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LibreTexts Español

10.5: El estado sólido de la materia

  • Page ID
    1881
    • Contribuido por

    habilidades para desarrollar

    • Definir y describir la unión y las propiedades de los sólidos cristalinos de las redes iónicas, moleculares, metálicas y covalentes.
    • Describir los principales tipos de los sólidos cristalinos: sólidos iónicos, sólidos metálicos, sólidos de red covalente y sólidos moleculares.
    • Explicar las formas en que pueden ocurrir defectos cristalinos en un sólido

    Cuando la mayoría de los líquidos se enfrían, eventualmente se congelan y forman sólidos cristalinos, sólidos en los que los átomos, iones o moléculas están dispuestos en un patrón repetitivo definido. También es posible que un líquido se congele antes de que sus moléculas se organicen en un patrón ordenado. Los materiales que resultan se llaman los sólidos amorfos o los sólidos no cristalinos (o, a veces, vidrios). Las partículas de tales sólidos no tienen una estructura interna ordenada y están dispuestas aleatoriamente (Figura \(\PageIndex{1}\)).

    Two images are shown and labeled, from left to right, “Crystalline” and “Amorphous.” The crystalline diagram shows many circles drawn in rows and stacked together tightly. The amorphous diagram shows many circles spread slightly apart and in no organized pattern.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Las entidades de una fase sólida se pueden organizar en un patrón regular y repetitivo (sólidos cristalinos) o aleatoriamente (amorfo).

    Los metales y los compuestos iónicos típicamente forman sólidos cristalinos ordenados. Las sustancias que consisten en moléculas grandes, o una mezcla de moléculas cuyos movimientos son más restringidos, a veces forman sólidos amorfos. Por ejemplo, las ceras de las velas son sólidos amorfos compuestos de grandes moléculas de hidrocarburos. Algunas sustancias, como el óxido de boro (Figura \(\PageIndex{2}\)), pueden formar sólidos cristalinos o amorfos, dependiendo de las condiciones bajo las cuales se produce. Además, los sólidos amorfos pueden experimentar una transición al estado cristalino en condiciones apropiadas.

    Two sets of molecules are shown. The first set of molecules contains five identical, hexagonal rings composed of alternating red and maroon spheres single bonded together and with a red spheres extending outward from each maroon sphere. The second set of molecules shows four rings with twelve sides each that are joined together. Each ring is composed of alternating red and maroon spheres single bonded together and with a red spheres extending outward from each maroon sphere.
    Figura \(\PageIndex{2}\): (a) El trióxido de Diboron, B2O3, se encuentra normalmente como un sólido blanco amorfo (un vidrio), que tiene un alto grado de desorden en su estructura. (b) Mediante un calentamiento prolongado y cuidadoso, se puede convertir en una forma cristalina de B2O3, que tiene una disposición muy ordenada.

    Los sólidos cristalinos generalmente se clasifican de acuerdo con la naturaleza de las fuerzas que mantienen juntas sus partículas. Estas fuerzas son las principales responsables de las propiedades físicas exhibidas por los sólidos a granel. Las siguientes secciones proporcionan descripciones de los principales tipos de sólidos cristalinos: iónico, metálico, red covalente y molecular.

    Solidos Ionicos

    Los sólidos iónicos, como el cloruro de sodio y el óxido de níquel, están compuestos de iones positivos y negativos que se mantienen unidos mediante atracciones electrostáticas, que pueden ser bastante fuertes (Figura \(\PageIndex{3}\)). Muchos cristales iónicos también tienen altos puntos de fusión. Esto se debe a las fuertes atracciones entre los iones: en los compuestos iónicos, las atracciones entre las cargas completas son (mucho) más grandes que las entre las cargas parciales en los compuestos moleculares polares. Esto se analizará con más detalle en una discusión posterior de las energías reticulares. Aunque son difíciles, también tienden a ser frágiles y se rompen en lugar de doblarse. Los sólidos iónicos no conducen electricidad; sin embargo, conducen cuando están fundidos o disueltos porque sus iones son libres de moverse. Muchos compuestos simples formados por la reacción de un elemento metálico con un elemento no metálico son iónicos.

    <div data-mt-source="1"><img  alt="" style="width: 207px; height: 202px;" data-cke-saved-src="http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/59637/CNX_Chem_10_05_IonicSolid.jpg" src="http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/59637/CNX_Chem_10_05_IonicSolid.jpg"></div>
    Figura\(\PageIndex{3}\): El cloruro de sodio es un sólido iónico.

