UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE MORELOS FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS E INGENIERIA MATERIA: ESTRUCTURA Y PROPIEDAD DE LOS MATERIALES TEMA: SOLIDOS PROFESORA: ALBAÑIL SANCHEZ LOYDA ALUMNA: KAREN ARELY GOMEZ CORRALES FECHA: 30 DE ABRIL DEL 2024 1 Contenido Solidos cristalinos y amorfos ............................................................................................................... 3 Clasificación de solidos por su tipo de enlace ..................................................................................... 6 Cristalografía ....................................................................................................................................... 8 Celdas unitarias y redes de bravais ................................................................................................... 12 Simetría y elementos de simetría ..................................................................................................... 14 2 Solidos cristalinos y amorfos Los sólidos son una forma de materia con una estructura ordenada en la que las partículas se mantienen juntas de forma fija donde pueden vibrar mas no desplazarse. En general, los sólidos se caracterizan por su rigidez estructural y resistencia a cambios de forma o volumen, a diferencia de un líquido, un objeto sólido no fluye para tomar la forma de su recipiente, ni se expande para llenar todo el volumen disponible como lo hace un gas. Los sólidos cristalinos son aquellos en los que las partículas están ordenadas de manera regular y repetitiva en un patrón tridimensional, lo que les otorga una estructura cristalina. Esta organización les confiere propiedades específicas y distintivas, como una forma definida, puntos de fusión y ebullición claramente definidos, y una alta densidad. Ejemplos de sólidos cristalinos son el diamante, la sal común y el hielo. Algunas de las propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material, la forma en que los átomos, iones o moléculas están dispuestos espacialmente. Una red de cristal es un patrón repetitivo de puntos matemáticos que se extiende por todo el espacio, las fuerzas de los enlaces químicos provocan esta repetición, es este patrón repetido el que controla propiedades como resistencia, ductilidad, densidad, conductividad (propiedad de conducir o transmitir calor, electricidad, etc.) 3 Para describir un cristal se necesitan dos ingredientes: una celosía y una base, dicho de otra manera, la celosía describe cómo se disponen espacialmente los átomos: en un cristal, es un patrón regular y ordenado que tesela el espacio 3D. La base es la unidad que se copia sobre el patrón: generalmente consiste en uno o más átomos. Los cristalógrafos utilizan un conjunto de patrones llamados celosías de Bravais para describir las formas en que los átomos pueden disponerse para formar sólidos cristalinos. Vamos a centrarnos en el subconjunto de las celosías Bravais que son cúbicas, hay tres celosías cúbicas: cúbicas simples (SC), cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) y cúbicas centradas en la cara (FCC). En la figura se muestra la cuadrícula gris que representa el contorno de la celda unitaria, mientras que cada círculo muestra un átomo. Para los átomos a lo largo de las esquinas de la celda unitaria, cada átomo se comparte entre ocho celdas vecinas, por lo que cada celda contiene 1/8 de un átomo. De manera similar, cada uno de los átomos faciales en la celda unitaria FCC se comparten entre dos celdas, por lo que cada 1/2 contiene un átomo. Podemos calcular cuántos átomos hay en cada una de las celdas unitarias cúbicas: SC= 8 átomos de esquina∗1/8 =1 átomo de esquina por celda SC unitaria. BCC= 8 átomos de esquina∗1/8 +1 átomo central+*1=2 átomos por celda BCC unitaria. FCC= 8 átomos de esquina∗1/8 + 6 átomos de cara∗1/2 = 4 átomos por celda FCC unitaria. 4 Por otro lado, los sólidos amorfos carecen de una estructura cristalina definida y están formados por partículas dispuestas de manera aleatoria. Como resultado, presentan propiedades diferentes a los sólidos cristalinos, como una mayor flexibilidad, menor densidad y ausencia de puntos de fusión y ebullición definidos, se afirma que un sólido amorfo está compuesto por pequeños cristales de diferentes estructuras de tamaño innumerable. La combinación de todas estas estructuras resulta en un patrón laberíntico y caótico: la estructura general se convierte en amorfa, formada por una multitud de bloques cristalinos dispersos en todas partes. Las propiedades de un sólido amorfo varían en función de la naturaleza de sus partículas conformantes, sin embargo, hay ciertas características generales que pueden mencionarse, al ser sus estructuras desordenadas no generan espectros confiables de difracción de rayos X, asimismo, sus