Comparación entre las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes.
ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DE
ALGUNOS COMPUESTOS FUNCION DEL TIPO DE ENLACE QUIMICO
Las propiedades físicas y
químicas de los elementos y de sus compuestos dependen de las estructuras
atómicas y moleculares o cristalinas en que existen.
Podemos llegar a predecir para
los materiales sus comportamientos en diferentes situaciones si conocemos sus
propiedades físicas y químicas, estas a su vez nos permiten clasificar a la
materia entre diferentes estados físicos y químicos, comportamientos metálicos
o no-metálicos, propiedades oxidantes y reductoras, etc. También, un mismo
elemento o compuesto químico puede presentarse con estructura sólida diferente
y tendrá por ello diferentes aplicaciones, por ejemplo: el carbono es muy duro
en forma de diamante, con estructura tetraédrica, mientras que en la forma de
grafito, por ser laminar puede servir como lubricante y el carbono amorfo en
muy pequeños tamaños de partícula puede adsorber otras partículas también muy
pequeñas y entonces servir para purificar soluciones.
Otras pruebas como solubilidad
en agua u otros disolventes y pruebas de conductividad eléctrica manifestarán
que tipo de enlace químico hay en los compuestos que se estudian.
Los compuestos pueden
clasificarse en función del enlace químico que se encuentre presente; estos
pueden ser iónicos, covalentes o metálicos.
Los compuestos que contienen
enlaces iónicos están formados por iones positivos y negativos dispuestos unos
con respecto a los otros en forma regular en un enrejado cristalino, cuando los
compuestos son sólidos. La atracción entre los iones es de naturaleza
electrostática y se extiende igualmente en todas direcciones.
Los compuestos con enlace
covalente están
formados generalmente por moléculas discretas, los enlaces son direccionales y
existen fuerzas de enlace covalente entre los átomos de esa molécula y otra. En
el sólido solamente actúan fuerzas de carácter débil entre una molécula y otra,
las cuales son llamadas fuerzas de Van der Waals.
Los compuestos iónicos en
solución o en estado fundido pueden conducir la corriente eléctrica en forma
importante, y este comportamiento es débil en los compuestos covalentes polares
o no se presentará si el compuesto es covalente no polar.
En un cristal iónico, los
iones están atrapados en sitios fijos en la red cristalina, estos no pueden
migrar y por lo tanto no pueden conducir la corriente eléctrica. Si el cristal
no es perfecto, se pueden presentar una conducción del ión desde un punto de la
red al punto vacante de la misma. En contraste los compuestos covalentes están
aislados, pues ellos no presentan cargas eléctricas y por lo tanto no conducen
la corriente eléctrica en ninguno de los estados sólidos, líquidos o gaseosos.
Los metales son buenos
conductores en general. La naturaleza del enlace metálico hace que existe una
nube de electrones móviles en el sólido responsable de esta conductividad
eléctrica y otras propiedades como el brillo metálico.
En cuanto a la solubilidad:
los compuestos iónicos son generalmente solubles en agua y en disolventes
polares, esto es, disolventes con alta constante dieléctrica, mientras que los
compuestos covalentes que no sean polares sólo se disolverán en disolventes
orgánicos no polares, o sea, disolventes de baja constante dieléctrica como el
benceno y el tetracloruro de carbono.
Respecto a las temperaturas de
fusión, éstas también están en función del tipo de enlace presente en el
compuesto. La fusión de compuestos iónicos implica necesariamente el
rompimiento de la red cristalina, esto requiere una considerable energía de tal
manera que los puntos de fusión y de ebullición son generalmente altos, y los
compuestos son muy duros.
La energía calorífica
requerida para fundir o evaporar un compuesto covalente es comúnmente baja,
debido a su naturaleza y carácter débil de las fuerzas de Van der Waals. Por lo
tanto los compuestos que presentan enlaces covalentes son por lo general gases,
líquidos y algunas veces sólidos pero con bajo punto de fusión, en algunas
ocasiones presentas estructuras covalentes infinitas en tres dimensiones en
lugar de moléculas discretas, en estos casos operan fuerzas de enlace fuertes
en todas direcciones; algunos ejemplos son el diamante y la sílice (SiO2), son
compuestos covalentes pero muy duros y tienen altos puntos de fusión.
Fuerza del enlace covalente
Un enlace covalente entre dos
átomos o grupos de átomos se produce cuando estos, para alcanzar el octeto
estable, comparten electrones del
último nivel.1 La diferencia de
electronegatividades entre los átomos no es suficiente
De esta forma, los dos átomos
comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo
de orbital, denominado orbital molecular.
