SÓLIDOS

QBA Miguel A. Castro RamírezQBA Miguel A. Castro Ramírez

• Sólidos moleculares. Sólidos en red.-Propiedades.

¿Podemos clasificar a las sustancias?

Sí, una de las formas es :Por estado de agregación

ESTADOS DE AGREGACIÓN DE ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIALA MATERIA

Todas las sustancias pueden existir al menos en principio en los tres estados:

SÓLIDOLÍQUIDO GASEOSO

• Los estados de agregación de la materia que se conocen actualmente son cinco: sólido, líquido, gas, plasma y condensado de Bose-Einstein

• NOTA: Para fines del Curso , se consideran solamente los tres más conocidos.

• Al plasma se le llama a veces "el cuarto estado de la materia", además de los tres "clásicos", sólido, líquido y gas. Es un gas en el que los átomos se han roto, que está formado por electrones negativos y por iones positivos, átomos que han perdido electrones y han quedado con una carga eléctrica positiva y que están moviéndose libremente.

• Otro estado de la materia es el condensado de Bose-Einstein (CBE), predicho en 1924 por Satyendra Nat Bose y Albert Einstein, y obtenido en 1995 (los físicos Eric A. . Cornell, Carl . Wieman y Wolfgang Ketterle compartieron el PREMIO NOBEL DE FÇISICA de 2001 por este hecho). Este estado se consigue a temperaturas cercanas al cero absoluto y se caracteriza porque los átomos se encuentran todos en el mismo lugar, formando un superátomo.

GASES LÍQUIDOS SÓLIDOS

No tienen forma ni volumen propio

No tienen forma pero sí volumen propio

Tienen forma y volumen propio

Fluyen Fluyen No fluyen

Son compresibles Son poco compresibles Son prácticamente incompresibles

Las densidades son mucho mas bajas que las de los

líquidos y sólidos correspondientes

Tienen generalmente densidades intermedias entre los gases y los

sólidos, pero con valores mas cercanos a las de los

sólidos

Tienen altas densidades

Difunden rápidamente entre si

Difunden entre sí pero mucho más lentamente que

los gases

Prácticamente no difunden entre sí

Gases Liquidos Solidos

Compresibilidad

Densidad

Velocidad de difusion

Cambios de estadoTransformación mediante procesos físicos que no modifican la identidad de la sustancia

Fus

ión

Con

gela

ción

H2O (s) H2O (l)

El punto de fusión de un sólido o el punto de congelación de un líquido es la temperatura a la cual las fases sólida y líquida coexisten en equilibrio.

Cambios de fase

Líquido

Sólido

Tem

per

atu

ra

Calor molar de fusión (ΔHfus) es la energía necesaria para fundir un mol de un sólido.

Sub

limac

ión

11.8

Dep

osi

taci

ón

H2O (s) H2O (g)

Calor molar de sublimación (∆Hsub) es la energía necesaria para sublimar un mol de un sólido.

Cambios de fases

Tem

per

atu

ra

Sólido

Líquido

FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN

es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado LÍQUIDO al SÓLIDO, por disminución de la temperatura.

SOLIDIFICACIÓN

es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado SÓLIDO al LÍQUIDO, por aumento de la temperatura. La temperatura a la cual sucede dicho cambio se la llama PUNTO DE FUSIÓN.

FUSIÓN

SUBLIMACIÓN• Sólo algunas sustancias pueden pasar del

estado SÓLIDO al GASEOSO y del GASEOSO al SÓLIDO, sin pasar por el estado líquido intermedio. Comercialmente esta propiedad es aprovechada en la NAFTALINA y,el YODO y el AZUFREExplicación del gráfico:

• Calentamos en un vaso de precipitados el IODO SÓLIDO, veremos que se transforma en VAPOR, sin pasar por el estado LÍQUIDO, este proceso se llama VOLATILIZACIÓN.

• El VAPOR de IODO chocará con el fondo del balón, y la rápida disminución de la temperatura hará que el IODO vuelva al estado SÓLIDO en la forma de pequeños cristales, que podremos observar si levantamos, como se muestra a la izquierda, el balón.

