successivo, l’Argon (Ar) avente 18 elettroni. Ed ecco che la stabilità dei due elementi è effettivamente raggiunta. Entrambi sono ormai pronti a combinarsi tra di loro, formando un bellissimo solido cristallino.
E in sostanza, allo stato solido corrisponde, come anzidetto, uno stato di maggiore ordine e compattezza. Ma non è tutto oro quel che luccica. In effetti, scopriremo ben presto delle mancanze riguardanti vari composti di natura solida.
2.3. Gli ioni e le strutture dei solidi ionici
Tornando al caso del Sodio e del Cloro, questi due atomi risultano combinati tra loro attraverso una struttura cubica a facce centrate. Essendo caratterizzata da un legame di tipo ionico, tale struttura è costituita da ioni (atomi elettricamente carichi) sodio (Na+) e cloruro (Cl-) che, come già riferito, perdono e guadagnano rispettivamente un elettrone (il Sodio cede un elettrone al Cloro). Nella rappresentazione di un solido, tali unità strutturali (gli ioni) si ripetono schematicamente all’interno del reticolo cristallino (l’assetto tridimensionale in cui vengono ospitati tali ioni).
Gli ioni Na+ e Cl- si dispongono in modo ordinato e, precisamente, sei ioni Na+ sono circondati da sei ioni Cl- e viceversa. In natura tale struttura, che prende il nome di Salgemma, si presenta sotto questo aspetto:
A livello microscopico, ecco invece l’assetto tridimensionale e l’arrangiamento dei vari ioni che lo compongono:
Esistono varie tipologie di solidi ma, in generale, ci basti sapere che ne esistono sostanzialmente due categorie: i solidi cristallini (di cui stiamo parlando) e i solidi amorfi che, contrariamente ai primi, presentano delle irregolarità strutturali, come ad esempio il vetro.
2.4. Proprietà dei solidi ionici
Le proprietà fisiche dei solidi sono, in generale, le seguenti:
- Alte temperature di fusione e di ebollizione: è normale pensare, in effetti, che occorra una gran quantità di energia per fondere o far bollire un solido, data la sua struttura compatta e ben salda.
- Durezza: essendo la struttura dei solidi molto stabile, questi godono anche di un’intrinseca durezza.
- Fragilità: apparentemente, questa caratteristica sembra essere in contrasto con la precedente. In realtà, però, si tratta di due concetti differenti: il fatto che un solido sia più o meno resistente non è infatti intimamente connesso con la sua capacità di resistere agli attacchi e alle varie sollecitazioni meccaniche. Non si può sempre ‘resistere alle provocazioni’… I solidi possono infatti sfaldarsi, ovvero subire una rottura a seguito di un forte impatto. Le conseguenze che ne derivano riguardano una modificazione dell’entità strutturale del solido, con conseguente rottura dello stesso.
Può verificarsi, infatti, che gli ioni positivi del reticolo si sovrappongano gli uni con gli altri, così come gli ioni negativi. Sapendo dalla Fisica che cariche di segno uguale si respingono (mentre cariche di segno opposto si attraggono), il reticolo andrà incontro ad una rottura. Insomma, nella scienza sembra sia semplice stabilire delle ‘relazioni’. In questa situazione, ‘l’eterno contrasto’ è inesistente.
Ma nella vita reale di ogni persona, un dubbio permane: ‘chi si somiglia si piglia’ o ‘gli opposti si attraggono’? Nel caso precedente, abbiamo la risposta pronta. In questo caso… Credo sia meglio ‘cambiare’ argomento, in quanto non credo vi sia una risposta univoca a tale quesito 😂 .
Tornando alle caratteristiche dei solidi, questi ne hanno altre due:
- Solubilità in acqua
- Conducibilità elettrica: i solidi ionici non conducono elettricità, data la scarsa mobilità degli ioni che li compongono. Questi la conducono solo se fusi tramite elettrolisi.
2.5. Difettività dei solidi
Si è ribadito più e più volte quanto lo stato solido sia uno stato di perfetto ordine: ma cosa accadrebbe se questo presentasse dei difetti reticolari? Cosa succederebbe se gli ioni andassero, per così dire, in vacanza?