Los enlaces covalentes se suelen producir entre elementos gaseosos o no metales.
El Enlace Covalente se
presenta cuando dos átomos comparten electrones para estabilizar la unión.
A diferencia de lo que pasa en
un enlace iónico,
en donde se produce la transferencia de electrones de un átomo a otro; en el
enlace covalente, los electrones de enlace son compartidos por ambos átomos. En
el enlace covalente, los dos átomos no metálicos comparten uno o más
electrones, es decir se unen a través de sus electrones en el último orbital,
el cual depende del número atómico en cuestión.
Entre los dos átomos pueden compartirse uno, dos o tres pares de electrones, lo
cual dará lugar a la formación de un enlace simple, doble o triple
respectivamente. En la representación de Lewis,
estos enlaces pueden representarse por una pequeña línea entre los átomos.
Tipos de sustancias
covalentes
Existen dos tipos de
sustancias covalentes:
Sustancias covalentes
moleculares: los
enlaces covalentes forman moléculas que tienen las siguientes propiedades:
·
En condiciones
normales de presión y temperatura (25 °C aprox.)
pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos
·
Son blandos en
estado sólido.
·
Son aislantes de
corriente eléctrica y calor.
·
Solubilidad: las moléculas
polares son solubles en disolventes polares y las apolares son solubles en
disolventes apolares (semejante disuelve a semejante).
Redes: Además las
sustancias covalentes forman redes, semejantes a los compuestos iónicos,
que tienen estas propiedades:
·
Elevadas
temperaturas de fusión y ebullición.
·
Son sólidos.
·
Son aislantes
(excepto el grafito) .
·
Son insolubles.
·
Son neocloridas.
Definición del enlace
covalente
Considérense átomos de hidrógeno, a medida que
se aproximan entre sí, se van haciendo notar las fuerzas que atraen a cada electrón al
núcleo del otro átomo, hasta que dichas fuerzas de atracción se llegan a
compensar con la repulsión que los electrones sienten entre sí. En ese punto,
la molécula presenta la configuración más estable.
Lo que ha sucedido es que los orbitales de
ambos electrones se han traslapado, de modo que ahora es imposible distinguir a
qué átomo pertenece cada uno de los electrones.
Sin embargo, cuando los átomos
son distintos, los electrones compartidos no serán atraídos por igual, de modo
que estos tenderán a aproximarse hacia el átomo máselectronegativo,
es decir, aquel que tenga una mayor apetencia de electrones. Este fenómeno se
denomina polaridad (los
átomos con mayor electronegatividad obtienen una polaridad más negativa,
atrayendo los electrones compartidos hacia su núcleo), y resulta en un
desplazamiento de las cargas dentro de la molécula.
Se podría decir que al átomo
más electronegativo no le gusta mucho compartir sus electrones con los demás átomos,
y en el caso más extremo, deseará que el electrón le sea cedido sin condiciones
formándose entonces un enlace iónico, de ahí que se diga que los enlaces
covalentes polares tienen, en alguna medida, carácter iónico.
Cuando la diferencia de
electronegatividades es nula (dos átomos iguales), el enlace formado será
covalente puro; para una diferencia de electronegatividades de 1,9 el carácter
iónico alcanza ya el 35%, y para una diferencia de 3, será del 49.5%.
Así pues, para diferencias de
electronegativades mayores de 3 el enlace será predominantemente de carácter
iónico, como sucede entre el oxígeno o flúor con los elementos de los grupos 1
y 2; sin embargo, cuando está entre 0 y 1,9 será el carácter covalente el que
predomine, como es el caso del enlace C-H. No obstante, según el químico
Raymond Chang, esta diferencia de electronegatividad entre los átomos debe ser
2,0 o mayor para que el enlace sea considerado iónico (Chang,
371).(bibliografía abajo)
Dependiendo de la diferencia
de electronegatividad, el enlace covalente puede ser clasificado en covalente
polar y covalente puro o apolar. Si la diferencia de electronegatividad está
entre 0,4 y 1,7 es un enlace covalente polar, y si es inferior a 0,4 es covalente
apolar.