puntos de fusión no son precisos, sino que abarcan un intervalo de valores, por ejemplo, el punto de fusión para un sólido amorfo puede variar de 20 a 60°C, mientras, los sólidos cristalinos funden a una temperatura específica, o en un intervalo estrecho si contienen muchas impurezas, otra característica de los sólidos amorfos es que cuando se quiebran o fracturan, no originan fragmentos geométricos y de caras planas, sino fragmentos irregulares y con caras curvadas y cuando no son vítreos, se presentan como cuerpos polvorientos y opaco. Ejemplos de sólidos amorfos son el vidrio, el plástico y la cera. En resumen, los sólidos cristalinos tienen una estructura ordenada y periódica, mientras que los sólidos amorfos carecen de esta organización y presentan propiedades distintivas debido a su estructura desordenada. Fuentes: https://espanol.libretexts.org/Quimica/Qu%C3%ADmica_Inorg%C3%A1nica/In troducci%C3%B3n_a_la_Qu%C3%ADmica_de_Estado_S%C3%B3lido/06%3A_R ecitaciones/6.13%3A_Celos%C3%ADas_Bravais_y_Empaque_de_Cristal https://material-properties.org/es/que-son-los-solidos-cristalinos-materialescristalinos-definicion/ https://www.lifeder.com/ejemplos-solidos-amorfos/ 5 Clasificación de solidos por su tipo de enlace Los sólidos cristalinos se clasifican generalmente según la naturaleza de las fuerzas que mantienen unidas sus partículas. Estas fuerzas son las principales responsables de las propiedades físicas que presentan los sólidos, a continuación, se describen los principales tipos de sólidos cristalinos: iónicos, metálicos, de red covalente y moleculares. SOLIDOS IONICOS Los sólidos iónicos, están compuestos por iones positivos y negativos que se mantienen unidos por atracciones electrostáticas, que suelen ser bastante fuertes. Muchos cristales iónicos también tienen puntos de fusión elevados, esto se debe a las fuertes atracciones entre los iones: en los compuestos iónicos, las atracciones entre las cargas completas son (mucho) mayores que las de las cargas parciales en los compuestos moleculares polares. Esto se verá con más detalle en un análisis sobre las energías de la red. Aunque son duros, también tienden a ser frágiles, y se rompen en lugar de doblarse. Los sólidos iónicos no conducen la electricidad; sin embargo, sí lo hacen cuando están fundidos o disueltos porque sus iones se mueven libremente. Muchos compuestos simples formados por la reacción de un elemento metálico con un elemento no metálico son iónicos. SOLIDOS METALICOS Los sólidos metálicos, están formados por átomos de metal, La estructura de los cristales metálicos suele describirse como una distribución uniforme de núcleos atómicos dentro de un "mar" de electrones deslocalizados, sus átomos se mantienen unidos por una fuerza única conocida como enlace metálico, que da lugar a muchas propiedades útiles y variadas. Todos presentan una alta conductividad térmica y eléctrica, brillo metálico y maleabilidad. Muchos son muy duros y bastante fuertes. Debido a su maleabilidad (la capacidad de deformarse bajo presión o martilleo), no se rompen y, por tanto, son materiales de construcción útiles. Los puntos de fusión de los metales varían mucho, varios metales posteriores a la transición 6 también tienen puntos de fusión bajos, mientras que los metales de transición se funden a temperaturas superiores a los 1.000 °C. Estas diferencias reflejan las diferencias en la fuerza de los enlaces metálicos entre los metales. SOLIDOS DE RED COVALENTES Los sólidos de red covalentes incluyen cristales de diamante, silicio, algunos otros no metales y algunos compuestos covalentes como el dióxido de silicio (arena) y el carburo de silicio (carborundo, el abrasivo del papel de lija). Muchos minerales tienen redes de enlaces covalentes. Los átomos de estos sólidos se mantienen unidos por una red de enlaces covalentes, para romper o fundir un sólido de red covalente, hay que romper los enlaces covalentes. Dado que los enlaces covalentes son relativamente fuertes, los sólidos de red covalente se caracterizan normalmente por su dureza, resistencia y altos puntos de fusión. Por ejemplo, el diamante es una de las sustancias más duras que se conocen y se funde por encima de los 3.500 °C. SOLIDOS MOLECULARES Los sólidos moleculares, están compuestos por moléculas neutras. La intensidad de las fuerzas de atracción entre las unidades presentes en los distintos cristales varía mucho, como indican los puntos de fusión de los cristales. Las pequeñas moléculas simétricas (moléculas no polares), como el H2, el N2, el O2 y el F2, tienen fuerzas de atracción débiles y forman sólidos moleculares con puntos de fusión muy bajos (por debajo de −200 °C). Las sustancias formadas por moléculas más grandes y no polares tienen fuerzas de atracción mayores y se funden a temperaturas más altas. Los sólidos moleculares compuestos por moléculas con momentos dipolares permanentes (moléculas polares) se funden a temperaturas aún más altas. Algunos ejemplos son el hielo (punto de fusión, 0 °C) y el azúcar de mesa (punto de fusión, 185 °C). 