Prof. Denisse Casais Química 2°DB L 65 Nocturno ESTADO SÓLIDO Los sólidos se clasifican en amorfos y cristalinos. ¿Cómo se diferencia un sólido cristalino de uno amorfo? Un sólido cristalino es un sólido cuyos átomos, iones o moléculas están ordenados en arreglos bien definidos; las partículas se disponen en patrones regulares lo que origina que estos sólidos tengan formas muy definidas. Cuando un cristal se rompe lo hace según ciertas direcciones preferentes, de modo que aun reducido a polvo, aparecen claramente las caras y ángulos diedros que caracterizan la sustancia en cuestión. Un sólido amorfo es un sólido cuyas partículas no tienen una estructura ordena; el patrón no se repite en todo el sólido. Estos sólidos carecen de caras y formas bien definidas, a diferencia de los sólidos cristalinos. Sólido cristalino Sólido amorfo CLASIFICACIÓN Existen muchas estructuras cristalinas diferentes y por lo tanto es conveniente clasificarlas. Criterio de clasificación de los sólidos cristalinos teniendo en cuenta el tipo de partículas que los constituyen y el tipo de interacciones que existen entre ellas. Según este criterio los cristales se clasifican en: - iónicos - moleculares - covalentes - metálicos TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS Cristales iónicos Tienen 2 características importantes: 1) están formados por especies cargadas (anión y catión) 2) los aniones y cationes son por lo general de distinto tamaño. Cuando se combinan 2 elementos entre los que existen una importante diferencia de electronegatividad, los electrones se transfieren formándose aniones y cationes. Estos iones se mantienen unidos por unas fuerzas de atracción electrostáticas no direccionales conocidas como fuerzas interiónicas (enlace iónico). El ejemplo más común es el del cloruro de sodio (NaCl) : El anión puede dirigirse hacia el catión desde cualquier dirección o punto del espacio y experimentar la misma fuerza de atracción, por eso se dice que las fuerzas interiónicas son no direccionales. La distribución de los aniones alrededor del catión está determinada principalmente por las cargas y tamaños relativos de los cationes y aniones. Como las fuerzas interiónicas son muy intensas, los sólidos iónicos son duros pero frágiles y con puntos de fusión elevados. Casi todos son solubles en solventes polares como el agua. No conducen la electricidad debido a que los iones están en una posición fija, sin embargo, fundidos o disueltos en agua, los iones se pueden mover libremente y el líquido conduce la electricidad. La siguiente representación muestra y explica porqué los sólidos iónicos son frágiles. Si una acción externa causa que una capa de iones se desplace ligeramente de su posición normal, se va a romper la organización óptima de los iones propia del cristal iónico y los iones de igual carga, se repelerán entre sí al convertirse en vecinos. La fuerte repulsión entre iones de igual carga hace que se separen, siendo esta la causa de la fragilidad de los cristales iónico. Otra de las propiedades de los cristales iónicos es su solubilidad en agua y otros solventes polares. Catión sodio hidratado Anión cloruro hidratado Cristales covalentes Un cristal covalente está formado por átomos o grupos de átomos organizados en una red cristalina que se mantiene unida por una red de enlaces covalentes. Estos sólidos son por lo general extremadamente duros y no volátiles. Se funden a temperaturas elevadas. Son ejemplos conocidos el diamante y el grafito. Estructura del diamante Estructura del grafito En el diamante cada átomo de carbono está enlazado a otros 4 átomos. Los enlaces covalentes fuertes en 3 dimensiones contribuyen a la dureza particular del diamante ( es el material más duro que se conoce) y a su elevado punto de fusión (3550ºC). En el grafito cada átomo de carbono está unido por enlaces covalentes con otros 3 átomos. En cada capa de átomos de carbono, cada carbono posee 1electrrón que puede moverse libremente, por eso el grafito es buen conductor de la electricidad. Las capas se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares débiles. Los enlaces covalentes del grafito explican su dureza, sin embargo como las capas se pueden deslizar entre sí, el grafito se presenta untuoso al tacto, propiedad que lo hace útil como lubricante. Otro ejemplo de cristal covalente es el cuarzo (SiO2) . Cristales moleculares Están constituidos por moléculas entre