Enlace covalente polar
Cuando un mismo átomo aporta
el par de electrones, se dice que el enlace covalente es polarizado. Aunque las
propiedades de enlace covalente polarizado son parecidas a las de un enlace
covalente normal (dado que todos los electrones son iguales, sin importar su
origen), la distinción es útil para hacer un seguimiento de los electrones de
valencia y asignar cargas formales. Una base dispone de un par electrónico para
compartir y un ácido acepta compartir el par electrónico para formar un enlace covalente coordinado.
Se produce en elementos
iguales, es decir, con una misma electronegatividad por lo que su resultado es
0. Un átomo no completa la regla del octeto.
Características del enlace
covalente polar
·
Enlace sencillo:
se comparten 2 electrones de la capa de valencia.
En general cuando un átomo
comparte los dos electrones para uno solo se llama enlace covalente dativo y se
suele representar con una flecha (→).
Tipo de enlaces y
reactividad de una sustancia
·
Sustitución,
donde un átomo es sustituido por otro. Lo reemplaza.
·
Eliminación,
donde un átomo se elimina de la molécula. Generalmente en esta reacción se
forma un enlace pi.
Sobre los enlaces pi ocurre la
adición, donde se agregan por lo general dos átomos y se forman dos enlaces
sigma. En el ejemplo se muestra la adición de un sólo átomo:
·
Los enlaces
sigma no polares de un átomo saturado son muy poco reactivos y para fines
prácticos podemos considerarlos inertes.
·
Los enlaces
sigma no polares que entran a un átomo insaturado son algo más reactivos, por
el efecto del enlace pi.
·
Los enlaces
sigma polares son no reactivos.
·
Los enlaces pi
son reactivos.
Enlace metálico y elementos semiconductores
Un enlace metálico es un enlace químico que
mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y los electrones de
valencia, que se juntan alrededor de éstos como una nube) de los metales entre
sí.
Estos átomos se agrupan
de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se
trata de líneas tridimensionales que adquieren estructuras tales como: la
típica de empaquetamiento compacto de esferas (hexagonal compacta), cúbica
centrada en las caras o la cúbica centrada en el cuerpo.
Características de los metales
Los metales poseen
algunas propiedades características que los diferencian de los demás
materiales. Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio, y
tienen un punto de fusión alto.
La vinculación metálica
es la atracción electrostática entre los átomos del metal o cationes y los
electrones deslocalizados. Esta es la razón por la cual se puede explicar un
deslizamiento de capas, dando por resultado su característica maleabilidad y
ductilidad.
Los átomos del metal
tienen por lo menos un electrón de valencia, no comparten estos electrones con
los átomos vecinos, ni pierden electrones para formar los iones. En lugar los
niveles de energía externos de los átomos del metal se traslapan. Son como
enlaces covalentes identificados.
Elementos Semiconductores
Semiconductor es un
elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de
diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión,
la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se
encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se
indican en la tabla adjunta.
El elemento
semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio.
Tipos de semiconductores
Semiconductores
intrínsecos
Es un cristal de Silicio
o Germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono
mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el
plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente
algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda
de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia
Semiconductores
extrínsecos
Si a un semiconductor
intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas,
es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina
extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán
formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo
de silicio. Hoy en dia se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10
millones, logrando con ello una modificación del material.
Semiconductor
tipo N
Un Semiconductor tipo N
se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de
átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga
libres (en este caso negativos o electrones).
Cuando se añade el
material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos
del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como
material donante ya que da algunos de sus electrones.
Semiconductor
tipo P
Un Semiconductor tipo P
se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de
átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga
libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando se añade el
material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos
del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material
aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son
conocidos como huecos.
TEORIA DE BANDAS
Esta teoría representa un
modelo más elaborado para explicar la formación del enlace metálico; se basa en
la teoría de los orbitales moleculares. Esta teoría mantiene que cuando dos
átomos enlazan, los orbitales de la capa de valencia se combinan para formar
dos orbitales nuevos que pertenecen a toda la molécula, uno que se denomina
enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Si se
combinasen 3 átomos se formarían 3 orbitales moleculares, con una diferencia de
energía entre ellos menor que en el caso anterior. En general, cuando se
combinan N orbitales, de otros tantos átomos, se obtienen N orbitales
moleculares de energía muy próxima entre sí, constituyendo lo que se llama una
"banda.
En los metales existe un
número muy grande de orbitales atómicos para formar enlaces deslocalizados que
pertenezcan a toda la red metálica (como si fuese una gran molécula). Como el
número de orbitales moleculares es muy grande forman una banda en la que los
niveles de energía, como se ha dicho anteriormente, están muy próximos.
