8.3: Propiedades físicas
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Apenas es imaginable que los materiales basados en las propiedades físicas de los compuestos inorgánicos sólidos hayan jugado papeles tan decisivos en la tecnología y la industria actuales. Uno puede pensar que este campo pertenece más a la física material. Sin embargo, aparte de las teorías de las propiedades físicas, la contribución de la química y los químicos a la preparación de materiales y su análisis estructural ha sido mayor que la de otras ramas de la ciencia. La ciencia de los materiales es la aplicación de las propiedades físicas fundamentales de los materiales de tal manera que convergen las teorías básicas y sus aplicaciones. Por lo tanto, al examinar las aplicaciones en dichos campos, se pueden entender los contornos de los temas de investigación y sus propósitos.
Importantes materiales inorgánicos son encuestados desde el punto de vista químico enfocándose en la relación entre preparación y aislamiento, y estructura y propiedades físicas.
a) Propiedades eléctricas
Un semiconductor es un conductor eléctrico con resistencia eléctrica en el rango de aproximadamente 10 4 a 10 8 ohmios. Un semiconductor típico es un silicio de grado súper alto que se fabrica a gran escala y se usa ampliamente para dispositivos de procesamiento de información como computadoras y dispositivos de conversión de energía como células solares. Los VLSI (circuitos integrados a gran escala) se imprimen en obleas hechas de monocristales de silicio casi sin defectos con diámetros de no menos de 20 cm, preparados a partir de silicio policristalino por el método Czochralski. Recientemente se han realizado chips de memoria con un grado muy alto de integración, así como chips de computadora altamente eficientes.
En una breve tabla periódica, el silicio es un elemento del grupo IV y tiene cuatro electrones de valencia. Aunque los semiconductores de silicio representan actualmente el 90% o más de todos los semiconductores, los compuestos isoelectrónicos 1:1 de los grupos II-VI o III-V forman semiconductores compuestos y también se utilizan para dispositivos ópticos o electrónicos de ultra alta velocidad. Por ejemplo, ZnS, CdS, GaAs, InP, etc. son semiconductores compuestos típicos y el desarrollo de tecnologías para cultivar monocristales de estos materiales es notable. Los diodos emisores de luz (LED) o los láseres semiconductores son aplicaciones importantes de los semiconductores compuestos.
Como películas delgadas de semiconductores compuestos son hechas por MBE (epitaxia de haz molecular) o MOCVD (deposición química metalorgánica de vapor), compuestos organometálicos especiales, como trimetil galio Ga (CH 3) 3 y trimetilarsénico As (CH 3) 3, quepreviamente encontrado poca aplicación, ahora se utilizan industrialmente.
Ejercicio\(\PageIndex{3}\)
¿Qué compuestos distintos de los ejemplos dados son adecuados como semiconductores?
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-
ZnO, CD, PbS, GaP e InsB
La superconductividad es un fenómeno de cero resistencia eléctrica por debajo de una temperatura crítica, T c, y fue descubierta en 1911 por Kamerlingh Onnes (Premio Nobel de Física de 1913), quien logró licuar helio durante sus experimentos para medir la resistencia eléctrica del mercurio a ultrabajo temperaturas. Alrededor de 1/4 de los elementos, como Nb (T c = 9.25 K), In, Sn y Pb se comportan como superconductores y más de 1000 aleaciones y compuestos intermetálicos también son superconductores, pero solo las aleaciones de Nb-Ti (T c = 9.5 K) y Nb 3 Sn (T c = 18 K) encuentran aplicación. Nb 3 Sn, Nb 3 Ge, V 3 Ga, etc., son compuestos cúbicos tipo A-15, en los que los átomos de metal de transición están alineados en cadenas, y las distancias interatómicas son más cortas que las del metal a granel cristalino, elevando la densidad de estados de la banda de conducción y la crítica temperatura, T c, del compuesto.