7 Fuentes: https://openstax.org/books/qu%C3%ADmica-2ed/pages/10-5-el-estadosolido-de-la-materia https://amyd.quimica.unam.mx/pluginfile.php/6315/mod_resource/content/1 /Whitten%20enlace%20en%20solidos.pdf Cristalografía La cristalografía es la ciencia que estudia la estructura de los cristales, es decir, la forma en que los átomos y las moléculas están dispuestos en un cristal. Esta disciplina utiliza diversas técnicas para determinar la estructura molecular de los cristales, como la difracción de rayos X, la microscopía electrónica y la microscopía de fuerza atómica, entre otras. La cristalografía es una herramienta fundamental en diversas áreas de la ciencia, como la química, la física, la biología y la geología, ya que permite comprender la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales cristalinos. La utilidad de la cristalografía en el estudio de la estructura cristalina reside principalmente en tres principios. Estos son los siguientes: Estado cristalino: Un material en estado cristalino posee una disposición característica regular y bien definida de sus átomos constituyentes. Un haz 8 ionizante que pasa a través de un cristal con una disposición tan regular de átomos sufre difracción. Formación de patrones de difracción: la dispersión de un haz de radiación incidente en direcciones específicas por parte de un cristal se denomina difracción. La interacción entre un haz ionizante y un sólido cristalino produce patrones de difracción característicos, dependiendo de las identidades y disposiciones de los átomos constituyentes. Análisis del patrón de difracción: El patrón de difracción producido por la interacción entre un haz ionizante y un sólido cristalino se analiza mediante la ley de Bragg, la transformada de Fourier y el modelado computacional. El análisis revela las disposiciones e identidades de los átomos en la estructura cristalina. En cristalografía se utilizan tres tipos de haces de radiación: rayos X, electrones y neutrones, si bien los tres tipos de radiación producen difracción dependiendo de la disposición atómica regular en la estructura cristalina, cada uno posee propiedades características que los distinguen Rayos X: los rayos X se difractan en diversos grados al encontrar diferentes átomos, dependiendo de sus densidades de electrones de valencia. Esta propiedad se aprovecha en la cristalografía de rayos X. Sin embargo, la cristalografía de rayos X requiere grandes cristales en estado sólido para determinar las estructuras moleculares. Electrones: Tanto los núcleos atómicos como los electrones de valencia influyen en la difracción de los electrones incidentes, haciéndolos más sensibles que los rayos X. La cristalografía electrónica se puede utilizar para determinar estructuras moleculares utilizando cristales pequeños. Neutrones: Las fuerzas nucleares de los núcleos atómicos determinan la difracción de neutrones. La difracción de neutrones es útil para determinar las posiciones de los átomos de hidrógeno. Sin embargo, requiere cristales mucho más grandes que la cristalografía de rayos X. De estas tres, los rayos X son la radiación más antigua y más utilizada en cristalografía. Los patrones de difracción de rayos X están determinados por la 9 disposición atómica, la simetría y las distancias interatómicas en las estructuras cristalinas. METODOS DE CRISTALOGRAFIA Difracción de rayos X de monocristal: utilizando rayos X, se investiga la disposición periódica de los átomos y se genera un mapa tridimensional de densidad electrónica de la estructura cristalina basándose en el patrón de difracción. Difracción de rayos X en polvo: el patrón de difracción de rayos X producido por cristales en polvo se analiza para identificar fases, determinar parámetros de celda unitaria y estudiar la textura cristalográfica. Difracción de neutrones: las estructuras cristalinas se exponen a un haz de neutrones y el patrón de difracción resultante se analiza para determinar las disposiciones atómicas y las fases en la estructura cristalina. Difracción de electrones: un haz de electrones que incide sobre un cristal produce un patrón de difracción que se puede visualizar con un microscopio electrónico. La cristalografía ha mejorado enormemente la comprensión de las estructuras atómicas de los materiales, tiene aplicaciones en una amplia gama de campos, incluidas la ciencia de materiales y la biología. Ciencia de los materiales: la cristalografía proporciona una comprensión fundamental de las propiedades de un material y sus posibles aplicaciones. Las disposiciones atómicas en las estructuras cristalinas de un material forman la base