En los metales se forman dos
bandas. Una en la que se encuentran los electrones de la capa de valencia que
se denomina "banda de valencia" y otra que se llama "banda de
conducción" que es la primera capa vacía.
BANDAS DE ENERGIA
La banda de valencia:
Está ocupada por los
electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se
encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones
de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no
intervienen en la conducción eléctrica.
La banda de conducción:
Está ocupada por los
electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y
pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la
corriente eléctrica. En consecuencia, para que un material sea buen conductor
de la corriente eléctrica debe tener electrones en la banda de conducción.
Cuando la banda esté vacía, el material se comportará como un aislante.
Entre la banda de valencia y
la de conducción existe una zona denominada banda prohibida o gap, que separa
ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones.
La banda de valencia está
separada de la banda de conducción, por lo tanto el metal X no es conductor
cuando la separación entre átomos es R0=1. Para que sea conductor, la banda de
conducción debe estar al lado de la banda de valencia (se tocan). La distancia
en que se vuelve conductor es:
Si a R0=0.6 es
conductor, a una distancia mayor que esta, el metal X deja de serlo.
P2. Use la teoría de
bandas para explicar el por qué al aumentar la temperatura, irradiar con luz o
añadir una impureza; se aumenta la conductividad de un semiconductor.
Solución:
a) Al aumentar la Temperatura, estamos agregando energía al sistema. Con esto
aumentan los electrones de la banda de valencia adquieren energía suficiente
para saltar a la banda de conducción. b) Al irradiar con luz, se produce el
efecto fotoeléctrico. c) Al agregar impurezas estamos dopando al semiconductor.
En los metales, la banda de
valencia está llena o parcialmente llena; pero en estas sustancias, la diferencia
energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula; es decir están
solapadas. Por ello, tanto si la banda de valencia está total o parcialmente
llena, los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacios y
conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial.
En el caso de los aislantes la
banda de valencia está completa y la de conducción vacía; pero a diferencia de
los metales, no sólo no solapan sino que además hay una importante diferencia
de energía entre una y otra (hay una zona prohibida) por lo que no pueden
producirse saltos electrónicos de una a otra. Es decir, los electrones no gozan
de la movilidad que tienen en los metales y, por ello, estas sustancias no
conducen la corriente eléctrica.
Un caso intermedio lo
constituyen los semiconductores, en el caso de las sustancias de este tipo, la
banda de valencia también está llena y hay una separación entre las dos bandas,
pero la zona prohibida no es tan grande, energéticamente hablando, y algunos
electrones pueden saltar a la banda de conducción. Estos electrones y los
huecos dejados en la banda de valencia permiten que haya cierta conductividad
eléctrica. La conductividad en los semiconductores aumenta con la temperatura,
ya que se facilitan los saltos de los electrones a la banda de conducción. Son
ejemplos de semiconductores: Ge, Si, GaAs y InSb.
* Banda de valencia:
está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos
electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los
átomos.
*
Banda de conducción: puede estar ocupada por los
electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y
pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la
corriente eléctrica.
*
Banda prohibida (gap): es una zona entre la banda de
valencia y la de conducción que separa ambas bandas y en la cual no pueden
encontrarse los electrones.
Estructura de
los materiales
Estructura
Sistemas
cristalográficos
Los
cristalógrafos han
demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de celda unidad para
crear todas las redes puntuales. La
mayor parte de estos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de la
celda unida básica. A. J. Bravais mostró que catorce celdas unidad estándar
podían describir todas las estructuras reticulares posibles .Hay cuatro tipos
de celdas unidad:
·
Sencilla
·
Centrada en el
cuerpo
·
Centrada en las
caras
·
Centrada en la
base
En
el sistema cúbico hay tres tipos de celdas unidad: cúbica sencilla, cúbica
centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el sistema
ortorrómbico están representados los cuatro tipos. En el sistema tetragonal hay
solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. En el sistema monoclínico tiene
celdas unidad sencilla y centrada en la base, y los sistemas romboedríco
hexagonal y triclínico, tienen solo una celda unidad .1
Un sólido cristalino se construye a
partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental
paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de
red, es decir, de las longitudes de los lados, o ejes, del paralelepípedo
elemental y de los ángulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos:
En función de las posibles localizaciones de los
átomos en la celda unitaria se establecen 14 estructuras cristalinas básicas,
las denominadas redes de Bravais.
