1. Stato cristallino e stato amorfo.
Proprietà fisiche dei cristalli.
Anisotropia e Isotropia
Proprietà fisiche dei cristalli.
Anisotropia e Isotropia
Un cristallo è un corpo solido in cui gli atomi sono disposti in modo ordinato e periodico, oscillando intorno a definite posizioni dello spazio. Il significato degli aggettivi “ordinato e periodico” è che, immaginando di percorrere la struttura del cristallo in determinate direzioni, si ritrovano atomi identici, o per lo meno con simili proprietà chimiche, ad intervalli costanti, il cui valore è in genere diverso passando da una direzione all’altra. La stessa definizione può essere applicata alla massima parte dei minerali, se si aggiunge che il corpo solido deve essere naturale, ossia formatosi spontaneamente in natura. Il complesso di atomi disposti ordinatamente e periodicamente viene spesso definito un reticolo cristallino o anche materia allo stato cristallino.
Quando il solido cristallino è sottoposto a temperature via via crescenti, aumenta sempre più l’entità della vibrazione degli atomi, finchè, raggiunta la temperatura di fusione caratteristica della sostanza in esame, il reticolo cristallino collassa e si passa allo stato liquido, in cui gli atomi, pur mostrando ancora un certo grado di coesione, non oscillano più intorno a definite posizioni dello spazio, ma hanno una relativa libertà di movimento.
Il passaggio tra stato cristallino e stato liquido può essere reversibile in conseguenza dell’innalzamento o dell’abbassamento della temperatura intorno a quella di fusione del solido, ma non sono rati i casi di passaggio per raffreddamento dallo stato liquido ad uno stato pseudo solido, in cui gli atomi, pur tornando a vibrare intorno a posizioni fisse, non assumono una disposizione ordinata e periodica: questo stato della materia è lo stato amorfo. In genere si passa a questo stato se il raffreddamento del liquido è troppo rapido (fenomeni di sopraraffreddamento) o in assenza di opportuni catalizzatori. La disposizione degli atomi in vetri, che si ottengono dal raffreddamento di un fuso ricco di silice (biossido di silicio), è considerata un classico esempio di stato amorfo.
E’ tuttavia quasi certo che un solido completamente allo stato amorfo non esiste: anche se a volte non è facile metterlo in evidenza, è probabile che ci sia sempre un certo grado di ordinamento, magari limitato a ristrette zone dello spazio occupato dal solido: infatti lo stato cristallino è termodinamicamente più stabile di quello amorfo e, in linea teorica, gli atomi di una sostanza amorfa tendono prima o poi a disporsi spontaneamente in modo ordinato e periodico (fenomeni di devetrificazione). C’è da osservare però che la velocità di questa trasformazione può essere estremamente bassa, per cui lo stato amorfo può perdurare per tempi lunghissimi; in natura si trovano spesso ossidiane, cioè vetri di origine vulcanica, all’interno delle quale si osservano al microscopio inizi di cristallizzazione.
Si conoscono in natura anche esempi di trasformazione inversa dallo stato cristallino a quello amorfo, per esempio quelli mostrati da certi silicati di terre rare, ortite e gadolinite, contenenti nel reticolo cristallino anche elementi radioattivi, detta metamittica, deriva dall’azione distruttiva dell’ordine presente originariamente nell’edificio cristallino causata dalla energia che si libera durante la disintegrazione degli elementi radioattivi contenuti nel minerale. Basta però riscaldare lo stesso, anche per poco tempo, a temperature inferiori a quelle di fusione, per permettere un riassettamento degli atomi e ristabilire l’ordine caratteristico dello stato cristallino.
Le definizioni di stato cristallino e di stato amorfo sono legate a quelle di anisotropia e di isotropia dei solidi nei confronti delle proprietà fisiche da essi mostrate. Alcune di queste (per esempio la densità di un solido) sono dette scalari, poiché il loro valore non dipende dalla direzione in cui esso viene misurato; altre proprietà (per esempio la velocità di propagazione della luce nel solido) sono dette direzionali, perché il valore misurato cambia nella maggior parte dei casi con la direzione in cui, nel solido, viene osservata la proprietà fisica. Infine altre proprietà fisiche (per esempio la durezza, ossia la resistenza che il solido oppone ad essere scalfito da una punta) sono dette vettoriali perché la loro misura varia non solo con la direzione di osservazione, ma, fissata quest’ultima, può cambiare anche con il verso in cui la proprietà fisica viene misurata.