las cuales existen algunos de los tres tipos de fuerzas intermoleculares ya estudiadas. Recordemos que los tipos de fuerzas intermoleculares son: - Fuerzas de London - Fuerzas dipolo- dipolo - Puentes de hidrógeno Dado que las fuerzas intermoleculares son débiles comparadas con los enlaces iónicos y covalentes, los cristales moleculares se rompen con mayor facilidad que los cristales iónicos o covalentes y funden a temperaturas más bajas que estos (generalmente temperaturas menores de 100ºC). No obstante, hay diferencias entre los cristales moleculares las cuales dependen del tipo de molécula que lo forma (polar o apolar) y del tipo de fuerzas de atracción entre dichas moléculas. Recordemos que las fuerzas de London son las más débiles de las tres y los puentes de hidrógeno las más intensas. Con excepción del hielo, las moléculas en los cristales moleculares están empacados tan juntas como su tamaño y forma lo permiten. Algunos ejemplos de cristales moleculares: H2O I2 Fuerzas intermoleculares: Enlace de Hidrógeno Fuerzas intermoleculares: Dispersión de London Cristales metálicos Los metales forman cristales en los que cada átomo se ha ionizado para formar un catión (cuya carga dependerá de su configuración electrónica) y el número de electrones correspondiente. Los cationes forman una red cristalina que se mantiene unida por un “mar de electrones”. Estos electrones no están asociados con un catión en particular sino que por el contrario se mueven libremente por toda la red de cationes. Todos los cationes del metal quedan unidos mediante la nube o mar de electrones. El enlace metálico surge pues de las atracciones electrostáticas entre los cationes y los electrones móviles. Tanto la conductividad eléctrica como térmica es una consecuencia de la movilidad que poseen los electrones así como la facilidad de vibración que poseen los cationes. Por ejemplo la conductividad térmica de los metales se explica porque al suministrar calor al metal los cationes vibran más rápido agitándose contra los otros cationes vecinos que a su vez hacen lo mismo. Por otra parte, los electrones libres comienzan a moverse también con mayor rapidez y transfieren de este modo energía al colisionar con los cationes y con otros electrones. La facilidad con que los metales son deformados (maleabilidad y ductilidad) es también consecuencia del enlace metálico. La ductilidad y maleabilidad se debe a la movilidad de los electrones en la red y al poco carácter direccional del enlace metálico (enlace deslocalizado que se extiende en todas direcciones). Cuando un cristal metálico se deforma, no se rompen los enlaces sino que “el mar de electrones” se adapta a la nueva distribución de cationes. ACTIVIDADES Completa la tabla. Actividad 1. Tipo de cristal Partículas Fuerza entre partículas Punto de fusión Solubilidad en H2O Solubilidad en solventes no polares Conductividad eléctrica en estado sólido iones NaCl, CaF2 KBr Iónico Covalente C(diamante, grafito) SiO2 Si átomos Molecular moléculas polares SO2 HCl moléculas apolares H2 , I2, Br2 moléculas que tienen OH,HF,NH Metálico H2O, HF, NH3 Cationes y electrones Mg, Fe, Ag, Au Completa la tabla. Actividad 2. Sustancia N2 HF LiF CaCl2 HCl Cu P4 Ag BaCl2 Actividad 3. Sustancia KCl K Cl2 Ejemplos Estructura sólida Tipo de fuerzas de atracción entre las partículas Dispersión de London Tipo de partículas que lo constituyen Molécula polar Iónica Enlace iónico molecular Cationes y electrones metálico Enlace iónico Completa la tabla: Estructura sólida Tipo de fuerza atractiva Intensidad de la fuerza Partículas que lo componen Actividad 4 1. Se tiene un sólido duro, de elevado punto de fusión, insoluble en agua y no conductor de la electricidad. ¿De qué tipo de sólido se trata? Fundamenta tu respuesta. 2. Se dispone de un sólido con el siguiente grupo de propiedades: punto de fusión mayor a 1800ºC, muy soluble en agua, mal conductor de la electricidad en estado sólido pero buen conductor cuando se lo funde. ¿De qué tipo de sólido se trata? Fundamenta tu respuesta. Actividad 5 1. Completa la Tabla Fórmula de la Sustancia Tipo de partículas Tipo de fuerza Estructura de atracción sólida Au NaF S8 NH3 2. Indica cual de los sólidos podría tener el siguiente conjunto de propiedades características. Fundamenta. Muy bajo punto de fusión. Insoluble en agua y otros solvente polares No conduce la corriente eléctrica en estado sólido ni fundido.