7.2.1: El estado sólido de la materia
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- Definir y describir la unión y las propiedades de los sólidos cristalinos iónicos, moleculares, metálicos y de red covalente
- Describir los principales tipos de sólidos cristalinos: sólidos iónicos, sólidos metálicos, sólidos de red covalente y sólidos moleculares
- Explicar las formas en que los defectos cristalinos pueden ocurrir 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 de repetición definido. También es posible que un líquido se congele antes de que sus moléculas se dispongan en un patrón ordenado. Los materiales resultantes se denominan sólidos amorfos o sólidos no cristalinos (o, a veces, vidrios). Las partículas de dichos sólidos carecen de una estructura interna ordenada y están dispuestas aleatoriamente (Figura\(\PageIndex{1}\)).
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 menudo forman sólidos amorfos. Por ejemplo, las ceras de vela son sólidos amorfos compuestos por grandes moléculas de hidrocarburos. Algunas sustancias, como el óxido de boro (Figura\(\PageIndex{2}\)), pueden formar sólidos cristalinos o amorfos, dependiendo de las condiciones en las que se produzca. Además, los sólidos amorfos pueden experimentar una transición al estado cristalino en condiciones apropiadas.
Los sólidos cristalinos generalmente se clasifican de acuerdo con la naturaleza de las fuerzas que mantienen unidas 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.
Sólidos Iónicos
Los sólidos iónicos, como el cloruro de sodio y el óxido de níquel, están compuestos por iones positivos y negativos que se mantienen unidos por atracciones electrostáticas, que pueden ser bastante fuertes (Figura\(\PageIndex{3}\)). Muchos cristales iónicos también tienen altos puntos de fusión. Esto se debe a las muy fuertes atracciones entre los iones: en los compuestos iónicos, las atracciones entre las cargas completas son (mucho) mayores que las que existen entre las cargas parciales en los compuestos moleculares polares. Esto se verá con más detalle en una discusión posterior sobre las energías de celosía. A pesar de que son duros, también tienden a ser quebradizos, y se rompen en lugar de doblarse. Los sólidos iónicos no conducen electricidad; sin embargo, sí conducen cuando se funden o disuelven 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.
Sólidos Metálicos
Sólidos metálicos como cristales de cobre, aluminio y hierro están formados por átomos metálicos Figura\(\PageIndex{4}\). La estructura de los cristales metálicos a menudo se describe como una distribución uniforme de núcleos atómicos dentro de un “mar” de electrones deslocalizados. Los átomos dentro de dicho sólido metálico se mantienen unidos por una fuerza única conocida como unión metálica que da lugar a muchas propiedades de volumen útiles y variadas. Todos presentan alta conductividad térmica y eléctrica, brillo metálico y maleabilidad. Muchos son muy duros y bastante fuertes. Por su maleabilidad (la capacidad de deformarse bajo presión o martilleo), no se rompen y, por lo tanto, hacen 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 funden por debajo de 200 °C. Varios metales posteriores a la transición también tienen bajos puntos de fusión, mientras que los metales de transición se funden a temperaturas superiores a 1000 °C, estas diferencias reflejan diferencias en las resistencias de unión metálica entre los metales.
Sólidos de red covalente
Los sólidos de la red covalente incluyen cristales de diamante, silicio, algunos otros no metales y algunos compuestos covalentes como dióxido de silicio (arena) y 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 fundir un sólido de red covalente, se deben romper los enlaces covalentes. Debido a que los enlaces covalentes son relativamente fuertes, los sólidos de la red covalente se caracterizan típicamente por 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.
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 por moléculas neutras. 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 H 2, N 2, O 2 y F 2, 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 mayores fuerzas de atracción y se funden a temperaturas más altas. Los sólidos moleculares compuestos por moléculas con momentos dipolares permanentes (moléculas polares) se funden a temperaturas aún más altas. Los ejemplos incluyen hielo (punto de fusión, 0 °C) y azúcar de mesa (punto de fusión, 185 °C).
