Nei solidi (ceramici) ionici la disposizione degli ioni e' determinata principalmente dai seguenti fattori:
- La dimensione relativa degli ioni nel solido ionico (si assume che gli ioni siano assimilabili a sfere rigide di raggio definito).
- La necessita' di bilanciare le cariche elettrostatiche per mantenere neutralita' elettrica nei solidi ionici.
Quando si forma il legame ionico tra gli atomi allo stato solido, le energie degli atomi diminuiscono a causa della formazione degli ioni e dei loro legami per formare un solido ionico. I solidi ionici tendono ad assumere la disposizione dei loro ioni piu' compatta possibile per ridurre al minimo l’energia complessiva del solido.
Le celle unitarie dei ceramici hanno un basso fattore di impacchettamento ed una bassa densita' planare e direzionale, cio' e' dovuto alla presenza di atomi di dimensioni diverse uniti da legami misti ; cio' rende, i movimenti delle dislocazioni molto difficili ed e' la causa delle lesioni per fragilita'.
I cationi (atomi che hanno perso elettroni) sono normalmente piu' piccoli degli anioni (atomi che hanno acquisito elettroni) con cui si legano; ed il numero d’anioni che circondano un catione centrale in un solido ionico viene chiamato numero di coordinazione (NC).
Per ottenere una struttura stabile, un maggior numero d’anioni deve circondare il catione centrale; tuttavia gli anioni devono entrare in contatto con il catione centrale e deve essere mantenuta la neutralita' di carica, se gli anioni non toccano il catione centrale, la struttura diviene instabile poiché il catione centrale "sbatte contro la sua gabbia anionica".
La possibilita' degli ioni di impacchettarsi e' limitata dal rapporto tra raggio cationico e anionico (Rc/Ra), e precisamente:
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NC in funzione del rapporto Rc / Ra
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0,23<Rc / Ra < 0,33 la coordinazione degli ioni e' uguale
a 4.
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0,73 > Rc / Ra > 0,33 si ha la struttura CFC in cui il numero
di coordinazione e' 6;
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Rc / Ra > 0,73 si ha la struttura cubica primitiva e il grado
di coordinazione e' 8;
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Rc / Ra = 1 il numero di coordinazione e' 12 e possiamo avere una
struttura CFC oppure EC;
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La struttura del cloruro di sodio (NaCl) e' tipica per quegli ioni con numero di coordinazione uguale a 6 e il cui rapporto stechiometrico e' di 1:1; schematizzando gli atomi come dei punti si ha un’idea della geometria del reticolo, e tagliando lungo le facce della cella ricaviamo il numero d’atomi d’ogni cella unitaria.
Nella tabella che segue sono riportate le celle piu' comuni di materiali ceramici con descrizione della loro cella cristallina:
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Celle unitarie
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Descrizione
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SiO2
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La cella si ottiene
mettendo due atomi di silicio e quattro d’ossigeno in ogni
punto del reticolo CFC, fino ad ottenere la cella unitaria completa
della cristobalite, che e' il piu' semplice degli allotropi
della silice
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Al2O3
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Nel Corindone (ossido
d’alluminio o Allumina) gli ioni d’ossigeno sono nelle
posizioni reticolari di una cella elementare esagonale compatta.
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CaTiO3
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Nella Perovskite gli
ioni Ca2+ e O2- formano una cella elementare
CFC, con gli ioni Ca2+ agli angoli della cella elementare
e gli ioni O2- nei centri delle facce; lo ione Ti4+,
con un’elevata carica, e' nella posizione interstiziale
ottaedrica al centro della cella.
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CaF2
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Nel Fluoruro di calcio gli
ioni Ca2+ occupano le posizioni del reticolo CFC,
mentre gli ioni F- sono nelle posizioni tetraedriche.
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CsCl
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Nel Cloruro di cesio il
numero di ioni Cs+ e Cl- e' uguale; inoltre
il CN del cloruro di cesio e' 8, pertanto otto ioni cloruro circondano
un catione centrale di cesio nella posizione (½ , ½ , ½) della
cella elementare di CsCl.
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Grafite
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La grafite ha
una struttura stratificata nella quale gli atomi di carbonio
all’interno di uno strato hanno forti legami covalenti che
formano una struttura esagonale. I diversi strati sono invece
tenuti insieme da legami secondari deboli e questi possono facilmente
scorrere l’uno sull’altro.
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NaCl
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Nel Cloruro di sodio il
numero di ioni Na+ e' uguale a quello dei Cl-,
questi ultimi occupano posizioni regolari nel reticolo atomico
CFC, mentre i cationi sono nelle posizioni interstiziali della
cella CFC.
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