Rispetto ad una proprietà fisica direzionale o vettoriale un particolare solido è detto anisotropo, se la misura è effettivamente diversa al cambiare della direzione; se invece la misura rimane costante per qualsiasi direzione esaminata il solido è detto isotropo per quella proprietà fisica. I solidi cristallini mostrano sempre anisotropie per almeno una proprietà fisica direzionale o vettoriale, quelli amorfi sono isotropi per tutte.
L’anisotropia è perciò una conseguenza della disposizione ordinata e periodica degli atomi: poiché, come si è detto, la periodicità con cui essi si ripetono nell’edificio cristallino è solitamente diversa per le diverse direzioni in cui possiamo immaginare di percorrere la struttura del cristallo, in modo molto semplificato si può affermare che questa diversità può anche manifestarsi microscopicamente nei differenti valori misurati di una proprietà fisica direzionale o vettoriale.
Nei solidi amorfi, in cui non è presente l’ordinamento degli atomi, tutte le direzioni sono statisticamente equivalenti e perciò i valori di una proprietà fisica sono costanti in qualunque direzione vengano misurati.
Oltre a quelle citate sopra, si conoscono numerose altre proprietà fisiche per le quali i cristalli mostrano anisotropia e i solidi amorfi no, per esempio la dilatabilità termica, varie proprietà elettriche o magnetiche, la sfaldabilità (ossia la proprietà dei cristalli di spezzarsi parallelamente a definiti piani), la velocità di corrosione per azione di un solvente, ecc.
Anche la velocità di accrescimento di un germe cristallino è una proprietà fisica che dipende dalla direzione: una facile esperienza di ciò si ha immergendo un cristallo (per esempio di allume) molato artificialmente in forma di sfera in una sua soluzione acquosa satura: via via che il solvente evapora il cristallo si accresce, ma non mantiene la forma sferica come dovrebbe se la velocità di accrescimento fosse eguale in tutte le direzioni; il cristallo viceversa tende ad assumere la forma di un solido geometrico delimitato da facce piane, spigoli nei luoghi di incontro di due facce e vertici dove si incontrano tre o più facce. Ciò significa che normalmente alle facce la velocità di accrescimento è più bassa di quanto non lo sia nella direzione normale a uno spigolo o in quelle lungo le quali si manifestano vertici.
Se ci limitiamo a considerare solo la forma esterna, ossia la sua morfologia, un cristallo può essere definito come una porzione di sostanza cristallina, in cui gli atomi sono disposti in modo ordinato e periodico, limitata da facce poligonali, formatesi spontaneamente in dipendenza dell’ambiente chimico-fisico in cui il cristallo si è accresciuto.
L’aspetto esterno di un cristallo permette di definirlo col nome che ha il solido geometrico di corrispondente morfologia: così si parla di cristalli cubici, ottaedrici, icositetraedrici, prismatici, ecc.
Gli elementi morfologici di un cristallo sono: gli spigoli, i vertici e le facce; fra essi vale la nota relazione di Eulero: F+V=S+2 (dove F, V ed S sono rispettivamente il numero delle facce, dei vertici e degli spigoli), relazione comune anche a tutti i solidi geometrici.
La morfologia di un cristallo è, come vedremo, in stretta relazione con la sua struttura: ne è in pratica una conseguenza; le variazioni dell’ambiente di formazione possono incidere o solo sulla morfologia (differente sviluppo di facce e spigoli) senza modificare la struttura del cristallo o anche cambiare quest’ultima e, quindi, a maggior ragione, la morfologia. Esistono tuttavia casi in cui dopo che un cristallo si è formato, può intervenire una variazione nella struttura indotta per esempio da un cambiamento di temperatura; in tal caso il cristallo può conservare la morfologia legata alla struttura iniziale (paramorfosi), ma in realtà non si ha di solito più un cristallo singolo ma un aggregato di minuti cristalli con la nuova struttura. Un fenomeno analogo accade altre volte, quando la variazione di struttura è conseguenza di alterazione a cambiamento della composizione chimica (pseudomorfosi). Un esempio del primo fenomeno è dato dal minerale leucite, che cambia struttura a circa 600°C; i cristalli di pirite (solfuro di ferro) alteratisi in goethite (idrossido di ferro) sono invece un esempio di pseudomorfosi.