Propiedades de los Sólidos
Un sólido cristalino, como los enumerados 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. Así, las atracciones entre las unidades que componen el cristal tienen todas la misma fuerza y todas requieren la misma cantidad de energía para romperse. El ablandamiento gradual de un material amorfo difiere drásticamente de la fusión distinta de un sólido cristalino. Esto resulta de la no 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 se incrementa aún más, se rompen las atracciones más fuertes. Así, los materiales amorfos se ablandan en un rango de temperaturas.
| Tipo de Sólido | Tipo de Partículas | 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 altos a muy altos | NaCl, Al 2 O 3 |
| metálico | 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 duro, no conductor, puntos de fusión muy altos | C (diamante), SiO 2, SiC |
| molecular | moléculas (o átomos) | IMFs | dureza variable, fragilidad variable, no conductora, puntos de fusión bajos | H 2 O, CO 2, I 2, C 12 H 22 O 11 |
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 carbono como nosotros mismos. El carbono forma una gran variedad de sustancias que utilizamos a diario, incluyendo las que se muestran en la Figura\(\PageIndex{7}\). Es posible que estés familiarizado con el diamante y el grafito, los dos alótropos más comunes de carbono. (Los alótropos son diferentes formas estructurales del mismo elemento.) El diamante es una de las sustancias más conocidas, mientras que el grafito es lo suficientemente suave como para ser utilizado como mina de lápiz. Estas propiedades muy diferentes provienen de las diferentes disposiciones de los átomos de carbono en los diferentes alótropos.
Es posible que estés menos familiarizado con una forma de carbono recientemente descubierta: el grafeno. El grafeno se aisló por primera vez en 2004 mediante el uso de cinta para despegar capas más delgadas y delgadas del grafito. Se trata esencialmente de una sola lámina (de un átomo de espesor) de grafito. El grafeno, ilustrado en la Figura\(\PageIndex{8}\), no solo es fuerte y ligero, sino que también es un excelente conductor de electricidad y calor. Estas propiedades pueden resultar muy útiles en una amplia gama de aplicaciones, como chips y circuitos de computadora enormemente mejorados, mejores baterías y células 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.
Defectos cristalinos
En un sólido cristalino, los átomos, iones o moléculas están dispuestos en un patrón de repetición definido, pero pueden ocurrir defectos ocasionales 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 deben contener átomos o iones están vacantes. Con menos frecuencia, algunos átomos o iones en un cristal pueden ocupar posiciones, llamadas sitios intersticiales, localizadas entre las posiciones regulares para los átomos. Otras distorsiones se encuentran en los cristales impuros, como, por ejemplo, cuando los cationes, aniones o moléculas de la impureza son demasiado grandes para encajar en las posiciones regulares sin distorsionar la estructura. A veces se agregan trazas de impurezas a un cristal (un proceso conocido como dopaje) para crear defectos en la estructura que produzcan cambios deseables en sus propiedades. Por ejemplo, los cristales de silicio están dopados con cantidades variables de diferentes elementos para producir propiedades eléctricas adecuadas para su uso en la fabricación de semiconductores y chips de computadora.
Resumen
Algunas sustancias forman sólidos cristalinos consistentes en partículas en una estructura muy organizada; otras forman sólidos amorfos (no cristalinos) con una estructura interna que no está ordenada. Los principales tipos de sólidos cristalinos son sólidos iónicos, sólidos metálicos, sólidos de red covalente y sólidos moleculares. Las propiedades de los diferentes tipos de sólidos cristalinos se deben a los tipos de partículas en las que consisten, las disposiciones de las partículas y las fortalezas de las atracciones entre ellas. Debido a que sus partículas experimentan atracciones idénticas, los sólidos cristalinos tienen distintas temperaturas de fusión; las partículas en sólidos amorfos experimentan una gama de interacciones, por lo que se ablandan gradualmente y se funden en un rango de temperaturas. Algunos sólidos cristalinos tienen defectos en el patrón de repetición definido de sus partículas. Estos defectos (que incluyen vacantes, átomos o iones no en las posiciones regulares, e impurezas) cambian 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 carecen de una estructura interna ordenada
- sólido de red covalente
- sólido cuyas partículas se mantienen unidas por enlaces covalentes
- sólido cristalino
- sólido en el que las partículas están dispuestas en un patrón repetido definido
- sitios intersticiales
- espacios entre las posiciones regulares de las partículas en cualquier matriz 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 por moléculas neutras unidas por fuerzas intermoleculares de atracción
- vacante
- defecto que ocurre cuando una posición que debe contener un átomo o ion está vacante