SÓLIDOS I

SÓLIDOS I
Tipos de sólidos
• Sólidos cristalinos: los átomos, iones o moléculas se
empaquetan en forma ordenada.
• Sólidos amorfos: no presentan estructuras ordenadas.
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Sólidos cristalinos
Hay posiciones fijas y una distribución tridimensional
regular.
Ej
Ejemplos:
l
hi l cloruro
hielo,
l
d sodio,
de
di cuarzo, etc.
t
Sólidos amorfos
No hay posiciones fijas ni distribución tridimensional
regular.
Ej
Ejemplos:
l
goma, algunos
l
plásticos,
lá ti
azufre
f amorfo,
f vidrio,
id i etc.
t
vidrio
plásticos (polímeros sintéticos)
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Vidrio
El vidrio se produce fundiendo materiales inorgánicos
(SiO2, Na2O, B2O3) y enfriándolos hasta el estado sólido
sin que cristalicen.
cristalicen
El color del vidrio es debido a
la inclusión de iones
metálicos:
táli
Fe2O3, CuO
color verde
UO2
color amarillo
CoO, CuO
color azul
Au y Cu
color rojo
Tipos de sólidos cristalinos
Se clasifican según el tipo de unión:
• Sólidos metálicos
• Sólidos iónicos
• Sólidos covalentes
• Sólidos moleculares
Na
metálico
NaCl
diamante
(sin pulir)
hielo
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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
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La conducción eléctrica es a través de iones:
Sólido
Disuelto
Fundido
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
Dos alótropos
del carbono
diamante
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Formas de carbono
Grafito
Diamante
Nuevas formas de carbono
Nanotubos
de carbono
Grafeno
grafeno
C60
icosaedro
Fullerenos
fullereno
nanotubo
grafito
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Cuarzo (SiO2)
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
H2O
CO2
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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 emóviles
- Los sólidos metálicos no son quebradizos (a diferencia
de los sólidos iónicos y covalentes)
- Son maleables (láminas) y dúctiles (alambres).
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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
d electrones
l t
d valencia.
de
l
i
Los electrones se pueden mover libremente por todo el
cristal.
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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
electrones.
y
ductilidad:
hay
redistribución
de
(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
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La resistividad de los conductores, los aislantes y los
semiconductores depende de la energía necesaria para
sortear la zona prohibida (“gap”).
metales
o
aislantes
semiconductores
Banda vacía
Banda vacía
Región prohibida
“gap” de energía
grande
“gap” de energía pequeño
Banda llena
Banda llena
Banda
Bandas que
parcialm. se solapan
llena
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).
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Resumen de sólidos cristalinos
Sólido
Tipo de
partículas
Fuerzas entre las
partículas
Metálico
Iones
positivos en
“mar” de
electrones
Atracción
electrostática entre la
red de iones y los
electrones
Iónico
Iones
positivos y
negativos
Atracciones
electrostáticas
Covalente
Átomos
unidos por
enlaces
covalentes
Enlaces covalentes
Molecular
Átomos o
moléculas
Puentes de
hidrógeno, dipolodipolo, dispersión
Tf
Compuesto
Propiedades
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
altos, baja
conductividad térmica y
eléctrica, baja solubilidad
en agua
Blandos, puntos de
fusión bajos a
moderadamente altos,
baja conductividad
térmica y eléctrica
Ejemplos
Todos los
elementos
metálicos
NaCl
CaF2
Diamante
(C)
Cuarzo
(SiO2)
Ar sólido
Sacarosa
Hielo seco
(CO2)
Hf
Tipo de fuerzas entre partículas
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
dipolo-dipolo.
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
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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.
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Tipos de celda unidad: los 7 sistemas cristalinos
cúbico
monoclínico
tetragonal
ortorrómbico
triclínico
romboédrico
hexagonal
Tipos de celda unidad: los 7 sistemas cristalinos
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Tipos de celda unidad: las 14 redes de Bravais
cúbico (3)
hexagonal (1)
tetragonal (2)
ortorrómbico (4)
romboédrico (1)
monoclínico (2)
triclínico (1)
Las tres celdas cúbicas
Cúbica
simple
Cúbica centrada
en el cuerpo
Cúbica centrada
en las caras
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Análisis de las estructuras cristalinas
Átomos netos: son los átomos que le corresponden a la
celda (N)
Número de
Nú
d coordinación:
di
ió número
ú
d átomos
de
át
vecinos
i
inmediatos
Factor de empaquetamiento atómico: es la fracción de
volumen de la celda unidad que está ocupado por
átomos.
4
N  ..r 3
vol á tomos
3
FEA 

vol celda
vol celda
Interesa conocer la relación entre la longitud de la arista (a)
y el radio de los átomos que forman el cristal.
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Red cúbica simple
Celda cúbica simple
a
r
Arista (a) = 2  radio (r)
Número de coordinación: 6
N (átomos por celda) = 8  1/8 = 1
FEA= Vátomos/Vcelda = (4/3r3)/a3
= /6 = 0,52
Eficiencia del empaquetamiento: 52 %
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Red cúbica centrada en el cuerpo
capa a
capa b
capa c
Celda cúbica centrada en el cuerpo
b2 = a2 + a2
c2 = a2 + b2 = 3.a
3 2
c
b
c = 4.r = (3.a2)1/2
a
Número de coordinación = 8
N (át
(átomos por celda)
ld ) = (8 x 1/8) + 1 = 2
FEA=Vátomos/Vcelda = 2.(4/3r3)/a3 = 0,68
Eficiencia del empaquetamiento = 68 %
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Red cúbica centrada en las caras
Celda cúbica centrada en las caras
(4.r)2 = a2 + a2
4r
a
Número de coordinación = 12
N ((átomos p
por celda)) = (8
( x 1/8)) + (6
( x 1/2)) = 4
FEA=Vátomos/Vcelda = 4.(4/3r3)/a3 = 0,74
Eficiencia del empaquetamiento = 74 %
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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/ cm3)
 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,, ratómico= 138 p
pm.
b)b) Cs: red cúbica centrada en el cuerpo, ratómico= 266 pm.
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