Polimorfismo e isomorfismo: fenomeni cristallini e applicazioni pratiche
Il polimorfismo rappresenta la capacità di una sostanza di esistere in diverse fasi cristalline, emerso da ricerche che hanno individuato la possibilità di cristallizzare due o più forme diverse, classificate in sistemi cristallografici differenti. Si parla di polimorfismo quando è relativo a una sostanza composta e di allotropia se coinvolge una sostanza semplice. Questo fenomeno è particolarmente rilevante in campi come la mineralogia, la metallurgia, la scienza dei materiali, l’industria alimentare e farmaceutica.
Un esempio concreto di polimorfismo è rappresentato dal carbonato di calcio, che in natura si presenta in due forme cristalline distinte: la calcite, con struttura trigonale, e l’aragonite, con sistema cristallino rombico. Queste diverse forme cristalline condividono le stesse proprietà chimiche, ma presentano differenze significative nelle proprietà fisiche, come durezza, indice di rifrazione e conducibilità elettrica.
Allo stesso modo, l’allotropia emerge in sostanze come lo stagno, che si presenta principalmente nelle forme β e γ, con differenti reticoli cristallini. Queste variazioni comportano differenze nelle proprietà fisiche, come durezza e conduttività.
Il passaggio da una forma cristallina all’altra avviene a una temperatura specifica per ciascuna sostanza polimorfa, denominata punto di trasformazione della sostanza. Tale trasformazione può essere reversibile, caratterizzando un sistema polimorfo enantiotropo, o irreversibile, determinando un sistema monotropo.
Un esempio di enantiotropia si verifica nello zolfo, che presenta due forme cristalline diverse, zolfo α e zolfo β, trasformandosi l’una nell’altra a 95.6 °C. Al contrario, un esempio di monotropia è dato dal carbonio, che si modifica irreversibilmente da diamante a grafite a 1800 °C.
Infine, le sostanze naturali che cristallizzano in due forme cristalline vengono denominate dimorfe e includono, oltre a carbonio e zolfo, anche il solfuro di ferro (II) nelle forme pirite e marcasite, nonché il solfuro di mercurio (II) nelle forme cinabro e metacinnabarite.
Isomorfismo: fenomeni e tipologie
L’isomorfismo rappresenta un fenomeno in cui due o più sostanze diverse cristallizzano separatamente, generando cristalli con caratteristiche geometriche simili. Queste sostanze isomorfe possono anche cristallizzare insieme, formando soluzioni solide, con i nodi reticolari occupati casualmente dagli atomi o dagli ioni delle sostanze di partenza.
Un esempio di isomorfismo si ritrova nel carbonato di magnesio (magnesite) e nel carbonato di ferro (II) (siderite), in cui i nodi reticolari vengono occupati da magnesio e ferro in maniera statistica, generando uno scambio tra i due ioni e introducendo il concetto di vicarianza.
Esistono diverse tipologie di isomorfismo, tra cui:
– Isomorfismo di prima specie, che si verifica tra composti con formula analoga e ioni vicarianti della stessa valenza.
– Isomorfismo di seconda specie, in cui gli ioni vicarianti differiscono di al massimo una unità di carica.
– Isomorfismo di terza specie, in cui si ha la sostituzione di ioni con cariche diverse in parti diverse del reticolo.
– Isomorfismo di quarta specie o interstiziale, che si verifica quando una posizione strutturale può rimanere vuota senza compromettere la stabilità della struttura.
In sintesi, sia il polimorfismo che l’isomorfismo sono fenomeni cristallini di grande rilevanza nelle scienze dei materiali e presentano applicazioni pratiche significative in diversi settori industriali.