de sus rasgos característicos. Por tanto, la cristalografía es fundamental para la caracterización de materiales, particularmente en términos de relaciones estructura-propiedades. En materiales artificiales, el papel de la cristalografía se amplifica aún más, ya que también es necesaria para el diseño y desarrollo de dichos materiales. Identificación de fases: en un sólido cristalino, la fase se refiere a una disposición atómica tridimensional en un patrón regular. La identificación de fases es fundamental en el estudio de materiales nuevos y no identificados, ya 10 que ayuda a desentrañar sus propiedades y composiciones. La cristalografía juega un papel clave en la identificación de fases, permitiendo así la caracterización del material. Biología: La cristalografía de rayos X ha dado lugar a descubrimientos revolucionarios en las ciencias biológicas, incluido el de la estructura del ADN de doble hélice realizado por Rosalind Franklin. Ha avanzado en la comprensión científica de numerosos procesos biológicos y enfermedades, además de haber ayudado al diseño y desarrollo de varios fármacos. Más recientemente, la cristalografía de neutrones ha surgido como una poderosa herramienta para dilucidar las interacciones proteína-ligando, patrones de enlaces de hidrógeno y ubicaciones precisas de todos los átomos en las moléculas biológicas. En conclusión, la cristalografía es el estudio de la disposición ordenada de átomos en sólidos cristalinos a lo largo de más de cien años. Quienes se dedican a este estudio son conocidos como cristalógrafos y se centran en la estructura cristalina, la difracción y el análisis del patrón de difracción. Se emplean rayos X, electrones y neutrones en la cristalografía para desentrañar las disposiciones atómicas en la estructura cristalina de un material y así entender sus propiedades. Este campo se aplica en diferentes áreas como la ciencia de materiales y la biología, y los avances en las técnicas cristalográficas serán clave en la ampliación del conocimiento científico de diversos materiales. Fuentes: https://estudyando.com/cristalografia-definicion-metodos-y-difraccion-derayos-x/ 11 Celdas unitarias y redes de bravais Las redes de Bravais son el conjunto de las catorce celdas unitarias tridimensionales en las que pueden ubicarse los átomos de un cristal, estas celdas constan de un arreglo tridimensional de puntos que forman una estructura básica que se repite periódicamente en las tres direcciones espaciales. El conjunto de las 14 redes de Bravais se subdividen en siete grupos o estructuras de acuerdo a la geometría de las celdas, estos siete grupos son: 1. Cúbico 2. Tetragonal 3. Ortorrómbico 4. Trigonal-Hexagonal 5. Monoclínico 6. Triclínico 7. Trigonal 12 Cada una de estas estructuras definen una celda unitaria, siendo esta la porción más pequeña que conserva la disposición geométrica de los átomos en el cristal. Las catorce redes de Bravais se subdividen en siete grupos. Pero cada uno de estos grupos tiene sus celdas unitarias con sus parámetros característicos los cuales son: 1. El parámetro de red (a, b, c) 2. Número de átomos por celda 3. Relación entre parámetro de red y radio atómico 4. Número de coordinación 5. Factor de empaquetamiento 6. Espacios intersticiales 7. Mediante traslaciones a lo largo de los vectores a, b, c la estructura cristalina se repite. Fuentes: https://www.lifeder.com/redes-de-bravais/ https://www.lifeder.com/celda-unitaria/ 13 Simetría y elementos de simetría La simetría en los sólidos se refiere a la propiedad de tener partes iguales o equivalentes que se repiten en un patrón regular, los elementos de simetría son operaciones que dejan inalterada la forma y orientación de un sólido. Algunos de los elementos de simetría más comunes en sólidos son: Plano de simetría: Es un plano imaginario que divide al sólido en dos partes iguales y simétricas. Eje de rotación: Es una línea imaginaria alrededor de la cual el sólido puede girar y seguir luciendo igual. Puede ser un eje de rotación de orden 2 (media vuelta), de orden 3 (tercio de vuelta) o de orden 4 (cuarto de vuelta). Centro de inversión: Es un punto en el sólido con respecto al cual cualquier punto en la superficie del sólido está a una distancia igual en direcciones opuestas desde el centro. Eje de reflexión: Es una línea imaginaria en la cual el sólido se mantiene igual cuando se refleja sobre ella. Estos elementos de simetría son de gran importancia en la clasificación y estudio de los sólidos y su simetría contribuye a la belleza y armonía de la forma de los objetos. Fuentes: https://www.quimicafisica.com/simetria-molecular.html https://espanol.libretexts.org/Quimica/Qu%C3%ADmica_F%C3%ADsica_y_Te %C3%B3rica/Libro%3A_Simetr%C3%ADa_(Vallance)/01%3A_Cap%C3%ADtulo s/1.02%3A_Operaciones_de_simetr%C3%ADa_y_elementos_de_simetr%C3% ADa 14
