LÍQUIDOS Y SÓLIDOS

ESTADO SÓLIDO

 
 

En los sólidos las partículas que lo forman están más próximas que en los líquidos y ocupan una posición fija en la que pueden vibrar pero no desplazarse. Los sólidos, por tanto, son incompresibles (casi) y tienen forma y volumen propio.

Los sólidos pueden ser cristalinos o amorfos. En un sólido cristalino (p.e. cloruro de sodio) hay un ordenamiento regular de las partículas (moléculas, átomos, iones) que lo forman. Por el contrario, en un sólido amorfo (p.e. vidrio) no se observa ningún patrón en el ordenamiento de las partículas.

INDICE

 

SÓLIDOS CRISTALINOS

Se denomina celda unidad a la mínima parte de la red cristalina que por repetición en las tres dimensiones es capaz de generarla.

Por ejemplo, la celda unidad del cloruro de sodio es la siguiente:

Su repetición forma la red cristalina del cloruro de sodio

Que solemos ver representada de la siguiente manera:

SISTEMAS CRISTALINOS Y REDES DE BRAVAIS

La celda unidad está caracterizada por la dimensión de sus lados y los ángulos que forman sus caras.

En base a ello se distinguen siete sistema cristalinos

y catorce redes de Bravais

Ejercicio:

¿Cuántos átomos por celda unidad hay en los tres sistemas cristalinos cúbicos?

Cúbica Simple (SC): 8 vértices x 1/8 átomo/vértice = 1 átomo

Cúbica Centrada en las Caras (FCC) : 8 vértices x 1/8 átomo/vértice + 6 caras x 1/2 átomo/cara = 4 átomos

Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC) : 8 vértices x 1/8 átomo/vértice + 1 centro x 1 átomo/centro = 2 átomos

Otros parámetros a considerar en la celda unidad son los siguientes:

-Factor de empaquetamiento: fracción de la celda unidad que está ocupada por átomos, suponiéndolos esferas macizas.

- Índice de coordinación: Número de átomo que rodean a otro en la celda unidad

TIPOS DE CRISTALES

Los sólidos cristalinos se suelen clasificar en función del tipo de enlace que une las partículas. En los cristales moleculares, las moléculas están unidas por fuerzas intermoleculares.

CRISTALES METÁLICOS

En el caso de los metales el empaquetamiento se produce entre átomos idénticos, por tanto, tienden a adoptar estructuras simples.

ESTRUCTURA CÚBICA SIMPLE

La repetición de la celda unidad da lugar a la red cristalina

La estructura obtenida tiene un factor de empaquetado muy bajo

FE = volumen esferas/volumen celda

FE = (1/8 x 8)(4/3 pi r3)/(2r3) = pi/6 = 52,35 %

Esta estructura tiene, por tanto, una notable fracción de espacio vacío no ocupado. Es ineficiente y se presenta en pocos casos, por ejemplo, en el polonio.

Su número de coordinación es 8

ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BCC)

El resultado es

El índice de coordinación es 8 y el factor de empaquetamiento de la estructura obtenida es:

FE = volumen esferas/volumen celda

FE = 68 %

Esta estructura es muy común en metales, por ejemplo, hierro, cromo, tungsteno o sodio

 

ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC)

También es denominada estructura cúbica compacta. Su celda unidad es:

La repetición de la celda genera la red cristalina

que puede ser entendida como la superposición de sucesivas capas de átomos en la secuencia A-B-C-A-B-C-A

 

El resultado es el empaquetamiento más eficaz de esferas iguales, con número de coordinación 12 y cuatro átomos por celda. En ella se producen dos tipos de huecos instersticiales, unos tetraédricos y otros octaédricos.

el factor de empaquetamiento de la estructura obtenida es:

FE = volumen esferas/volumen celda

FE = 74 %

Esta estructura es muy común en metales, por ejemplo, níquel, plata, oro, cobre o aluminio.

 

ESTRUCUTURA HEXAGONAL COMPACTA (HCP)

Su celda unidad es

y la red cristalina obtenida de su repetición es

 

Se obtiene de manera parecida a la cúbica FCC pero alternando solo dos capas: A-B-A-B-A

Esta estructura tiene seis átomos por celda y su factor de empaquetamiento es el mismo que el de la FCC: 74 %. La presentan metales como magnesio, zinc, titanio o cobalto.

 

CRISTALES IÓNICOS

En los cristales iónicos las partículas que ocupan los nodos son iones, es decir, partículas cargadas de distinto tamaño. Por tanto, el empaquetamiento compacto en este tipo de cristales ha de conseguirse preservando la estequiometría del compuesto y la neutralidad del conjunto.

La relación de tamaños entre cationes y aniones indica el tipo de coordinación que existirá en el cristal.

Por ejemplo, en el caso del cloruro de sodio, donde la relación rcatión/ranión=0,56, el índice de coordinación es 6 (tetraédrica).

Los casos principales de cristale iónicos son los siguientes

CLORURO DE CESIO

La estructura cristalina del cloruro de cesio es cúbica centrada en el cuerpo y se puede explicar como el resultado de dos estructuras cúbicas simples interpenetradas, una de cationes y otra de aniones. La repetición de la celda unidad, genera la red cristalina en la que existe una capa de cationes alternada con otra de aniones.

La relación rcatión/ranión = 0,94, por ello presenta un índice de coordinación 8 para ambos iones.

CLORURO DE SODIO

La estructura cristalina del cloruro de sodio es cúbica centrada en las caras. En este caso la celda unidad es la siguiente:

La repetición de la celda unidad genera una red cristalina en la que el índice de coordinación de ambos iones es 6 (octaédrica). La relación rcatión/ranión = 0,56. La red cristalina del NaCl puede entenderse como el resultado de dos estructuras cúbicas centradas en las caras (una de cada ion) interpenetradas.

 

FLUORITA

La fluorita sirve para ejemplificar los compuestos iónicos de fórmula MX2. En ellos, los iones metálicos M ocupan una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y el anión X ocupa los 8 huecos intersticiales tetraédricos.

En los compuestos de magnesio con la fórmula general Mg2X, donde X puede ser Si, Ge o Sn, la estructura es la misma que la de la fluorita pero con las posiciones de los iones cambiadas (antifluorita).

CRISTALES MOLECULARES

En los cristales covalentes los nodos están ocupados por átomos (cristales atómicos) y están unidos por enlaces covalentes. Las estrucutras cristalinas unidas por enlaces covalentes son tridimensionales y contienen un número muy elevado de átomos. Los principales ejemplos son el diamante y el cuarzo.

diamante

SiO2

CRISTALES MOLECULARES

En los cristales moleculares los nodos están ocupados por moléculas unidas por fuerzas intermoleculares (fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno). El más importante es el sólido del agua (hielo). En este caso, los puentes de H permiten que se forme una estructura tridimensional tetraédrica.

En el caso del CO2, las moléculas están unidas por fuerzas de Van der Waals. Su menor intensidad explica su facilidad para sublimar.