Las Redes de Bravais o celdas unitarias, son
paralelepípedos que constituyen la menor subdivisión de una red cristalina que
conserva las características generales de toda la retícula, de modo que por
simple traslación del mismo, puede reconstruirse el sólido cristalino completo.
Combinando los 7 sistemas cristalinos con las
disposiciones de los puntos de red mencionados, se obtendrían 28 redes
cristalinas posibles. En realidad, como puede demostrarse, sólo existen 14
configuraciones básicas, pudiéndose el resto obtener a partir de ellas. Estas
estructuras se denominan redes de Bravais.
La estructura hexagonal compacta es un caso
especial de estructura hexagonal, en la que se sitúan tres puntos reticulares
en el interior del hexágono, resultando la celda unitaria mostrada en la
figura.3
Estructura
cristalina
Todos los materiales están integrados por átomos
los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se
trate y el estado en el que se encuentra. Cuando un material se encuentra en
forma de gas, sus átomos están más dispersos o desordenados (a una mayor
distancia uno de otro) en comparación con los átomos de ese mismo material pero
en estado líquido o sólido. Existen materiales en los que sus átomos siempre
están en desorden o desalineados aún en su estado sólido, a estos materiales se
les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera como
un líquido solidificado.
En el caso de los metales, cuando estos están en su
estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas
tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fácilmente por sus
propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cuando un material
cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material
polimorfo o alotrópico.
Cada tipo de malla en los metales da diferentes
propiedades, no obstante que se trata del mismo material, así por ejemplo en el
caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes
tipos de mallas: la malla cúbica de cuerpo centrado, la malla cúbica de cara
centrada y la malla hexagonal compacta. Cada una de estas estructuras atómicas
tiene diferentes números de átomos, como se puede ver en las siguientes
figuras.
La malla cúbica de cuerpo de cuerpo centrado. Es la
estructura que tiene el hierro a temperatura ambiente, se conoce como hierro
alfa. Tiene átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra a su
estructura y un átomo en el centro. También se encuentran con esta estructura
el cromo, el molibdeno y el tungsteno.
La malla cúbica de cara centrada aparece en el
hierro cuando su temperatura se eleva a aproximadamente a 910ºC, se
conoce como hierro gamma. Tiene átomos en los vértices y en cada una de sus
caras, su cambio es notado además de por los rayos X por la modificación de sus
propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias
intermoleculares. A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el
oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen
esta estructura de malla.
La malla hexagonal compacta se encuentra en metales
como el berilio, cadmio, magnesio, y titanio. Es una estructura que no permite
la maleabilidad y la ductilidad, es frágil.
Modificar a una malla de un metal permite la
participación de más átomos en una sola molécula, estos átomos pueden ser de un
material aleado como el carbón en el caso del hierro, lo que implica que se
puede diluir más carbón en un átomo de hierro. Si se tiene en cuenta que el
carbón es el que, en ciertas proporciones, da la dureza al hierro, entonces lo
que se hace al cambiar la estructura del hierro es permitir que se diluya más
carbón, con lo que se modifican sus propiedades.
Otra de las características de los metales que
influye notablemente en sus propiedades es el tamaño de grano, el cual depende
de la velocidad de enfriamiento en la solidificación del metal, la extensión y
la naturaleza del calentamiento que sufrió el metal al ser calentado.
Grano de las estructuras metálicas
Cuando un metal en su estado líquido se enfría sus
cristales se van solidificando formando estructuras dendríticas, las que crecen
uniformes hasta que se encuentran con otra estructura que también ha estado
creciendo, en ese lugar de encuentro de las dos estructuras se forman los
límites de los granos de los materiales. Entre más lento el enfriamiento de un
material, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos, o sea estos serán
de menor tamaño.
Un material con granos pequeños será más duro que
un con granos grandes, debido a que los granos grandes tienden a fracturarse y
deslizarse uno sobre el otro, lo que no sucede con los granos pequeños.
La mejor forma de determinar el tamaño de grano de
un material es por medio de microscopio metalúrgico, el que actúa por medio de
un rayo de luz que se lanza sobre una superficie pulida al espejo y limpiada
con una mezcla de 3% de ácido nítrico y 97% de alcohol, para eliminar lo que se
conoce como metal untado.
La mayoría de los metales elementales alrededor del
90 % cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas:
cúbica centrada en el cuerpo (BCC), cúbica centrada en las caras (FCC) y
hexagonal compacta (HCP) . La estructura HCP es una modificación más densa de
la estructura cristalina hexagonal sencilla.