Quando il solido cristallino è sottoposto a temperature via via crescenti, aumenta sempre più l’entità della vibrazione degli atomi, finchè, raggiunta la temperatura di fusione caratteristica della sostanza in esame, il reticolo cristallino collassa e si passa allo stato liquido, in cui gli atomi, pur mostrando ancora un certo grado di coesione, non oscillano più intorno a definite posizioni dello spazio, ma hanno una relativa libertà di movimento.
Il passaggio tra stato cristallino e stato liquido può essere reversibile in conseguenza dell’innalzamento o dell’abbassamento della temperatura intorno a quella di fusione del solido, ma non sono rati i casi di passaggio per raffreddamento dallo stato liquido ad uno stato pseudo solido, in cui gli atomi, pur tornando a vibrare intorno a posizioni fisse, non assumono una disposizione ordinata e periodica: questo stato della materia è lo stato amorfo. In genere si passa a questo stato se il raffreddamento del liquido è troppo rapido (fenomeni di sopraraffreddamento) o in assenza di opportuni catalizzatori. La disposizione degli atomi in vetri, che si ottengono dal raffreddamento di un fuso ricco di silice (biossido di silicio), è considerata un classico esempio di stato amorfo.
E’ tuttavia quasi certo che un solido completamente allo stato amorfo non esiste: anche se a volte non è facile metterlo in evidenza, è probabile che ci sia sempre un certo grado di ordinamento, magari limitato a ristrette zone dello spazio occupato dal solido: infatti lo stato cristallino è termodinamicamente più stabile di quello amorfo e, in linea teorica, gli atomi di una sostanza amorfa tendono prima o poi a disporsi spontaneamente in modo ordinato e periodico (fenomeni di devetrificazione). C’è da osservare però che la velocità di questa trasformazione può essere estremamente bassa, per cui lo stato amorfo può perdurare per tempi lunghissimi; in natura si trovano spesso ossidiane, cioè vetri di origine vulcanica, all’interno delle quale si osservano al microscopio inizi di cristallizzazione.
Si conoscono in natura anche esempi di trasformazione inversa dallo stato cristallino a quello amorfo, per esempio quelli mostrati da certi silicati di terre rare, ortite e gadolinite, contenenti nel reticolo cristallino anche elementi radioattivi, detta metamittica, deriva dall’azione distruttiva dell’ordine presente originariamente nell’edificio cristallino causata dalla energia che si libera durante la disintegrazione degli elementi radioattivi contenuti nel minerale. Basta però riscaldare lo stesso, anche per poco tempo, a temperature inferiori a quelle di fusione, per permettere un riassettamento degli atomi e ristabilire l’ordine caratteristico dello stato cristallino.
Le definizioni di stato cristallino e di stato amorfo sono legate a quelle di anisotropia e di isotropia dei solidi nei confronti delle proprietà fisiche da essi mostrate. Alcune di queste (per esempio la densità di un solido) sono dette scalari, poiché il loro valore non dipende dalla direzione in cui esso viene misurato; altre proprietà (per esempio la velocità di propagazione della luce nel solido) sono dette direzionali, perché il valore misurato cambia nella maggior parte dei casi con la direzione in cui, nel solido, viene osservata la proprietà fisica. Infine altre proprietà fisiche (per esempio la durezza, ossia la resistenza che il solido oppone ad essere scalfito da una punta) sono dette vettoriali perché la loro misura varia non solo con la direzione di osservazione, ma, fissata quest’ultima, può cambiare anche con il verso in cui la proprietà fisica viene misurata.