In effetti, i difetti dei solidi (in particolare di quelli ionici) riguardano principalmente la loro struttura. In particolare, ne esiste una tipologia denominata ‘difetti puntuali‘ che ne descrive, appunto le suddette mancanze. Ad esempio, può accadere che all’interno di un reticolo siano presenti delle impurezze o delle imperfezioni che lo rendono, proprio come qualsiasi essere umano, comunque affascinante ai nostri occhi. Nel caso delle impurezze, uno ione presente all’interno del reticolo può essere ad esempio sostituito da uno di maggiori dimensioni. Oppure, come si verifica nei cosiddetti difetti interstiziali, gli atomi si infiltrano tra gli interstizi ionici.
Altri difetti riguardano, appunto, il concetto di ‘vacanza’, ovvero mancanza di uno ione.
In particolare, questi vennero studiati dagli scienziati Schottky e Frenkel. Nello specifico, il primo scoprì che, all’interno di un cristallo come il Salgemma, può verificarsi contemporaneamente una vacanza di ioni positivi e negativi.
Nel secondo, invece, si verifica uno spostamento di un atomo o di uno ione (in genere positivo) dal suo sito reticolare ad uno interstiziale.
2.6. Conclusioni
Il perfezionismo è uno stato pericoloso in un mondo imperfetto…
Robert Silliman Hyller
Insomma, anche stavolta, siamo giunti all’ennesimo punto di arrivo. Un punto di arrivo che instilla in noi maggiore consapevolezza e, forse, apprezzamento nei riguardi di un mondo che, pur essendo terribilmente imperfetto, risulta perfettamente amalgamato a proposito delle leggi naturali che lo governano. In effetti, i difetti dei solidi appena enunciati avrebbero delle conseguenze importanti valutabili attraverso la Termodinamica ed altri astrusi concetti inerenti la Chimica Fisica (una disciplina a mio parere davvero difficile da comprendere). In ogni caso, ‘abbiamo sfatato’ – sebbene in realtà già lo sapessimo – l’ennesimo mito riguardante la (fittizia) perfezione scientifica, sebbene nella Chimica non sia semplicissimo scovare tali imperfezioni. Effettivamente, questa potrebbe definirsi una scienza quasi perfetta che, con le sue regole, riesce a giustificare ogni fenomeno.
Ma come al solito, la Termodinamica riesce sempre a ‘rovinare’ tutto… 😂 🙈 Scherzi a parte, vi sono delle condizioni che nessuno – se non un perfetto scienziato – andrebbe a considerare nella normalità, dato che queste afferiscono al mondo termodinamico, che si occupa di studiare un dato sistema in opportune condizioni di temperatura e in funzione di altri astrusi parametri.
Eppure, la Termodinamica rappresenta il cuore pulsante – nonché la ‘causa’ – della vita di ciascuno, sebbene io non riesca ancora (e forse non ci riuscirò mai) ad apprezzarla… Chissà, magari perché questa branca è intimamente connessa alla Fisica, altra scienza ricchissima di implicazioni e concetti di difficile comprensione (se applicata alla risoluzione di problemi tutt’altro che semplici…).
Ma pensando alla nostra vita quotidiana, il tutto risulta ‘più semplice’. Ognuno è infatti cosciente delle proprie imperfezioni sebbene, alle volte, risulti difficile accettarle. Come afferma, però, il poeta statunitense Hyller, risulta inutile sforzarsi di modificare radicalmente le proprie abitudini puntando alla perfezione.
All’uomo il compito di crearsi il proprio angolo di Paradiso, la propria dimensione perfetta affinché egli possa trovare, insieme ad una moltitudine di difetti, un motivo per analizzare se stesso con giustizia e ‘leggerezza’, cercando di migliorare laddove presenti delle eccessive mancanze. In fondo, proprio come nella scienza, siamo costantemente alla ricerca di un miglioramento e appagamento personali.
Quanto ai cambiamenti… Lasciamoli a chi di dovere. Poiché in effetti, per quanto ci si sforzi, nessuno può veramente modificare la propria natura (in quanto perfettamente conforme ai propri bisogni), se non le leggi governative (spesso assurde) che costituiscono il caotico sistema in cui viviamo (ancora più ‘squilibrato’ delle leggi della Termodinamica che perlomeno e malgrado non sembri, risultano scientificamente comprovate!)