• En el estado gaseoso las moléculas están separadas unas de otras a temperatura y presión ordinaria y no interactúan significativamente.

• Por esta razón las propiedades físicas de los gases pueden describirse mediante relaciones matemáticas sencillas.(leyes de los gases).

• En los líquidos y sólidos, también llamados fases condensadas las partículas se encuentran en forma más compacta e interactúan fuertemente.

• Los tres estados de la materia pueden ser interconvertibles entre ellos sin que cambie la composición de la sustancia.

* ¿ Qué es un sólido ?

→ Un material que no fluye

ESTADO SÓLIDO• Fuerza de cohesión (atracción). • Vibración. • Tiene forma propia. • Los sólidos no se pueden comprimir. • Resistentes a fragmentarse. • Volumen definido. • Puede ser orgánico o inosganico.

PROPIEDADES GENERALES E

IMPORTANCIA TECNOLÓGICA

• Las características más notorias de los sólidos son la rigidez, la incompresibilidad y, en el caso de los sólidos cristalinos, su geometría característica

• Los sólidos tienen una importancia crucial en la ciencia y la técnica debido al auge que ha tenido últimamente el área conocida como “nuevos materiales”.

PROPIEDADES MACROSCÓPICAS

• Una manera de diferenciar a los sólidos es clasificarlos en: CRISTALINOS o AMORFOS.

CRISTAL AMORFO

•Un sólido cristalino :Los iones, átomos o moléculas que lo componen tienen un orden de largo alcance y forman una RED CRISTALINA. Tienen punto de fusión definido.•Ejemplos de Sólidos cristalinos:

–azúcar, –sal, –S8 (azufre cristalino), etc

•Un sólido amorfo:

• No tienen orden de largo alcance

•No tienen punto de fusión definido.•Ejemplos de Sólidos amorfos:

–vidrio, goma, –azufre plástico (obtenido al enfriar abruptamente azufre líquido), etc.

Cgrafito y CdiamanteAlotropía :fenómeno en el cual un sólido (metálico o no metálico) puede presentar más de una estructura cristalina ejemplo: el diamante y el grafito son constituídos por atómos de carbono organizados en diferentes estructuras cristalinas.

Otros alótropos del carbono

Reticulado cristalino• Conceptos sobre materiales cristalinos:Conceptos sobre materiales cristalinos:

– Estructura cristalina. Es la forma geométrica como átomos , moléculas o iones se encuentran espacialmente ordenados.

– Átomos o iones son representados como esferas de diametro fijo.

– Reticulado: Arreglo tridimensional de puntos en el que cada punto tiene los mismos vecinos.

– Celda unitaria: Es el menor grupo de átomos representativo de una determinada estructura cristalina.

– Número de Coordinación : el numero de átomos que tocan a otro en particular, es decir el numero de vecinos mas cercanos, indica que tan estrechamente están empaquetados los átomos.

– Parámetro de Red : Longitudes de los lados de las celdas– unitarias y los ángulos entre estos lados.

Reticulado cristalino

• Sólido cristalino en el cual los átomos son representados por esferas rígidas

En el reticulado cristalino dos puntos cualquiera tienen los mismos vecinos.

•Reticulado cristalino

Una celda unitaria es la unidad estructural esencial repetida de un sólido cristalino.

Mínima unidad que da toda la información acerca de la estructura de un cristal

Celda unitaria

Punto reticular

Celda unitaria en 3 dimensiones

En los puntos reticulares:

• Átomos

• Moléculas

• Iones

• La estructura del sólido cristalino se representa mediante la repetición de la celda unidad en las tres direcciones del espacio

Celda unidad

Translación eje y

Translación eje X

Translación eje Z

11.4

Los siete tipos de celdas unitarias

Cúbica simple Ortorrómbica Romboédrica

Monoclínica Triclínica

11.4

Los tres tipos de celdas cúbicas

Cúbica simple Cúbica centrada en el cuerpo Cúbica centrada en las caras

SÓLIDOS CRISTALINOS• Celda cúbica simple (sc)

