Cluster in chimica

I cluster in chimica sono raggruppamenti di atomi o molecole legati tra loro per costituire una tipica struttura ‘a grappolo'.

Essi hanno proprietà particolari, intermedie tra quelle di una molecola singola e quelle di un solido. Contrariamente alle molecole che hanno una stechiometria specifica, la composizione del cluster può essere alterata da un cambiamento delle condizioni di sintesi.

I  cluster inoltre tendono a fondersi quando sono avvicinati e spesso possono reagire con i gas presenti nell'ambiente

Frank Albert Cotton utilizzò per primo questo termine all'inizio degli anni '60 per riferirsi a composti contenenti legami metallo-metallo. In essi sono presenti legami deboli come forze di van der Waals o forti legami ionici.

I cluster possono anche essere costituiti esclusivamente da un certo tipo di molecole, come, ad esempio, i cluster d'acqua.

I principali tipi di cluster sono quelli che contengono leganti come il nicheltetracarbonile e quelli che non contengono leganti come le ferredossine, proteine contenenti cluster ferro-zolfo in grado di mediare il trasferimento di elettroni in numerose reazioni metaboliche.

Per i cluster di metalli di transizione, i leganti tipici includono monossido di carbonio, alogenuri, isocianuri, alcheni e idruri.

Classificazione dei cluster in chimica

Cluster atomici

Possono essere puri, formati da una singola specie atomica, o misti e sono classificati secondo:

• il legame predominante metallico, covalente, ionico
• il numero degli atomi
• le proprietà elettriche e magnetiche

L'importanza dei cluster atomici è dovuta alle proprietà davvero uniche, che a volte sono molto diverse da quelle degli atomi costituenti. Ad esempio, cluster di Mn sono ferromagnetici mentre il manganese è antiferromagnetico.

Cluster molecolari

I cluster molecolari in chimica sono classificati sulla base delle forze che li tengono aggregati come cluster:

1. di Van der Waals in cui è presente una attrazione tra dipoli elettrici indotti e repulsione tra nuclei di elettroni di configurazioni elettroniche chiuse
2. metallici in cui è presente una condivisione di elettroni di valenza a lungo e parzialmente direzionali
3. ionici in cui è presente un'attrazione elettrostatica tra particelle cariche di segno opposto

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Cluster metallo carbonili

I cluster metallo carbonili composti contenenti due o più metalli, in genere di transizione, legati a monossido di carbonio come, ad esempio, Fe(CO)₆. Vi sono inoltre i cluster carbonilici anionici come, ad esempio, [Pt_3n(CO)_6n]^2- (n=1-10) denominati Chini cluster in onore del chimico italiano Paolo Chini pioniere nella sintesi dei cluster carbonilici. La chimica dei cluster metallocarbonili include anche quello di metallorganici come [Co₃(CH)(CO)₉] in cui è presente il gruppo CH

Cluster di alogenuri metallici di transizione

I cluster di alogenuri metallici di transizione sono costituiti in prevalenza da metalli quali: Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W e Re. Esempi  sono K₂Re₂Cl₈ e W₄(OCH₃)₁₂

Zeoball

I cluster in chimica hanno anche strutture esotiche come ad esempio lo zeoball costituito da 192 atomi con formula [Sn₃₆Ge₂₄Se₁₃₂]^24–

È un polianione che rappresenta  il più grande cluster discreto conosciuto con un diametro esterno di 2.83 nm. Gli è stato dato questo nome per la sua struttura sferica con pori zeolitici

Così chiamato per la sua struttura e la presenza di pori sferici e zeolitici, il polianione ha un diametro esterno di 2.83 nm, inclusi i raggi di van der Waals degli atomi superficiali.

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