La
mayor parte de los metales están cristalizados en esas estructuras densamente
empaquetadas debido a que se libera energía a medida que los átomos se
aproximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí. De este modo,
dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran es disposiciones u
ordenamientos de energía cada vez más baja y estable.2
ESTADO SOLIDO CRISTALINO
Un sólido cristalino es aquel
que tiene una estructura periódica y ordenada, como consecuencia tiene
una forma que no cambia, salvo por la acción de fuerzas externas.
Cuando se aumenta la
temperatura, los sólidos se funden y cambian al estado liquido. Las moléculas
ya no permanecen en posiciones fijas, aunque las interacciones entre ellas
sigue siendo suficientemente grande para que el liquido pueda cambiar de forma
sin cambiar apreciablemente de volumen, adaptándose al recipiente que lo
contiene.
Cuando los líquidos se enfrían
suficientemente, se congelan y pasan al estado sólido, se conoce como el punto
de congelación de la sustancia.
Las
partículas de un sólido, ya sean iones o moléculas, no están
completamente rígidas, sino que son libres de vibrar dentro de unos espacios
definidos, por lo tanto poseen una cierta energía cinética. El único movimiento
que poseen las moléculas es de oscilaciones de un lado a otro, siempre
guardando un equilibrio.
Los
cuerpos sólidos poseen una forma definida o sea un volumen propio, a no ser que
se le someta a temperaturas altas y se fundan.
Algunas sustancias se transforman directamente en gases, fenómeno conocido como
SUBLIMACION.
Las sustancias en estado sólido son
más densas que en sus estados líquido o gaseoso y su rigidez varía
considerablemente, a una presión elevada un sólido puede romperse (frágil),
extenderse en una hoja delgada (maleable o dúctil), o regresar a su forma
original cuando se elimina la fuerza (elástico).
La
posibilidad de que un sólido conduzca la electricidad puede ser muy pequeña o
muy grande. Estas diferencias en conductividad así como en las demás propiedades
se atribuyen a las fuerzas radicalmente diferentes que resultan de la
interacción de las partículas en los sólidos
CLASES DE SOLIDOS.- Estructuralmente
existen dos clases de sólidos, los vítreos o amorfos y los cristalinos.
LAS SUSTANCIAS
AMORFAS.- El vidrio, los plásticos se incluyen dentro de los sólidos por tener
propiedades físicas muy parecidas a la de los sólidos, pero difieren en su
constitución interna.
En estas sustancias las partículas adoptan una
distribución más o menos al azar, están desordenadas, no poseen forma
geométrica definida lo que origina propiedades especiales, por ejemplo al
romperse muestran una fractura curva en la superficie, cuando se calientan
muestran un reblandecimiento gradual y continuo y pasan lentamente a un estado
líquido, al no poseer un punto de fusión claramente definido. Se les llama
algunas veces líquidos sobre enfriados, ya que en realidad son líquidos
altamente rígidos y extremadamente viscosos, aunque posean propiedades físicas
semejantes a las de los sólidos.
SOLIDOS
CRISTALINOS.- Este tipo de sólidos presentan propiedades físicas y químicas definidas
y están en función de la constitución química. Sin embargo observamos que
presentan puntos de fusión fijos y se rompen siempre a lo largo de superficies
definidas.
CLASIFICACION DE LOS SOLIDOS POR EL TIPO DE
ENLACE.-
Sólidos Iónicos.- En este tipo de
compuestos la red cristalina se forma por iones que se mantienen unidos por
marcadas fuerzas electrostáticas. Estos iones tienen que ser positivos o
negativos. La agrupación no se limita a dos iones de signo opuesto, sino que en
torno al ión negativo se crea un campo eléctrico que permite que los iones
positivos se sitúen rodeando al anión; lo mismo ocurre alrededor del catión,
pero en sentido inverso. El enlace iónico determina muchas de las propiedades
de los sólidos iónicos. Presentan puntos de fusión y de ebullición altos, son
duros y frágiles, en su estado de fusión son buenos conductores de la
electricidad, si contienen cationes y aniones muy cargados son insolubles en
agua
La
forma de empaque de los iones depende de los tamaños relativos de las
partículas positivas y negativas. Si ambos iones son de aproximadamente el
mismo tamaño, el empaque es de tipo cúbico centrado en el cuerpo, por ejemplo,
CsCl. Si la relación de radios de los iones positivos a los iones negativos es inferior
a la del CsCl, el empaque es cúbico centrado en las caras, como en el caso del
NaCl.