– Ejemplos : α-Po, Hg

Otra forma de clasificar a los sólidos es por la naturaleza del enlace:

- Iónicos- Moleculares- Redes covalentes- Metales

Cristales iónicos– Cristales iónicos

• Características– La cohesión se debe a enlaces iónicos (50-100

kJ/mol)– Formados por especies cargadas– Puntos reticulares ocupados por cationes y aniones

• Propiedades– Duros y quebradizos– Puntos de fusión altos– En estado líquido y fundido son buenos conductores

de la electricidad

• Ejemplos– NaCl, Al2O3, BaCl2, CsCl, ZnS, CaF2

– sales y silicatos

CsCl ZnS CaF2

Algunos Silicatos• O+Si >70% en peso en la corteza.

• La mayor parte de las rocas de la corteza y del manto están formadas por silicatos.

• La columna vertebral de los silicatos es el tetrahedro de silicio

O-2

O-2

O-2 Si+4

Tetrahedro de Silicio

. Micas, arcillas. K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2

Cuarzo, Ab=NaAlSi3O8

36

Cristales molecularesCristales moleculares

• Propiedades– Blandos, compresibles y deformables– Puntos de fusión bajos– Malos conductores del calor y electricidad. Los cristales

moleculares suelen ser muy buenos aislantes eléctricos. Las moléculas no tienen carga eléctrica neta y los electrones se encuentran localizados alrededor de un grupo específico de átomos. Consecuente- mente no hay partículas cargadas que estén libres para moverse en un campo eléctrico.

• Ejemplos– H2O(s)

• CaracterísticasCaracterísticas– Puntos reticulares ocupados

por moléculas . La unidad que se repite es un átomo o molécula químicamente identificable sin carga neta.

– Unidos por fuerzas de Vas der Waals (1 kJ/mol) o enlaces por puentes de H

• PropiedadesPropiedades– Blandos, compresibles y

deformables– Puntos de fusión bajos– Malos conductores del calor

y electricidad. Los cristales moleculares suelen ser muy buenos aislantes eléctricos. Las moléculas no tienen carga eléctrica neta y los electrones se encuentran localizados alrededor de un grupo específico de átomos. Consecuente- mente no hay partículas cargadas que estén libres para moverse en un campo eléctrico.

Ejemplo:H2O(s)

Cristales molecularesCristales moleculares

Máxima densidad40C

El hielo es menos denso que el agua

Densidad del agua

11.3

El agua es una sustancia única

Temperatura

Den

sida

d ( g

/mL)

Estructura tridimensional del hielo

Cristales covalentesCristales covalentes• Características

– La cohesión cristalina se debe únicamente a enlaces covalentes (100-1000 kJ/mol).

– Puntos reticulares ocupados por átomos.

– El resultado es una red rígida tridimiensional, que enlaza cada átomo a todos los demás. De hecho todo el crsital podría considerarse como una sola molécula.

• Propiedades– Duros e incompresibles

– Malos conductores eléctricos y del calor

• Ejemplos– 2 alótropos de carbón

(Cgrafito y Cdiamante,

diamante grafito

átomos de

carbono

• En el diamante, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro en forma de una red tridimensional muy compacta (cristales covalentes), de ahí su extrema dureza y su caracter aislante.

• En el grafito los átomos de carbono están distribuidos en forma de capas paralelas separadas entre sí mucho más de lo que se separan entre sí los átomos de una misma capa. Debido a esta unión tan debil entre las capas atómicas del grafito, los deslizamientos de unas frente a otras ocurre sin gran esfuerzo, y de ahí su capacidad lubricante, su uso en lapiceros y su utilidad como conductor.

http://www.oviedo.es/personales/carbon/grafito%20y%20fibras/grafito.htm

• Los fulerenos tienen una estructura similar al grafito, pero el empaquetamiento hexagonal se combina con pentágonos (y, en ciertos casos, heptágonos), lo que curva los planos y permite la aparición de estructuras de forma esférica, elipsoidal o cilíndrica.

