SÓLIDOS I. Tipos de sólidos. Sólidos cristalinos: los átomos, iones o moléculas se empaquetan en forma ordenada.


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1 SÓLIDOS I Tipos de sólidos Sólidos cristalinos: los átomos, iones o moléculas se empaquetan en forma ordenada. Sólidos amorfos: no presentan estructuras ordenadas. 1

2 Sólidos cristalinos Hay posiciones fijas y una distribución tridimensional regular. Ejemplos: hielo, cloruro de sodio, cuarzo, etc. Sólidos amorfos No hay posiciones fijas ni distribución tridimensional regular. Ejemplos: goma, algunos plásticos, azufre amorfo, vidrio, i etc. vidrio plásticos (polímeros sintéticos) 2

3 Vidrio El vidrio se produce fundiendo materiales inorgánicos (SiO 2,Na 2 O, B 2 O 3 ) y enfriándolos hasta el estado sólido sin que cristalicen. El color del vidrio es debido a la inclusión de iones metálicos: Fe 2 O 3, CuO color verde UO 2 color amarillo CoO, CuO color azul Au y Cu color rojo Tipos de sólidos cristalinos Se clasifican según el tipo de unión: Sólidos metálicos Na metálico Sólidos iónicos NaCl Sólidos covalentes diamante (sin pulir) Sólidos moleculares hielo 3

4 Sólidos cristalinos iónicos - Red formada por aniones y cationes - Fuerzas electrostáticas - Duros y quebradizos - Puntos de fusión altos - Malos conductores del calor y de la electricidad - Conducen la electricidad fundidos o disueltos en agua cationes y aniones 4

5 La conducción eléctrica es a través de iones: Sólido Fundido Disuelto Sólidos cristalinos covalentes - Red formada por átomos unidos de modo tridimensional por enlaces covalentes - Duros e incompresibles - Puntos de fusión altos - Malos conductores eléctricos (en general) y del calor (en general) grafito diamante Dos alótropos del carbono 5

6 Formas de carbono Diamante Grafito Nuevas formas de carbono Grafeno Nanotubos de carbono C 60 grafeno icosaedro Fullerenos fullereno nanotubo grafito 6

7 Cuarzo (SiO 2 ) Sólidos cristalinos moleculares - Formados por moléculas (o átomos) unidos por fuerzas intermoleculares (London, dipolo-dipolo o puentes de H) - Blandos, compresibles y deformables - Puntos de fusión bajos - Malos conductores del calor y electricidad H 2 O CO 2 7

8 Sólidos cristalinos metálicos - Red formada por iones metálicos - Los electrones se encuentran deslocalizados en todo el cristal - Debido a la movilidad de los electrones son buenos conductores del calor y la electricidad - Pueden ser duros o blandos - Puntos de fusión variables núcleos y cortezas de e- internos mar de e- móviles - Los sólidos metálicos no son quebradizos (a diferencia de los sólidos iónicos y covalentes) - Son maleables (láminas) y dúctiles (alambres). 8

9 Las superficies metálicas poseen un brillo característico Modelo del mar de electrones Es el modelo más sencillo. Metal: conjunto de cationes metálicos sumergidos en un mar de electrones de valencia. Los electrones se pueden mover libremente por todo el cristal. 9

10 El modelo explica bien las conductividades eléctrica y térmica y la capacidad de deformación: - Altas conductividades eléctrica y térmica: debido a la movilidad de los e -. - Maleabilidad y ductilidad: hay redistribución de electrones. (diferente al caso de sólidos iónicos) Pero: el modelo del mar de electrones p. ej. no predice correctamente los puntos de fusión. (según el modelo cuantos más electrones de valencia tiene el metal, mayor debería ser el PF y no es así). Teoría de bandas En un cristal hay muchos átomos los niveles electrónicos de los átomos aislados son reemplazados por bandas, las cuales están separadas por regiones de energía prohibidas. En los cristales metálicos puede pasar que: - una banda sólo esté parcialmente ocupada (p ej, en el Na). - la diferencia de E entre una banda llena y una vacía sea muy pequeña (p ej, en el Mg) En ambos casos es posible la conducción eléctrica 10

11 La resistividad de los conductores, los aislantes y los semiconductores depende de la energía necesaria para sortear la zona prohibida ( gap ). metales aislantes semiconductores Banda vacía Región prohibida gap de energía grande Banda vacía gap de energía pequeño Banda llena o Banda llena Banda parcialm. llena Bandas que se solapan Banda vacía: banda de conducción Banda llena: banda de valencia Superconductividad: se denomina superconductor a aquella sustancia cuya resistividad es nula (conductividad tiende a infinito). 11