Sólidos Covalentes.- Estos a su vez se
dividen en atómicos y moleculares.
Atómicos.- Se unen entre sí a
través de enlaces normalmente covalentes. El enlace covalente es muy fuerte,
poseen estructuras muy compactas, sus puntos de fusión y de ebullición son muy
altos, son malos conductores, frágiles duros e insolubles en todos los disolventes
(Diamante, Grafito, Cuarzo, etc.).
Existe una red definida de átomos unidos entre sí mediante enlaces covalentes y
es prácticamente imposible señalar una molécula individual de la estructura.
En la
estructura del Diamante, cada átomo de carbono está covalentemente enlazado a
otros cuatro átomos distribuidos tetraédricamente. En cada uno de los enlaces
C-C, los electrones se encuentran apareados y rígidamente localizados entre los
dos átomos. La dureza del Diamante se debe a que cada enlace C-C es una parte
integral de una red gigantesca y para lograr una hendidura, esto es, la ruptura
de unos cuantos enlaces, es casi necesario romper la totalidad de la pieza.
Moleculares.- Las fuerzas más pequeñas entre las
partículas se encuentran en este tipo de sólidos. Están compuestas de moléculas
que son relativamente inertes entre sí. El acomodo de las moléculas en este
tipo de cristales esta determinado por sus formas, carácter dipolar y
polarizabilidad. Como estas fuerzas son pequeñas, estas
sustancias exhiben puntos de fusión y de ebullición bajos, son suaves,
frágiles, su conductividad es muy pequeña, debido a que las moléculas mismas
están enlazadas por covalencia y la movilidad de electrones entre moléculas es
extremadamente pequeña (alcanfor, naftaleno, yodo, etc.).
La más importante de éstas fuerzas es
la atracción dipolo-dipolo , que es la que existe en los compuestos
covalentes constituidos por moléculas polares. Las moléculas de una gota de
agua se atraen entre sí de tal manera que los extremos del oxígeno, más densos
en electrones, se orientan hacia los extremos de hidrógeno de otras moléculas,
esto es el átomo de hidrógeno de una molécula es atraído hacia el átomo de
oxígeno de otra (puente de hidrógeno). El empaque de las moléculas de un sólido
es menos compacto que en el estado líquido; por lo tanto, en el estado sólido
existen más espacios vacíos entre las moléculas. Por esta razón, el volumen del
hielo es mayor que el volumen del mismo peso de agua líquida.
La naturaleza de las propiedades de
una sustancia depende de la naturaleza de las partículas unitarias de que está compuesta. A su vez, la
naturaleza de las partículas, en sus aspectos tales como la geometría de las
moléculas, etc. Dependen las estructuras electrónicas de los átomos
componentes.
Sólidos metálicos.- Sus átomos tienen
electrones de valencia fácilmente desligables (potencial de ionización bajo) y
esto hace que todos los átomos metálicos formen iones positivos. En un trozo de
metal, los meollos atómicos se mantienen unidos en un mar de electrones
móviles. Por lo tanto, las partículas de un sólido metálico son iones positivos
atraídos por los electrones situados entre ellos. Un átomo metálico puede
considerarse como un núcleo cuya carga positiva está bien apantallado por los
electrones internos, y cuyos escasos electrones de los niveles de valencia,
forman una nube móvil que rodea al conjunto.
Concepto y caracterización de sistemas
cristalinos.
LA ESTRUCTURA DE LOS MINERALES
EL CONCEPTO DEL CRISTAL
Un cristal es un sólido
homogéneo que presenta una estructura interna ordenada de sus constituyentes
químicos, sean átomos, iones o moléculas. La estructura cristalina, no es
exclusiva de los minerales. Hay muchas sustancias cristalinas de origen orgánico,
como el azúcar o las concreciones calcáreas de las conchas de moluscos, o de
origen artificiales, como el acetato de plomo.
ESTRUCTURA CRISTALINA
La celda fundamental o celda
unitaria o malla es la distribución de átomos, iones o moléculas más pequeñas, cuya
repetición definida origina todo el conjunto cristalino. En teoría este proceso
se podría repetir indefinidamente hasta que se obtuviera el más pequeño
conjunto de átomos, ordenados del mismo modo, y con la misma forma de cada uno
de los fragmentos mayores. Estaríamos, entonces, ante la celda fundamental del
cristal. Las formas poliédricas de caras planas, típicas de las sustancias
cristalinas, indican que el cristal crece a diferentes velocidades en las
distintas direcciones del espacio. Un cristal se origina por acumulación de un
pequeño conjunto de átomos. En consecuencia, si el crecimiento se produjera a
la misma velocidad en todas las direcciones, los cristales serían esféricos.