Entre los superconductores de compuestos inorgánicos, los compuestos calcogenuros M x Mo 6 X 8 (X = S, Se, Te y M = Pb, Sn, etc.) de molibdeno llamados fases Chevrel y superconductores de alta temperatura de derivados de óxido de cobre, que J. G. Bednortz y K. A. Müller descubiertos en 1986 (Premio Nobel de Física 1987), han llamado la atención. Las fases Chevrel tienen estructuras (consulte la Sección 4.4) en las que se unen unidades de conglomerado hexanucleares de molibdeno y la T c más alta es de solo 15 K de PbMo 6 S 8, pero el estado superconductor no se rompe ni siquiera en campos magnéticos fuertes. En el sistema de óxido de cobre, se han preparado más de 100 compuestos similares desde el primer descubrimiento y el T c más alto descubierto hasta ahora es de 134 K. Un compuesto típico, YbA 2 Cu 3 O 7-x, tiene una estructura (Figura\(\PageIndex{4}\)) en la que CuO5 pirámides cuadradas y los planos CuO4 están conectados por compartición de esquina, Ba e Y se insertan entre ellos, y el contenido de oxígeno no es estequiométrico.
Por otro lado, también se han estudiado los superconductores moleculares. Los complejos donador-aceptor representativos están compuestos por TTF y BEDT-TTF (Figura\(\PageIndex{5}\)) como donantes de electrones, y ClO 4 - o [Ni (dmit) 2] 2- como aceptores de electrones. El primer ejemplo de este tipo de superconductores se descubrió en 1980, y de los cerca de 50 complejos conocidos en la actualidad, el T c más alto es 13K. Recientemente (1991) el fullereno C 60 dopado con metales alcalinos mostró una T c de aproximadamente 30K.
Aunque se conocen miles de superconductores, solo unos pocos encuentran que los superconductores ap pound son muy quebradizos; o bien es difícil hacer plicatura. Porque los com m en alambres o solo se obtienen pequeños monocristales. Tomará un tiempo considerable antes de que algunos de ellos encuentren un uso práctico. Por lo tanto, principalmente los alambres Nb-Ti se utilizan como los imanes superconductores de RMN analítica, MRI médica (instrumento de resonancia magnética) o trenes maglev, etc. Los esfuerzos se concentran en descubrir materiales que tengan propiedades mecánicas y de otro tipo adecuadas mediante la cooperación entre la química inorgánica y física de estado sólido.
Se utilizan diversos óxidos metálicos como termistores (dispositivo de resistencia sensible a la temperatura), varistores (dispositivo de resistencia no lineal), capacitores, etc. Por ejemplo, BaTiO 3, con estructura de perovskita, y SrTiO 3, etc. pueden ser utilizados para cualquiera de los fines mencionados anteriormente. Los materiales de conducción iónica también se denominan electrolitos sólidos y\(\alpha\) -AgI,\(\beta\) -Al 2 O 3, zirconia estabilizada (una parte de Zr en ZrO2 es reemplazada por Ca o Y), etc. se utilizan en baterías de estado sólido o celdas de combustible.
b) Magnetismo
Los materiales magnéticos se dividen en materiales magnéticos duros (imanes permanentes) y blandos. Los imanes permanentes son indispensables para las máquinas que utilizan motores y MRI, lo que requiere un campo magnético alto. Japón tiene una fuerte tradición en el desarrollo de imanes, y ha hecho muchos materiales magnéticos de época para uso práctico. Los imanes de Alnico con Fe, Ni y Al como sus componentes principales, los imanes de ferrita compuestos por soluciones sólidas de CoFe 2 O 4 y Fe 3 O 4, imanes de cobalto y tierras raras como SmCo 5 y imanes Nb-Fe-B fueron logros especialmente significativos. Dado que los materiales magnéticos blandos están fuertemente magnetizados en campos magnéticos débiles, son los más adecuados para su uso como materiales centrales en transformadores. Las propiedades magnéticas duras son necesarias para el mantenimiento estable de la información, mientras que las propiedades magnéticas blandas son necesarias para grabar y sobreescribir información en materiales de grabación magnética como cintas magnéticas, disquetes y discos duros. Aunque\(\gamma\) -Fe 2 O 3 es un polvo magnético típico utilizado para estos fines, se le agrega Co + o CrO 2 cristalino para mejorar sus propiedades magnéticas. Los materiales de grabación y los dispositivos semiconductores son indispensables para nuestra sociedad moderna orientada a la información, y el papel desempeñado por la química inorgánica en la mejora del rendimiento de estos materiales es significativo. Recientemente, se ha descubierto el ferromagnetismo de compuestos orgánicos o complejos metálicos, en los que los espines desapareados se alinean paralelos en una molécula y se acoplan ferromagnéticamente. El estudio de los imanes moleculares tiene el tema de una intensa investigación. El diseño molecular para acoplar complejos metálicos paramagnéticos y hacer espines paralelos es un tema interesante en química de coordinación.