Rispetto ad una proprietà fisica direzionale o vettoriale un particolare solido è detto anisotropo, se la misura è effettivamente diversa al cambiare della direzione; se invece la misura rimane costante per qualsiasi direzione esaminata il solido è detto isotropo per quella proprietà fisica. I solidi cristallini mostrano sempre anisotropie per almeno una proprietà fisica direzionale o vettoriale, quelli amorfi sono isotropi per tutte.
L’anisotropia è perciò una conseguenza della disposizione ordinata e periodica degli atomi: poiché, come si è detto, la periodicità con cui essi si ripetono nell’edificio cristallino è solitamente diversa per le diverse direzioni in cui possiamo immaginare di percorrere la struttura del cristallo, in modo molto semplificato si può affermare che questa diversità può anche manifestarsi microscopicamente nei differenti valori misurati di una proprietà fisica direzionale o vettoriale.
Nei solidi amorfi, in cui non è presente l’ordinamento degli atomi, tutte le direzioni sono statisticamente equivalenti e perciò i valori di una proprietà fisica sono costanti in qualunque direzione vengano misurati.
Oltre a quelle citate sopra, si conoscono numerose altre proprietà fisiche per le quali i cristalli mostrano anisotropia e i solidi amorfi no, per esempio la dilatabilità termica, varie proprietà elettriche o magnetiche, la sfaldabilità (ossia la proprietà dei cristalli di spezzarsi parallelamente a definiti piani), la velocità di corrosione per azione di un solvente, ecc.
Anche la velocità di accrescimento di un germe cristallino è una proprietà fisica che dipende dalla direzione: una facile esperienza di ciò si ha immergendo un cristallo (per esempio di allume) molato artificialmente in forma di sfera in una sua soluzione acquosa satura: via via che il solvente evapora il cristallo si accresce, ma non mantiene la forma sferica come dovrebbe se la velocità di accrescimento fosse eguale in tutte le direzioni; il cristallo viceversa tende ad assumere la forma di un solido geometrico delimitato da facce piane, spigoli nei luoghi di incontro di due facce e vertici dove si incontrano tre o più facce. Ciò significa che normalmente alle facce la velocità di accrescimento è più bassa di quanto non lo sia nella direzione normale a uno spigolo o in quelle lungo le quali si manifestano vertici.
Se ci limitiamo a considerare solo la forma esterna, ossia la sua morfologia, un cristallo può essere definito come una porzione di sostanza cristallina, in cui gli atomi sono disposti in modo ordinato e periodico, limitata da facce poligonali, formatesi spontaneamente in dipendenza dell’ambiente chimico-fisico in cui il cristallo si è accresciuto.
L’aspetto esterno di un cristallo permette di definirlo col nome che ha il solido geometrico di corrispondente morfologia: così si parla di cristalli cubici, ottaedrici, icositetraedrici, prismatici, ecc.
Gli elementi morfologici di un cristallo sono: gli spigoli, i vertici e le facce; fra essi vale la nota relazione di Eulero: F+V=S+2 (dove F, V ed S sono rispettivamente il numero delle facce, dei vertici e degli spigoli), relazione comune anche a tutti i solidi geometrici.
La morfologia di un cristallo è, come vedremo, in stretta relazione con la sua struttura: ne è in pratica una conseguenza; le variazioni dell’ambiente di formazione possono incidere o solo sulla morfologia (differente sviluppo di facce e spigoli) senza modificare la struttura del cristallo o anche cambiare quest’ultima e, quindi, a maggior ragione, la morfologia. Esistono tuttavia casi in cui dopo che un cristallo si è formato, può intervenire una variazione nella struttura indotta per esempio da un cambiamento di temperatura; in tal caso il cristallo può conservare la morfologia legata alla struttura iniziale (paramorfosi), ma in realtà non si ha di solito più un cristallo singolo ma un aggregato di minuti cristalli con la nuova struttura. Un fenomeno analogo accade altre volte, quando la variazione di struttura è conseguenza di alterazione a cambiamento della composizione chimica (pseudomorfosi). Un esempio del primo fenomeno è dato dal minerale leucite, che cambia struttura a circa 600°C; i cristalli di pirite (solfuro di ferro) alteratisi in goethite (idrossido di ferro) sono invece un esempio di pseudomorfosi.
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