LA RED CRISTALINA
La disposición ordenada de los
constituyentes químicos en sucesiones a lo largo de los ejes, y los planos del
cristal, es decir, en las tres direcciones del espacio, forman una red
cristalina. Repetición de la celda inicial en todos los espacios.
LOS NODOS
Cada uno de los constituyentes
químicos, considerados, como puntos geométricos, recibe el nombre de nudo o
nodo. Esto se les ponen en filas y se repite cada cierta distancia
característica, denominada periodo.
EL PLANO RETICULAR
Un conjunto de filas paralelas
y equidistantes.
Los espacios delimitados por los
nodos, se denominan mallas. Las redes planas se forman geométricamente con la
translación en dos direcciones de los constituyentes químicos que forman el
cristal. La intersección de varias filas originaría un nodo. Los constituyentes
químicos se sitúan, normalmente, en estas intersecciones, aunque no siempre es
así. También ocupan otros lugares como el centro de las caras de la celda
fundamental. (pueden aparecer en medio).
EL RETÍCULO ESPACIAL
La superposición de varios
planos reticulares da lugar al retícula espacial Una línea del retículo
corresponden a la arista del cristal Un plano corresponde a la cara del cristal
El retículo se correspondería con el propio cristal
LOS ELEMENTOS DE SIMETRÍA
En los cristales, se pueden
definir tres clases de elementos de simetría: ejes, planos y centros
Un eje de simetría es una
línea que pasa por el centro del cristal, el cristal al dar la vuelta en torno
a ella, ocupa 2, 3, 4, ó 6, veces la misma posición.
Si la posición se ocupa dos
veces es binario
Si la posición se ocupa tres
veces es ternario
Si la posición se ocupa cuatro
veces es cuaternario
Si la posición se ocupa seis
veces es senario
Un plano de simetría es un
plano que divide el cristal en dos partes, cada una de las cuales es la imagen
especular de la otra
Un centro de simetría es un
punto interior del cristal que divide en dos partes iguales a cualquier
segmento, pase por el y enlaza juntos equivalentes.
LOS SISTEMAS CRISTALINOS
Existen 32 clases de cristales
según sus características de simetría, que se organizan en 14 tipos de redes
tridimensionales, las 14 redes de Bravais. El número de combinaciones posibles
de los elementos de simetría es finito. La posesión de elementos de simetría en
común permite agrupar las 32 clases cristalinas en 7 grupos, los sistemas
cristalinos. Estos sistemas quedan definidos por las constantes
cristalográficas, es decir, el tamaño característico de las aristas, y el
ángulo que forman entre sí en las celdas fundamentales de cada tipo de cristal.
Los sistemas cristalinos son: cúbico o isométrico, triclínico, monoclínico,
rómbico, tetragonal, hexagonal y trigonal o romboédrica. Cada celda
unidad queda determinada por la longitud de sus aristas a, b, y c que se cortan
en un punto, y por el valor de sus ángulos ð, ð, γð que forma dichas aristas.
Estos valores reciben el nombre de constantes cristalográficas y varían de unas
celdas a otras. En la naturaleza existen siete tipos de células fundamentales,
que se llaman: triclínico, monoclínico, cúbico, rómbico, hexagonal, romboédrico,
tetragonal. En ocasiones la estructura interna de los edificios cristalinos,
presenta imperfecciones debidas a impurezas dentro de la red cristalina o a la
sustitución de unas partículas elementales por otras. Por ello se forman
cristales defectuosos. Estos defectos, originas determinados colores,
contribuyen a la formación de piedras preciosas, permiten la flexibilidad de
algunos metales o aumentan su resistencia y dureza. El ser humano aprueba estas
imperfecciones en importantes aplicaciones, como en el funcionamiento de
transistores y del láser.
ELEMENTOS MORFOLÓGICOS DE UN
CRISTAL
Las caras que corresponden a
los planos reticulares, las aristas o filtros de nodos de los bordes de una
cara y los vértices que son los nudos o puntos terminales de las aristas.
María Gpe. Quintero Peña
José Dondiego Hernández
Marisol Sánchez Melo
Carolina Lorenzo Mora
Adrian Azael Mendoza Torres
Luis Montiel
Víctor Hugo Mendoza
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