    Sólidos Metálicos

    Los sólidos metálicos como los cristales de cobre, aluminio y hierro están formados por átomos metálicos Figura \(\PageIndex{4}\). La estructura de los cristales metálicos a menudo se describen como una distribución uniforme de núcleos atómicos dentro de un "mar" de electrones deslocalizados. Los átomos dentro de tal sólido metálico se mantienen unidos por una fuerza única conocida como un enlace metálico que da lugar a muchas propiedades de volumen útiles y variadas. Todos exhiben 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 destruyen y, por lo tanto, son materiales de construcción útiles. Los puntos de fusión de los metales varían ampliamente. El mercurio es un líquido a temperatura ambiente, y los metales alcalinos se derriten por debajo de 200 °C. Varios metales posteriores a la transición también tienen puntos de fusión bajos, mientras que los metales de transición se funden a temperaturas más altas como 1000 °C. Estas diferencias reflejan diferencias en las resistencias de la unión metálica entre los metales.

    This figure shows large brown spheres arranged in a cube.
    Figura \(\PageIndex{4}\): El cobre es un sólido metálico.

    Sólidos de red covalente

    Los sólidos de la red covalente 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 sobre papel de lija). Muchos minerales tienen redes de enlaces covalentes. Los átomos en estos sólidos se mantienen unidos por una red de enlaces covalentes, como se muestra en la Figura \(\PageIndex{5}\). Para romper o derretir una red covalente sólida, los enlaces covalentes deben romperse. Debido a que los enlaces covalentes son relativamente fuertes, los sólidos de la red covalente se caracterizan típicamente por su dureza, resistencia y altos puntos de fusión. Por ejemplo, el diamante es una de las sustancias más duras conocidas y se funde por encima de los 3500 °C.

    Four pairs of images are shown. In the first pair, a square box containing a black atom bonded to four other black atoms is shown above a structure composed of many black atoms, each bonded to four other black atoms, where one of the upper atoms is labeled “carbon” and the whole structure is labeled “diamond.” In the second pair, a square box containing a white atom bonded to four red atoms is shown above a structure composed of many white atoms, each bonded to four red atoms, where one of the red atoms is labeled “oxygen” and one of the white atoms is labeled “silicon.” The whole structure is labeled “silicon dioxide.” In the third pair, a square box containing a blue atom bonded to four white atoms is shown above a structure composed of many blue atoms, each bonded to four white atoms, where one of the blue atoms is labeled “carbon” and one of the white atoms is labeled “silicon.” The whole structure is labeled “silicon carbide.” In the fourth pair, a square box containing six black atoms bonded into a ring is shown above a structure composed of many rings, arranged into sheets layered one atop the other, where one of the black atoms is labeled “carbon.” The whole structure is labeled “graphite.”
    Figura \(\PageIndex{5}\). Un cristal covalente contiene una red tridimensional de enlaces covalentes, como lo ilustran las estructuras de diamante, dióxido de silicio, carburo de silicio y grafito. El grafito es un ejemplo excepcional, compuesto de láminas planas de cristales covalentes que se mantienen juntas en capas por fuerzas no covalentes. A diferencia de los sólidos covalentes típicos, el grafito es muy blando y eléctricamente conductor.

    Sólidos moleculares

    Los sólidos moleculares, como el hielo, la sacarosa (azúcar de mesa) y el yodo, como se muestra en la Figura \(\PageIndex{6}\), están compuestos de las moléculas neutras. Las resistencias de las fuerzas de atracción entre las unidades presentes en diferentes cristales varían ampliamente, como lo indican los puntos de fusión de los cristales. Las moléculas simétricas pequeñas (moléculas no polares), como H2, N2, O2 y F2, tienen fuerzas de atracción débiles y forman sólidos moleculares con puntos de fusión muy bajos (por debajo de -200 °C). Las sustancias que consisten en moléculas no polares más grandes tienen fuerzas atractivas más grandes y se funden a temperaturas más altas. Los sólidos moleculares compuestos de moléculas con momentos dipolares permanentes (moléculas polares) se derriten a temperaturas aún más altas. Los ejemplos incluyen hielo (punto de fusión, 0 °C) y azúcar de mesa (punto de fusión, 185 °C).

