8: Sólidos Ionicos y Covalentes - Estructuras
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Objetivos de aprendizaje
- Describir muchas estructuras cristalinas en términos de marcos empaquetados con llenado sistemático de agujeros octaédricos y tetraédricos.
- Representar estructuras cristalinas dibujándolas en secciones.
- Racionalizar, utilizando principios químicos, por qué ciertas estructuras cristalinas son estables para ciertos compuestos pero no para otros, así como por qué se prefieren ciertos motivos estructurales y de unión para ciertos compuestos en relación con otros.
- Predecir qué estructuras cristalinas son las más favorables para una composición dada en función de la ionicidad y las tendencias periódicas.
- Explicar las propiedades dependientes de la estructura como la ferroelectricidad y el ordenamiento magnético basado en estructuras cristalinas.
- Comprender las reacciones de intercalación en sólidos en capas y marco abierto.
- Predecir la formación preferida de espinelas normales o inversas usando argumentos de la química de metales de transición (por ejemplo, energías de estabilización de campo cristalino).
Los sólidos inorgánicos a menudo tienen estructuras cristalinas simples, y algunas de estas estructuras son adoptadas por grandes familias de compuestos iónicos o covalentes. Ejemplos de las estructuras más comunes incluyen NaCl, CsCl, NIs, zincblende, wurtzita, fluorita, perovskita, rutilo y espinela. Desarrollaremos estas estructuras sistemáticamente a partir de las celosías empaquetadas y no empaquetadas que se muestran a continuación. Algunas estructuras en capas, como CDCl 2 y CdI 2, pueden pensarse como parientes de redes iónicas simples con algunos átomos “faltantes”.
- 8.2: Empaque cerrado y sitios intersticiales
- Muchos cristales inorgánicos comunes tienen estructuras que están relacionadas con empaquetamientos de esferas cúbicas empaquetadas (cúbicas centradas en la cara) o hexagonales. Estas celosías de empaquetamiento contienen dos tipos de sitios o “agujeros” que llenan los átomos intersticiales, y la geometría de coordinación de estos sitios es tetraédrica u octaédrica. Un átomo intersticial que llena un agujero tetraédrico se coordina a cuatro átomos de empaquetamiento, y un átomo que llena un orificio octaédrico se coordina a seis átomos de empaquetamiento.
- 8.3: Estructuras relacionadas con NaCl y NIs
- Hay una serie de compuestos que tienen estructuras similares a la del NaCl, pero tienen una simetría menor (generalmente impuesta por la geometría del anión) que el propio NaCl.
- 8.4: Estructuras Tetraédricas
- En celosías ccp y hcp, hay dos agujeros tetraédricos por átomo de empaque. Una estequiometría de M2X o MX2 da una estructura que llena todos los sitios tetraédricos, mientras que una estructura MX llena solo la mitad de los sitios.
- 8.5: Estructuras en capas y reacciones de intercalación
- Las estructuras en capas se caracterizan por enlaces fuertes (y típicamente covalentes) entre átomos en dos dimensiones y enlaces más débiles en la tercera. Existe una amplia gama de compuestos y alótropos de algunos elementos puros (B, C, P, As) en formas estratificadas. Estructuralmente, la más simple de estas estructuras (por ejemplo, halogenuros y sulfuros metálicos binarios) puede describirse como que tiene alguna fracción de los sitios octaédricos y/o tetraédricos que se rellenan en las celosías fcc y hcp.
- 8.6: Unión en estructuras de TiS₂, MoS₂ y Pirita
- Muchos dialcogenuros estratificados, tales como TiS2 y ZrS2, tienen la estructura CDi2. En estos compuestos, como hemos señalado anteriormente, los iones metálicos son coordinados octaédricamente por S. Curiosamente, las estructuras de MoS2 y WS₂, aunque también están estratificadas, son diferentes. En estos casos, el metal está rodeado por un prisma trigonal de átomos de azufre. NbS₂, TaS₂, MoSe₂, MoTe₂ y WSe₂ también tienen la estructura de molibdenita prismática trigonal, que se muestra a continuación junto a un cristal laminar de MoS₂.
- 8.7: Estructuras de Espinela, Perovskita y Rutilo
- Hay tres estructuras más, que se derivan de celosías empaquetadas, que son particularmente importantes debido a las propiedades materiales de sus compuestos. Se trata de la estructura de espinela, en la que se basan las ferritas y otros óxidos magnéticos, la estructura de perovskita, que es adoptada por los óxidos ferroeléctricos y superconductores, y la estructura del rutilo, que es una estructura binaria común 6:3 adoptada por óxidos y fluoruros.