Estructura cristalina y empaquetamiento de sólidos: celdas unitarias y tipos de cristales
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Resumen
El documento explica la diferencia entre sólidos cristalinos y amorfos y define la celda unitaria como base de la estructura cristalina. Describe los tipos de empaquetamiento (cúbico simple, BCC, FCC y HCP) con sus ejemplos, y clasifica los cristales en iónicos, covalentes, moleculares y metálicos según sus propiedades. Incluye además una breve nota sobre la composición del vidrio y el origen de sus colores.
Puntos clave
- Los sólidos cristalinos tienen un arreglo ordenado y repetitivo; los amorfos, como el vidrio y el hule, no presentan orden a largo alcance.
- La celda unitaria es la unidad estructural básica y repetitiva que describe toda la estructura de un cristal.
- El número de coordinación indica el número de vecinos más cercanos de una partícula central.
- Empaquetamientos no compactos: cúbico simple (SC) y cúbico centrado en el cuerpo (BCC); compactos: cúbico centrado en las caras (FCC) y hexagonal compacta (HCP).
- Cristales iónicos: duros, quebradizos, de punto de fusión elevado y conductores en estado fundido.
- Cristales covalentes: duros e incompresibles, malos conductores; ejemplos el diamante, el grafito y el cuarzo.
- Cristales moleculares: blandos, de punto de fusión bajo y malos conductores, unidos por fuerzas de Van der Waals o puentes de hidrógeno.
- Cristales metálicos: electrones de valencia deslocalizados, lo que les da maleabilidad y buena conductividad eléctrica y térmica.
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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
Preguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre un sólido cristalino y uno amorfo?
Los sólidos cristalinos presentan una disposición ordenada y repetitiva de sus partículas, mientras que los amorfos no tienen orden a largo alcance. Ejemplos de amorfos son el vidrio y el hule.
¿Qué es la celda unitaria?
Es la unidad estructural básica y repetitiva de un sólido cristalino. Es la mínima unidad que contiene toda la información sobre la estructura del cristal.
¿Por qué los cristales metálicos conducen bien la electricidad?
Sus electrones de valencia están deslocalizados en todo el cristal, formando un mar de electrones que se mueve libremente. Esta movilidad explica su excelente conductividad eléctrica y térmica.
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