    Two drawings are shown.  On the left, red and grey molecules are densely stacked in a 3-D drawing to represent carbon dioxide.  On the right, purple molecules are scattered randomly to represent iodine.
    Figura \(\PageIndex{6}\): El dióxido de carbono (CO2) consiste en moléculas pequeñas no polares y forma un sólido molecular con un punto de fusión de -78 °C. El yodo (I2) consiste en moléculas no polares más grandes y forma un sólido molecular que se funde a 114 °C.

    Propiedades de los sólidos

    Un sólido cristalino, como los sólidos listados en la Tabla \(\PageIndex{1}\) tiene una temperatura de fusión precisa porque cada átomo o molécula del mismo tipo se mantiene en su lugar con las mismas fuerzas o energía. Por lo tanto, las atracciones entre las unidades que componen el cristal tienen la misma fuerza y todas requieren la misma cantidad de energía para romperse. El ablandamiento gradual de un material amorfo difiere dramáticamente de la fusión distintiva de un sólido cristalino. Esto resulta porque no hay equivalencia estructural de las moléculas en el sólido amorfo. Algunas fuerzas son más débiles que otras, y cuando se calienta un material amorfo, las atracciones intermoleculares más débiles se rompen primero. A medida que la temperatura aumenta aún más, se rompen las atracciones más fuertes. Así, los materiales amorfos se ablandan en un rango de temperaturas.

    Tabla \(\PageIndex{1}\): Los tipos de sólidos cristalinos y sus propiedades
    Tipo de Sólido Tipo de partícula Tipo de atracciones Propiedades Ejemplos
    iónico iones enlaces iónicos duro, quebradizo, conduce la electricidad como un líquido pero no como un sólido, puntos de fusión de alto a muy alto NaCl, Al2O3
    metállico átomos de elementos electropositivos enlaces metálicos brillante, maleable, dúctil, conduce bien el calor y la electricidad, dureza variable y temperatura de fusión Cu, Fe, Ti, Pb, U
    red covalente átomos de elementos electronegativos enlaces covalentes muy duros, no conductores, puntos de fusión muy altos C (diamante), SiO2, SiC
    molecular moléculas (o átomos) IMFs dureza variable, fragilidad variable, no conductora, puntos de fusión bajos H2O, CO2, I2, C12H22O11

    GRAFENO: MATERIAL DEL FUTURO

    El carbono es un elemento esencial en nuestro mundo. Las propiedades únicas de los átomos de carbono permiten la existencia de formas de vida basadas en el carbono como nosotros. El carbono forma una gran variedad de sustancias que usamos diariamente, incluyendo las que se muestran en la Figura \(\PageIndex{7}\). Es posible que usted este familiar con el diamante y el grafito, los dos alótropos de carbono más comunes. (Los alótropos son formas estructurales diferentes del mismo elemento). El diamante es una de las sustancias más duras conocidas, mientras que el grafito es lo suficientemente blando como para ser usado como plomo de lápiz. Estas propiedades muy diferentes provienen de las diferentes disposiciones de los átomos de carbono en los diferentes alótropos.

    Three pairs of images are shown, each composed of a photo and a diagram. In the first pair, the photo shows a close-up view of a colorless, multi-faceted crystal and the diagram shows many gray spheres bonded together in a net-like structure. The caption below this pair reads “diamond.” In the second pair, the photo shows a rough textured, dark gray solid while the image shows four horizontal sheets, composed of interlocking black spheres, lying atop one another. This pair has a caption that reads “graphite.” The third pair shows a photo of twelve black hexagons on a yellow background where two of the hexagons are encircled by a gray border and a caption of “1.4 times 10, superscript negative 10, m, Distance between center of atoms” and an image of many black hexagons evenly arranged on a yellow background. The caption below this pair of images reads “Graphite surface.”
    Figura \(\PageIndex{7}\): El diamante es extremadamente duro debido a la fuerte unión entre los átomos de carbono en todas las direcciones. El grafito (con punta de lápiz) se frota sobre el papel debido a las débiles atracciones entre las capas de carbono. Una imagen de una superficie de grafito muestra la distancia entre los centros de átomos de carbono adyacentes. (crédito, foto izquierda: modificación del trabajo por Steve Jurvetson; crédito, foto del medio: modificación del trabajo por el Servicio Geológico de Estados Unidos)

    Es posible que esté menos familiarizado con una forma de carbono descubierta recientemente: el grafeno. El grafeno se aisló por primera vez en 2004 mediante el uso de cinta para despegar capas más y más delgadas de grafito. Es esencialmente una sola hoja (un átomo de espesor) de grafito. El grafeno, ilustrado en la Figura \(\PageIndex{8}\), no solo es fuerte y liviano, sino que también es un excelente conductor de electricidad y calor. Estas propiedades pueden resultar muy útiles en una amplia gama de aplicaciones, tales como circuitos y chips de computadora ampliamente mejorados, mejores baterías y celdas solares, y materiales estructurales más fuertes y livianos. El Premio Nobel de Física 2010 fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por su trabajo pionero con el grafeno.

