Fundamentos de Sólidos: Estructura Cristalina, Empaquetamiento y Propiedades

Sólidos Cristalinos

Los sólidos cristalinos se caracterizan porque sus átomos, iones o moléculas se empaquetan en un arreglo ordenado y repetitivo, formando una red cristalina. Ejemplos incluyen sólidos covalentes (como el diamante y los cristales de cuarzo), sólidos metálicos y sólidos iónicos.

Sólidos Amorfos

Los sólidos amorfos, a diferencia de los cristalinos, no presentan estructuras ordenadas a largo alcance. Ejemplos comunes son el vidrio y el hule.

Estructura de los Sólidos Cristalinos

La estructura de un sólido cristalino se define por su celda unitaria, que es la unidad estructural básica y repetitiva. Esta es la mínima unidad que proporciona toda la información acerca de la estructura de un cristal.

Empaquetamiento de Esferas en Sólidos Cristalinos

Las partículas (átomos, iones o moléculas) en los sólidos cristalinos se empaquetan de formas distintas. Cada arreglo distinto representa un número de coordinación específico, que indica el número de vecinos más cercanos a una partícula central.

Empaquetamiento No Compacto

• Celda Unitaria Cúbica Simple (SC): En este arreglo, las esferas se tocan solo en las aristas. Ej.: α-Po, Hg.
• Celda Unitaria Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC): Las esferas se tocan a lo largo de la diagonal del cuerpo de la celda. Ej.: Fe, Cr, Ho, W, Ta, Ba.

Empaquetamiento Compacto

• Celda Unitaria Cúbica Centrada en las Caras (FCC): Las esferas se tocan a lo largo de la diagonal de la cara. Este empaquetamiento es muy eficiente. Ej.: Cu, Ag, Au, Al (metales con estructura FCC).
• Celda Unitaria Hexagonal Compacta (HCP): Este es otro tipo de empaquetamiento compacto, con una disposición hexagonal de las capas. Ej.: Mg, Zn, Cd, Ti.

Tipos de Cristales

1. Cristales Iónicos

Características:

• La cohesión se debe a enlaces iónicos (energías de red típicas de 50-100 kJ/mol).
• Formados por especies cargadas: aniones y cationes de distinto tamaño.

Propiedades:

• Duros y quebradizos.
• Puntos de fusión elevados.
• En estado líquido o fundido son buenos conductores de la electricidad.

Ejemplos:

NaCl, BaCl₂, sales y silicatos.

2. Cristales Covalentes

Características:

• La cohesión cristalina se debe únicamente a enlaces covalentes (energías de enlace típicas de 100-1000 kJ/mol).

Propiedades:

• Duros e incompresibles.
• Malos conductores eléctricos y térmicos.

Ejemplos:

Dos alótropos del carbono (grafito y diamante), Cuarzo (SiO₂).

3. Cristales Moleculares

Características:

• Formados por moléculas individuales.
• Unidos por fuerzas de Van der Waals (típicamente < 1 kJ/mol) o enlaces por puentes de hidrógeno.

Propiedades:

• Blandos, compresibles y deformables.
• Puntos de fusión bajos.
• Malos conductores de calor y electricidad.

Ejemplos:

SO₂, I₂, H₂O(s) (hielo).

4. Cristales Metálicos

Características:

• Cada punto reticular está formado por un átomo de metal.
• Los electrones de valencia se encuentran deslocalizados en todo el cristal, formando una "nube" o "mar de electrones".

Propiedades:

• Resistentes y maleables debido a la deslocalización electrónica.
• Debido a la movilidad de los electrones, son excelentes conductores de la electricidad y el calor.

Ejemplos:

Ca, Na, Li, Cu, Fe.

Vidrio

El vidrio es un producto de la fusión de materiales inorgánicos que se han enfriado a un estado sólido sin cristalizar, es decir, es un sólido amorfo. Sus principales componentes son SiO₂, Na₂O y B₂O₃ fundidos.

El color del vidrio se debe a la presencia de iones metálicos:

• Fe₂O₃, CuO: color verde
• UO₂: color amarillo
• CoO, CuO: color azul
• Au, Cu: color rojo