Los solidos ionicos

Los sólidos iónicos
Los compuestos iónicos suelen presentar una serie de características físicas que los
distinguen de los covalentes. Así, los sólidos iónicos como el cloruro sódico y el nitrato de
potasio tienen puntos de fusión moderadamente altos y son solubles en disolventes polares,
en particular en agua. Sin embargo existen excepciones como el CaF2 el cual presenta un
elevado punto de fusión pero es insoluble en agua. Los compuestos iónicos también
presentan una baja conductividad eléctrica en el estado sólido pero se hacen buenos
conductores de la electricidad cuando se funden o cuando se disuelven en disolventes
polares como el agua.
Los sólidos iónicos presentan estructuras con bajos números de coordinación, a diferencia de
los sólidos metálicos, lo que explica su menor densidad. De hecho, la distinción entre un
sólido iónico y uno covalente puede establecerse en función del número de coordinación, al
que puede llegarse de forma experimental mediante técnicas de difracción de rayos X. Sin
embargo, algunos sólidos covalentes como el diamante presentan también bajos números de
coordinación, por lo que es necesario un criterio más específico para establecer un sólido
como iónico.
La clasificación de un sólido como iónico se basa en la comparación de sus propiedades con
las que predice el modelo iónico. Este es un modelo límite del enlace entre átomos y se basa
en considerar al sólido formado por una red de esferas cargadas con signos opuestos y que
interaccionan
entre
sí
mediante
fuerzas
de
tipo
coulombianas.
Si
los
parámetros
termodinámicos calculados para el sólido empleando el modelo iónico coinciden con los
determinados experimentalmente, entonces el sólido presenta naturaleza iónica. No
obstante, hay que indicar que en algunos casos particulares esta coincidencia numérica no
implica siempre la existencia de un enlace iónico.
Estructuras características de los sólidos iónicos
Las estructuras que se describen en este apartado son los modelos que describen a un gran
número de sólidos iónicos. Por ejemplo, la estructura de la sal de roca, que toma su nombre
de la forma mineral del NaCl, es característica de muchos otros sólidos iónicos. Muchas de
las estructuras pueden considerarse constituidas por redes formadas por iones positivos y
negativos en las que se maximizan las fuerzas atractivas entre iones de signos opuestos y se
minimizan las fuerzas repulsivas entre iones de la misma carga.
Tabla 3. Estructuras cristalinas modelo de compuestos ionicos
Estructura cristalina
Ejemplo
Antifluorita
K2O, K2S,Li2O, Na2O, Na2Se, Na2S
Cloruro de cesio
CsCl, CaS, TlSb, CsCN, CuZn
Fluorita
CaF2, UO2, BaCl2, HgF2, PbO2
Arseniuro de níquel
NiAs, NiS, FeS, PtSn, CoS
Perovskita
CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3
Sal de roca
NaCl, LiCl, KBr, RbI, AgCl, AgBr, MgO, CaO, TiO, FeO, NiO, SnAs, UC,
ScN
Rutilo
TiO2, MnO2, SnO2, WO2, MgF2, NiF2
Blenda
ZnS, CuCl, CdS, HgS, GaP, InAs
Wurtzita
ZnS, ZnO, BeO, MnS, AgI, AlN, SiC, NH4F
La estructura del cloruro sódico
Esta estructura está basada en un empaquetamiento cúbico compacto (centrado en las
caras) de los aniones y en el que los cationes ocupan todos los huecos octaédricos. La
interpretación opuesta es igualmente válida: estructura de empaquetamiento compacto de
cationes con los aniones ocupando los huecos octaédricos. En cada celda unidad los iones de
un tipo ocupan los vértices y los centros de las caras del cubo mientras que los de signo
contrario se sitúan en los centros de las aristas y en el centro del cubo (Figura 6). Cada ion
de un signo está rodeado de 6 iones de signo contrario, por lo que el número de coordinación
del catión y del anión en este tipo de estructura de 6. Se dice que la estructura presenta
coordinación (6,6), donde el primer dígito representa el número de coordinación del catión y
el segundo el del anión. Los seis iones de signo contrario que rodean a un ion central se
disponen en forma octaédrica. Este tipo de estructura es adoptada por la mayoría de los
haluros alcalinos como los de Li, Na, K, Rb y el CsF. También es adoptada por los óxidos de
Mg, Ca, Sr, Ba y Cd.