• El constituido por 60 átomos de carbono, que presenta una estructura tridimensional y topología similar a un balón de fútbol, es especialmente estable. Los general, y los derivados del 60 en particular, son objeto de intensa investigación en química desde su descubrimiento a mediados de los 1980.

• A esta familia pertenecen también los nanotubos de carbono, que pueden describirse como capas de grafito enrolladas en forma cilíndrica y rematadas en sus extremos por hemiesferas (fulerenos), y que constituyen uno de los primeros productos industriales de la nanotecnología.

FULLERENOS

NANOTUBOS

OTROS ALÓTROPOS DEL CARBONO

grafito

Clasificación en metales, no metales y semimetales

Sea cual sea el criterio elegido siempre quedan algunoselementos en la región limítrofe: semimetales o metaloides.(B, Si, Ge y Te)

Cristales metálicosCristales metálicos• Características

– Puntos reticulares ocupados por átomos metálicos

– Se mantienen juntos por enlaces metálicos

– Los electrones se encuentran deslocalizados en todo el cristal

• Ejemplos– Ca, Na, Li,Ag, Au,

Cu, etc.

• Propiedades– Resistentes debido a la

deslocalización– Debido a la movilidad de los

electrones, buenos conductores de la electricidad y el calor.

– Se caracterizan por su brillo, reflectividad, altas conductividades térmica y eléctrica y por su malea-bilidad (facilidad con que se pueden estirar, forjar y doblar sin romperse).

– Blando a duro, punto de fusión bajo a alto

Sin embargo, se debe tener en cuenta que:

1. La mayoría de los metales carece de una o más de estas características. Por ejemplo, el W es quebradizo y consecuentemente no es maleable.

2. El Pb es muy maleable pero no es un buen conductor de la electricidad.

3. La estructura electrónica de los metales se puede representar por un modelo de electrón libre, en la cual los electrones de valencia no están localizados sobre ningún átomo o conjunto de átomos, sino que le “pertenecen” a todo el cristal.

4. En una representación simplificada se considera que es un conjunto de iones positivos sumergidos en un “mar” de electrones.

Sección transversal de un cristal metálico

núcleos ye- internos del cascarón

“mar” móvilde e-

• Este modelo de electrones libres explica la alta conductividad térmica y eléctrica y concuerda también con las propie-dades mecánicas de los metales.

• En lo que respecta a las propiedades físicas hay una enorme dispersión, ya que por ejemplo el Hg funde a -39o C y el W a 3300o C.

• Los metales alcalinos se pueden cortar con un cuchillo mientras que el Os raya al vidrio.

• El Cu es 65 veces mejor conductor que el Bi. Esto simplemente da cuenta de lo complejo que es el enlace metálico.

¿Podemos ver átomos?

Átomos de NíquelImágenes obtenidas con Microscopio de Barrido de Efecto Túnel

... y más átomos...

Átomos de platino

...vemos átomos...

Superficie de átomos de Níquel con un átomo de Xenón unido

...“escribimos” con átomos...

Átomos de Xenón sobre superficie de Níquel

...en varios idiomas...

Átomos de Hierro sobre superficie de átomos de cobre

Tipos de cristales

SÓLIDOS AMORFOSSÓLIDOS AMORFOS• Los átomos o moléculas que lo forman no se

encuentran en posiciones fijas del cristal y por tanto, carecen de una distribución tridimensional regular.

• Un sólido amorfo no posee una distribución regular ni orden molecular de gran alcance.

VidrioVidrio

• Producto de fusión de materiales inorgánicos que se han enfriado a un estado sólidos sin cristalizar

• Sus principales componentes son– SiO2, NaO2 y B2O3 fundidos

• El color del vidrio es debido a la presencia de iones metálicos

– Fe2O3, CuO color verde

– UO2 color amarillo

– CoO, CuO color azul

– Au y Cu color rojo