12 T f H f Tipo de fuerzas entre partículas Resumen de sólidos cristalinos Sólido Tipo de partículas Fuerzas entre las partículas Propiedades Ejemplos Metálico Iónico Covalente Molecular Iones positivos en mar de electrones Iones positivos y negativos Átomos unidos por enlaces covalentes Átomos o moléculas Atracción electrostática entre la red de iones y los electrones Atracciones electrostáticas Enlaces covalentes Puentes de hidrógeno, dipolodipolo, dispersión Blandos o muy duros, puntos de fusión bajos hasta muy altos, excelente conductividad térmica y eléctrica Duros y quebradizos, alto puntos de fusión, baja conductividad térmica y eléctrica, alta solubilidad en agua Muy duros, puntos de fusión muy altos, baja conductividad térmica y eléctrica, baja solubilidad en agua Blandos, puntos de fusión bajos a moderadamente altos, baja conductividad térmica y eléctrica Todos los elementos metálicos NaCl CaF 2 Diamante (C) Cuarzo (SiO 2 ) Ar sólido Sacarosa Hielo seco (CO 2 ) Compuesto Metales Enlace metálico Sólidos moleculares: moléculas no polares Fuerzas de dispersión solamente Sólidos moleculares: moléculas polares Las tres moléculas HX poseen fuerzas dipolo-dipolo. Las fuerzas de dispersión se incrementan con el tamaño y la masa molar. Sólidos iónicos Enlace de puente de hidrógeno. Todos los sólidos iónicos tienen interacciones ión-ión extendidas. Notar que el comporatamiento general es el mismo que el de las entalpías de red 12

13 Celda Unitaria Es la mínima unidad estructural de un sólido cristalino que contiene toda la información acerca de la estructura de un cristal. La estructura del sólido cristalino se representa mediante la repetición de la celda unidad en las tres direcciones del espacio. La estructura del sólido cristalino se representa mediante la repetición de la celda unidad en las tres direcciones del espacio. 13

14 Tipos de celda unidad: los 7 sistemas cristalinos cúbico tetragonal ortorrómbico romboédrico monoclínico triclínico hexagonal Tipos de celda unidad: los 7 sistemas cristalinos 14

15 Tipos de celda unidad: las 14 redes de Bravais cúbico (3) tetragonal (2) hexagonal (1) ortorrómbico (4) romboédrico (1) monoclínico (2) triclínico (1) Las tres celdas cúbicas Cúbica simple Cúbica centrada en el cuerpo Cúbica centrada en las caras 15

16 Análisis de las estructuras cristalinas Átomos netos: son los átomos que le corresponden a la celda (N) Número de coordinación: ió número de átomos vecinos inmediatos Factor de empaquetamiento atómico: es la fracción de volumen de la celda unidad que está ocupado por átomos. vol átomos FEA vol celda 4 3 N..r 3 vol celda Interesa conocer la relación entre la longitud de la arista (a) y el radio de los átomos que forman el cristal. 16

17 Red cúbica simple Celda cúbica simple r a Arista (a) = 2 radio (r) Número de coordinación: 6 N (átomos por celda) = 8 1/8 = 1 FEA= V átomos /V celda = (4/3 r 3 )/a 3 = /6 = 0,52 Eficiencia del empaquetamiento: 52 % 17

18 Red cúbica centrada en el cuerpo capa a capa b capa c Celda cúbica centrada en el cuerpo b 2 = a 2 + a 2 c b c 2 = a 2 +b 2 = 3.a 2 c = 4.r = (3.a 2 ) 1/2 a Número de coordinación = 8 N (átomos por celda) = (8 x 1/8) + 1 = 2 FEA=V átomos /V celda = 2.(4/3 r 3 )/a 3 = 0,68 Eficiencia del empaquetamiento = 68 % 18

19 Red cúbica centrada en las caras Celda cúbica centrada en las caras 4r (4.r) 2 = a 2 + a 2 a Número de coordinación = 12 N (átomos por celda) = (8 x 1/8) + (6 x 1/2) = 4 FEA=V átomos /V celda = 4.(4/3 r 3 )/a 3 = 0,74 Eficiencia del empaquetamiento = 74 % 19

20 Cálculo de la densidad de un sólido Dado que la densidad es una propiedad intensiva es igual a la densidad de la celda unitaria (g/ cm 3 ) Depende del número de átomos netos (N) pertenecientes a la celda unidad. Cúbica simple: N = 1; V = (4r/ 4) 3 Cúbica centrada en el cuerpo: N = 2; V = (4r/ 3) 3 Cúbica centrada en las caras: N = 4; V = (4r/ 2) 3 Problema Determinar la densidad de los siguientes metales a partir de los siguientes datos: a)pt: red cúbica centrada en las caras, r atómico= 138 pm. b)b) Cs: red cúbica centrada en el cuerpo, r atómico = 266 pm. 20

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