Propiedades y Aplicaciones de los Rayos X y Enlace Iónico

Enlace Iónico

El enlace iónico se caracteriza por ser una interacción fuerte y no direccional entre átomos con cargas opuestas. Los compuestos con este tipo de enlace suelen ser malos conductores eléctricos, presentan altos puntos de fusión y ebullición, y exhiben una alta simetría. En su estructura, cada ión se rodea del máximo número posible de iones de signo contrario, una disposición determinada por la relación de sus tamaños relativos (R+/R-).

Reglas de Pauling

Las reglas de Pauling establecen principios fundamentales para la formación y estabilidad de las estructuras iónicas:

1. La distancia interiónica (c-a) es la suma de los radios iónicos. El número de coordinación (NC) está determinado por esta relación.
2. La fuerza de un enlace iónico se considera igual a la carga del catión dividida por su número de coordinación. La fuerza relativa de los enlaces se calcula como la carga total dividida entre el número de vecinos más próximos.

• Enlaces isodésmicos: Enlaces de igual fuerza.
• Enlaces anisodesmicos: Enlaces de fuerza desigual.
• Enlaces mesodésmicos: La fuerza del enlace es la mitad de la energía de enlace del anión.

La existencia de aristas y caras comunes entre poliedros de coordinación disminuye la estabilidad de la estructura. Los cationes con alta valencia y bajo número de coordinación tienden a no compartir elementos poliédricos. El número de partículas estructurales en una unidad tiende a un límite para mantener la estabilidad.

Rayos X: Propiedades y Generación

Los rayos X son una forma de radiación electromagnética con propiedades notables:

• Son invisibles al ojo humano.
• Viajan a una velocidad similar a la de la luz.
• Se propagan en línea recta.
• Tienen la capacidad de ionizar el aire.
• Poseen un gran poder de penetración en la materia.
• Presentan un doble carácter: ondulatorio y corpuscular.

Generación de Rayos X

Los rayos X se generan principalmente en tubos de rayos X, que constan de:

• Fuente de electrones: Generalmente un filamento caliente (cátodo) que emite electrones por efecto termoiónico.
• Voltaje alto: Aplicado entre el cátodo y el ánodo para acelerar los electrones.
• Tubo de rayos catódicos: Un tubo de vacío donde los electrones acelerados chocan contra un material en el ánodo.

Cuando la intensidad (corriente de electrones) aumenta, la longitud de onda de los rayos X emitidos tiende a disminuir. El espectro resultante es una radiación blanca heterocromática. Los rayos X se producen cuando los electrones son frenados bruscamente al chocar con el ánodo, disipando su energía en forma de radiación. El ánodo suele estar fabricado con elementos de alto número atómico para maximizar la producción de rayos X.

Espectro de Rayos X

El espectro de rayos X se divide en dos componentes principales:

• Espectro continuo (Radiación de frenado): Su intensidad y distribución de longitudes de onda dependen principalmente del voltaje aplicado al tubo. Existe una longitud de onda límite (la menor posible) que corresponde a la energía máxima de los electrones acelerados. Para cada material en el ánodo, se requiere un potencial mínimo para generar rayos X.
• Espectro característico: Consiste en líneas discretas de longitudes de onda específicas, que son características del material del ánodo. Estas líneas se originan cuando un electrón incidente expulsa un electrón de una capa interna del átomo del ánodo, creando un hueco. Un electrón de una capa externa cae para llenar este hueco, emitiendo un fotón de rayos X con una energía igual a la diferencia de energía entre las capas. Las líneas más importantes son las Kα (transición de la capa L a la K) y Kβ (transición de la capa M a la K). La línea Kα es la más utilizada y a veces se presenta como un doblete (Kα1 y Kα2).

Cuando el voltaje aplicado alcanza un nivel crítico, se observan discontinuidades en el espectro continuo, correspondientes a la energía necesaria para ionizar las capas internas del material del ánodo.

Fenómenos Asociados a los Rayos X

Los rayos X interactúan con la materia a través de varios fenómenos:

• Reflexión: Un fenómeno superficial donde la radiación rebota.
• Absorción: La intensidad del haz de rayos X disminuye al atravesar la materia.
• Refracción: Cambio de dirección de la radiación al pasar de un medio a otro.
• Dispersión: Descomposición del haz de rayos X en diferentes direcciones.
• Difracción: Ocurre cuando un haz de rayos X incide sobre la estructura atómica ordenada de un cristal. Los átomos del cristal actúan como centros de dispersión, emitiendo radiación secundaria con la misma longitud de onda y frecuencia.

Ley de Bragg

La Ley de Bragg describe la condición para la difracción constructiva de los rayos X por un cristal:

nλ = 2d sen θ

Donde:

• n es un número entero (orden de difracción).
• λ es la longitud de onda de los rayos X.
• d es la distancia entre los planos atómicos paralelos en el cristal.
• θ es el ángulo de incidencia (ángulo de Bragg).

Solo se produce difracción cuando el ángulo de incidencia cumple esta condición. A diferencia de la reflexión, que es un fenómeno superficial con intensidad constante, la difracción depende de la estructura interna del cristal.

Dispersión por Celda Unitaria

La intensidad de la dispersión de rayos X por una celda unitaria depende de la disposición y el tipo de átomos en ella. Para diferentes tipos de celdas unitarias, la intensidad (I) se relaciona con el factor de forma atómico (f) de la siguiente manera:

• Celda Primitiva (P): I ∝ F² = f²
• Celda Centrada en las Caras (F): I ∝ F² = 4f²
• Celda Centrada en el Cuerpo (I): I ∝ F² = 16f²

Donde F es el factor de estructura.