(c) Propiedades ópticas
Se utilizan principalmente sustancias inorgánicas como materiales para aplicaciones ópticas. La fibra óptica en particular se ha utilizado para comunicaciones ópticas a gran escala, y ha tenido una gran influencia social en la comunicación de información. Una propiedad necesaria de los buenos materiales de vidrio óptico es la transmisión de información a lugares distantes con poca pérdida óptica. Las fibras de sílice se fabrican alargando las varillas de vidrio de sílice producidas a partir de granos de sílice. La sílice está hecha de SiCl4 ultra puro, que se oxida en fase de vapor por una llama de oxihidrógeno. Como la pérdida óptica a lo largo de las fibras obtenidas por este método ya ha alcanzado su límite teórico, se están utilizando vidrios de fluoruro en la búsqueda de materiales con menores niveles de pérdida.
Los semiconductores compuestos como el GaP son ampliamente utilizados como diodos emisores de luz láser para comunicaciones ópticas, reproductores de CD, impresoras láser, etc. Un láser YAG de alto rendimiento está hecho de granate de aluminio itrio dopado con neodimio, Y 3 Al 5 O 12, que es un óxido ouble de Y 2 O 3 y Al 2 O 3. Los cristales simples, como el niobato de litio, LiNbO 3, se utilizan para cambiar la longitud de onda de la luz mediante SHG (generación de segundos armónicos) de fenómenos ópticos no lineales.
problemas
8.1
Escribir un ciclo de reacción catalítica de la reacción de hidroformilación que utiliza [RhH (CO) (PPh 3) 3] como catalizador.
8.2
Describir las diferencias entre la síntesis de amoníaco por el proceso Harber-Bosch y las reacciones de fijación biológica de nitrógeno.
8.3
Los compuestos intermetálicos tipo A-15 como Nb 3 Sn son cristales cúbicos con la composición A 3 B. Considera cómo ubicar cada átomo en una celda unitaria de este tipo.
Correlación estructura-función
Dado que se han descubierto todos los elementos naturales, se establecen diversos modos de unión y se pueden determinar fácilmente las estructuras de los compuestos, los estudios de las propiedades químicas de los compuestos inorgánicos darán paso a estudios de reacciones y propiedades físicas. La síntesis de nuevos compuestos y la elucidación de las correlaciones estructura-función serán los fundamentos de estos estudios, aunque la sea distante.
Es considerablemente difícil explicar cuantitativamente la estabilidad térmica de un compuesto inorgánico conocido utilizando nuestros conocimientos actuales de química teórica y es casi imposible diseñar completamente compuestos por un método racional. Aunque la selectividad de una reacción catalítica puede explicarse en cierta medida, el cálculo teórico de una velocidad de reacción sigue siendo difícil. La relación entre la superconductividad y la estructura no se entiende bien y las temperaturas críticas no se pueden predecir. Se desconocen muchas de las estructuras y funciones de las metaloenzimas que son la base de las actividades biológicas. Los problemas de investigación que enfrenta la próxima generación de químicos inorgánicos son extensos y se pueden anticipar soluciones novedosas.