    Four images are shown. In the upper image, labeled “Graphene sheet,” a box is drawn around a sheet of interconnected hexagonal rings. In the lower left image, a sphere is composed of hexagonal rings linked together and is labeled “Buckyball.” In the lower middle image, a tube is shown that is composed of many hexagonal rings joined together and is labeled “Nanotube.” In the lower right image, four horizontal sheets composed of joined, hexagonal rings is shown and labeled “Stacked sheets.”
    Figura \(\PageIndex{8}\): Las láminas de grafeno se pueden formar en bolas de bucky, nanotubos y capas apiladas.

    Defectos de los cristales

    En un sólido cristalino, los átomos, iones o moléculas están dispuestos en un patrón repetitivo definido, pero ocasionalmente se pueden producir defectos en el patrón. Se conocen varios tipos de defectos, como se ilustra en la Figura \(\PageIndex{9}\). Las vacantes son defectos que ocurren cuando las posiciones que deberían contener átomos o iones están vacantes. Con menos frecuencia, algunos átomos o iones en un cristal pueden ocupar posiciones, llamadas sitios intersticiales, ubicadas entre las posiciones regulares de los átomos. Se encuentran otras distorsiones en los cristales impuros, como, por ejemplo, cuando los cationes, aniones o moléculas de la impureza son demasiado grandes para caber en las posiciones regulares sin distorsionar la estructura. Algunas veces se agregan pequeñas cantidades de impurezas a un cristal (un proceso conocido como el dopaje) para crear defectos en la estructura que producen cambios deseables en sus propiedades. Por ejemplo, los cristales de silicio se dopan con cantidades variables de diferentes elementos para producir propiedades eléctricas adecuadas para su uso en la fabricación de semiconductores y chips de computadora.

    Types of crystal defects include vacancies, interstitial atoms, and substitutions impurities.
    Figura\(\PageIndex{9}\): Los tipos de defectos cristalinos incluyen vacancias átomos intersticiales e impurezas de sustitución.

    Resumen

    Algunas sustancias forman sólidos cristalinos que consisten en partículas en una estructura muy organizada; otros forman sólidos amorfos (no cristalinos) con una estructura interna que no está ordenada. Los principales tipos de sólidos cristalinos son los sólidos iónicos, los sólidos metálicos, los sólidos de red covalente y los sólidos moleculares. Las propiedades de los diferentes tipos de sólidos cristalinos se deben a los tipos de partículas en que consisten, la disposición de las partículas y la fuerza de las atracciones entre ellas. Debido a que sus partículas experimentan atracciones idénticas, los sólidos cristalinos tienen temperaturas de fusión distintas; las partículas en los sólidos amorfos experimentan una variedad de interacciones, por lo que se ablandan gradualmente y se funden en un rango de temperaturas. Algunos sólidos cristalinos tienen defectos en el patrón repetitivo definido de sus partículas. Estos defectos (que incluyen vacantes, átomos o iones que no están en las posiciones regulares e impurezas) cambian las propiedades físicas como la conductividad eléctrica, que se explota en los cristales de silicio utilizados para fabricar chips de computadora.

    Glosario

    sólido amorfo
    (también, sólido no cristalino) sólido en el que las partículas faltan de una estructura interna ordenada
    red covalente sólida
    sólido cuyas partículas se mantienen unidas por enlaces covalentes
    solido cristalino
    sólido en el que las partículas están dispuestas en un patrón repetitivo definido
    sitios intersticiales
    espacios entre las posiciones de partículas regulares en cualquier conjunto de átomos o iones
    sólido iónico
    sólido compuesto de iones positivos y negativos unidos por fuertes atracciones electrostáticas
    sólido metálico
    sólido compuesto de átomos metálicos
    sólido molecular
    sólido compuesto de moléculas neutras unidas por fuerzas de atracción intermoleculares
    vacante
    defecto que ocurre cuando una posición que debe contener un átomo o ion está vacante

    Contribuyentes

    • Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110)."

    • Ana Martinez (amartinez02@saintmarys.edu) contribuyó a la traducción de este texto.