Figura 6 . Estructura del NaCl
La estructura del cloruro de cesio
Esta estructura es menos común que la del cloruro de sodio y la presentan los compuestos
como el CsCl, CsBr y CsI, así como otros compuestos formados por iones de radios similares
a estos como los haluros de amonio (excepto el NH4Br). La estructura del cloruro de cesio
presenta una celda unidad cúbica en la que cada vértice está ocupado por el anión y el
centro del cubo se ocupa por el catión, o viceversa (Figura 7) (o viceversa), lo que conduce a
una coordinación (8,8).
Figura 7. Estructura del CsCl
Las estructuras de la blenda y de la wurtzita (ZnS)
El sulfuro de cinc cristaliza en dos formas polimórficas, la wurtzita y la blenda. La primera se
basa en un empaquetamiento hexagonal de los aniones en el que los cationes ocupan la
mitad de los huecos tetraédricos. La estructura de la blenda está basada en un
empaquetamiento de los aniones de tipo cúbico centrado en las caras en el que los cationes
ocupan la mitad de los huecos tetraédricos. En ambos tipos de estructuras se da la
coordinación (4,4). Las dos estructuras se presentan en los óxidos y sulfuros de los metales
divalentes como el Be, Zn, Mn, Cd, Hg.
Figura 8. Estructura de la blenda
Estructura de la wurtzita
La estructura de la fluorita (CaF2)
Esta estructura toma su nombre del mineral fluorita, CaF2. Consiste en un empaquetamiento
cúbico centrado en las caras de los cationes Ca2+ en el que los aniones F- ocupan todos los
huecos tetraédricos. La estructura de tipo antifluorita presenta una disposición de cationes y
aniones inversa a la de la fluorita. En la estructura de tipo fluorita, los aniones están
rodeados de 4 cationes vecinos dispuestos en un entorno tetraédrico. Los cationes están
rodeados de 8 aniones que se disponen en un entorno cúbico. Por lo tanto, los números de
coordinación para el catión y el anión son diferentes, 8:4 respectivamente, consistente con la
estequiometría del compuesto (hay doble número de aniones que de cationes). Este tipo de
estructura la presentan los fluoruros de Ca, Sr, Ba, Cd, Hg(II), Pb(II).
Figura 9. Estructura del CaF2.
La estructura del rutilo (TiO2)
Toma su nombre del mineral rutilo, un mineral de óxido de Ti(IV). Se basa en un
empaquetamiento hexagonal compacto de los aniones en el que los cationes ocupan la mitad
de los huecos octaédricos. Cada átomo de Ti está rodeado de seis átomos de oxígeno
(disposición octaédrica) y cada átomo de oxígeno se rodea de tres átomos de titanio
(disposición trigonal), de forma que la estructura de tipo rutilo presenta coordinación de 6:3.
Esta estructura es la adoptada, entre otros, por el óxido de Sn(IV) o casiderita, el MnO2 y el
WO2 y por los fluoruros del tipo MgF2 y NiF2.
Figura 10 . Estructura del TiO2 (rutilo)
La estructura de tipo perovskita
El mineral perovskita CaTiO3 posee una estructura que es el prototipo de muchos sólidos de
composición ABX3, particularmente óxidos. En su forma idealizada, la estructura de
perovskita es cúbica, con los átomos A ocupando el centro del cubo y rodeado de 12 átomos
de tipo X y los átomos B ocupando los vértices del cubo y rodeado por 6 átomos de tipo X.
La suma de las cargas de los iones positivos A y B debe ser de 6 (A2+ B4+, A3+ B3+,...). La
estructura de tipo perovskita está relacionada con la de materiales que presentan
propiedades eléctricas muy interesantes como los sólidos piezoeléctricos, ferroeléctricos y los
superconductores de alta temperatura.
Figura 11. Estructura de la perovskita.