Solidi covalenti

Struttura del diamante, I

In questi solidi gli atomi sono legati tra loro da legami covalenti piuttosto che da forze elettrostatiche o da elettroni di valenza delocalizzati che funzionano nei metalli quasi come una "colla". L'esempio più classico di cristallo covalente è il diamante che appartiene al sistema cubico a facce centrate. La configurazione elettronica del carbonio nel suo stato fondamentale è 1s22s22p2 ma esso può legare altri atomi facendo uso dei suoi quattro orbitali ibridi sp3 diretti verso i vertici di un tetraedro. Ciascun atomo di carbonio si legherà così covalentemente con altri quattro atomi di carbonio disposti tetraedricamente per dare l'edificio cristallino del diamante, mostrato in figura. I cristalli covalenti sono anche chiamati per ovvie ragioni "cristalli reticolari". In un certo senso ogni atomo di un cristallo covalente fa parte di una molecola gigante che è il cristallo stesso. Questi cristalli fondono a temperature molto alte a causa della notevole forza del legame covalente.

La strutture del diamante: nella sezione precedente abbiamo citato la stabilità della struttura tetracoordinata della zincoblenda per alcuni sali. La stessa struttura è stabile per solidi che possiedano una componente di legame covalente. Il diamante è un esempio di cristallo completamente covalente che adotta la stessa struttura della zincoblenda, dove ogni sito di uno ione Zn2+ e S2- viene ora occupato da un atomo di carbonio. Ogni atomo di carbonio si lega covalentemente mediante la condivisione di un doppietto elettronico a quattro atomi di carbonio prossimi vicini, con il risultato di formare un reticolo che si estende per un enorme numero di celle elementari in ogni direzione, formando un cristallo con reticolo covalente.

La struttura del diamante, formata da energici legami tra atomi di carbonio che costituiscono un reticolo tridimensionale rigidamente interconnesso, lo rende molto resistente alla deformazione e perciò estremamente duro. Il diamante è tra le più dure sostanze conosciute e trova un esteso uso nell'industria per il taglio di altri materiali. La struttura del diamante viene pure adottata dal silicio e dal germanio. 

Nel 1970 la General Electric annunciò la sintesi di diamanti di circa un carato con qualità di gemma; il processo era basato sull'inseminazione di minuscoli germi cristallini, non più grandi del punto alla fine di questa frase. Questi germi cristallini sono sottoposti, assieme al catalizzatore metallico e ad una carica di diamanti sintetici ad alte temperature e pressioni all'interno di una speciale pressa. All'alta temperatura di fusione del metallo, la polvere di diamante si scioglie mentre l'estremità del recipiente che contiene il germe cristallino viene tenuta a temperatura inferiore, in modo che il germe non si ridissolva. Controllando accuratamente la temperatura e la pressione si può provocare la migrazione degli atomi di carbonio dalla polvere di diamante attraverso il metallo catalitico fuso e infine la loro rideposizione sul germe cristallino e l'accrescimento di un singolo cristallo di diamante.

Alcuni scienziati della Università dello Stato della Pennsylvania, descrissero, in una relazione del 1986, un processo di ricoprimento di oggetti con sottili pellicole di diamante sintetico, aprendo la strada a rivoluzionari sviluppi nel campo dell'elettronica, dell'ottica, delle lavorazioni meccaniche, dell'industria chimica e della tecnologia militare. La pellicola di diamante è oggi diventata un materiale di uso comune: nonostante il suo aspetto di ricoprimento traslucido essa migliora radicalmente le proprietà degli oggetti che riveste.

La struttura e la durezza del diamante possono essere imitate da una forma del nitruro di boro (BN), che possiede la struttura della zincoblenda. I legami in questa struttura sono principalmente covalenti e circa della stessa energia di quelli del diamante; questo fatto produce una struttura con reticolo covalente avente una durezza paragonabile a quella del diamante.

Quando sono richiesti abrasivi meno costosi del diamante o del nitruro di boro si ricorre al carburo di silicio, SiC, più comunemente noto con il nome commerciale di carborundum. Il carburo di silicio cristallizza con diverse modificazioni; tra queste ve ne è una isostrutturale con la zincoblenda mentre altre sono strettamente correlate. I legami sono leggermente più deboli di quelli del diamante e quindi il carburo di silicio non ne possiede la stessa durezza, tuttavia esso è prodotto economicamente da sabbia e carbone.

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