Enlaces Quimicos y Tipos de Materiales

Enlaces y Tipos de Materiales No existe una u na correspondencia corresponde ncia exacta entre e ntre los diversos d iversos tipos de enlaces (iónicos, covalentes, metálicos y secundarios) y las familias de materiales (metálicos, cerámicos, poliméricos y moleculares). La siguiente figura ilustra esta cuestión.

- Los materiales metálicos poseen, obviamente, enlace metálico. - La situación es algo más complicada para los materiales cerámicos. a!o el nombre de cerámicos pueden incluirse" - #ólidos $ue tienen un enlace completamente covalente (como es el caso del diamante y del silicio) - #ólidos $ue poseen un enlace completamente iónico (como el Na%l) - #ólidos con todas las gradaciones posibles entre enlace iónico y covalente. - &demás, existen también materiales cerámicos, como el grupo de los silicatos, en los $ue conviven enlaces claramente iónicos con otros manifiestamente covalentes. #e 'abla, en este caso, de materiales con enlace mixto. - n los materiales moleculares intervienen tanto enlaces covalentes, como fueras secundarias. - n algunos materiales poliméricos la situación es similar a la $ue sucede en los materiales moleculares. #in embargo, otros materiales poliméricos forman ret*culos en donde el enlace es totalmente covalente.

Orden y Desorden

n los materiales cristalinos, las partículas componentes muestran un ordenamiento regular que da como resultado un patrón que se repite en las tres dimensiones del espacio, y a lo largo de muchas distancias atómicas. Los sólidos sólidos cristalinos cristalinos poseen internamente internamente un orden de largo alcance. La situación en un cristal es

tal $ue el entorno de un determinado tipo de átomo siempre es el mismo (los mismos átomos vecinos y a idénticas distancias). n los materiales amorfos, los átomos siguen un ordenamiento muy localizado, restringido a pocas distancias atómicas y que, por tanto, no se repite en las tres dimensiones del espacio . #e 'abla de un orden local o de corto alcance. n la siguiente figura se ilustran los conceptos de largo y corto alcance, en un es$uema bidimensional.

Ilustración de los conceptos: (izq.) de orden de largo alcance y (dca.) de corto alcance. !"sér#ese cómo en este $ltimo el orden sólo se restringe a ciertas zonas. %os puntos p untos pueden representar un átomo& una molécula o un grupo de átomos o moléculas.

&un$ue la mayor parte de los materiales metálicos son cristalinos cristalinos en condiciones condiciones ordinarias, algunos de ello elloss se torna tornann amor amorfos fos cuan cuando do solid solidif ific ican an brusca bruscame ment ntee a part partir ir del estad estadoo l*$ui l*$uido. do. Los Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos (como el diamante), pero también pueden ser amorfos (como, por e!emplo, los vidrios de ventana). n general, la no cristalinidad en los cerámicos no exige velocidades de enfriamiento tan severas como en el caso de los metales, y puede obedecer a raones muy comple!as. Los materiales moleculares suelen ser cristalinos, y los materiales materiales poliméricos poliméricos son in'erentemente no cristalinos, aun$ue algunos de ellos pueden mostrar cierto grado de cristalinidad, nunca completo.

+na evidencia simple del carácter cristalino de algunos materiales es la propia forma externa de dic'os materiales. ic'a forma a menudo sugiere $ue el material se 'a construido adicionando blo$ues elementales idénticos, lo $ue delata un orden interno, algo $ue ya fue intuido por los mineralogistas del siglo ///. 0or e!emplo, aun$ue no todas las caras de un cristal de cuarzo tienen la misma longitud, los ángulos $ue forman entre s* son exactamente iguales a 1234. sto 'ace pensar $ue el blo$ue constructivo de ese cristal es 'exagonal. La geometr*a interna de un cristal de cloruro cloruro sódico también $ueda evidenciada por su forma externa. Nuevamente, el cristal no es un cubo perfecto, pero las caras son exactamente perpendiculares entre s*, lo $ue $u e sugiere un blo$ue elemental c5bico.

'uarzo

Imagen de microscopia electrónica de "arrido de un grano de sal

%on todo esto se pone de manifiesto la gran importancia $ue tiene el estudio de la estructura cristalina de los materiales para comprender me!or algunas de sus propiedades macroscópicas.

Celdilla

#i mentalmente $uitáramos, uno a uno, los átomos de un cristal, y marcásemos con un punto el lugar $ue éstos ocupaban, el resultado ser*a una distribución periódica de puntos en el espacio $ue se denomina red espacial . %ual$uier fragmento de esta red $ue, por traslación en las tres direcciones del espacio, permita reproducir la red completa se denomina celdilla unidad (o (o celdilla elemental ). ). La figura ilustra ilustra una red espacial y una celdilla unidad.

ed espacial y una de sus posi"les celdillas unidad.

Las longitudes de las aristas de la celdilla se designan, 'abitualmente, por las letras a, b y c, y se longitudes axiales axiales. Los ángulos $ue forman las caras entre s* se designan por a, b y g , y se denominan longitudes denominan ángulos interaxiales. stos 6 valores (7 longitudes y 7 ángulos) son conocidos globalmente como parámetros reticulares o cristalinos. #e repre represen senta tan, n, a cont contin inuac uació ión, n, dos celd celdil illa lass elem element ental ales es con con sus respectivos parámetros.

'eldilla unidad y parámetros reticulares. reticulares.  la izquierda una celdilla genérica& a la dereca& una c$"ica.

Sistemas Cristalinos

8bviamente, existen infinitas posibilidades en la elección de la celdilla unidad. #e puede optar por la celdilla más pe$ue9a posible, $ue es conocida como celdilla primitiva , aun$ue esta no siempre evidencia con claridad las simetr*as de la red, por lo $ue a veces, es preferible una celdilla mayor.

0ero, :$ué $ueremos decir con esto de las simetrías de la red ; n la siguiente figura se 'an representado varias posibles celdillas para una red bidimensional (el problema es completamente análogo en el caso tridimensional, pero algo más comple!o). La red bidimensional considerada es tal $ue si rotamos toda ella un ángulo de <3=, la situación final es completamente indistinguible de la inicial. #e dice, entonces, $ue la red en cuestión tiene una simetr*a de orden >4 (el > proviene de $ue <34 ? 7634@>). ado $ue ésta es una importante caracter*stica, deber*a ser manifiesta en la celdilla unidad seleccionada. e las celdillas representadas en la figura, sólo las celdillas numeradas con los n5meros 1 y 6 'acen gala de la misma propiedad. %omo, además, la n5mero 1 es la más pe$ue9a, ésta deber*a ser la celdilla elegida para representar a la red completa.

+iferentes celdillas unidad en una red "idimensional. ,ólo las celdillas - y  poseen la propiedad de ser in#ariantes tras una rotación de /01. %a celdilla - es& además& primiti#a.

Las consideraciones de simetr*a conducen a consecuencias sorprendentes" por e!emplo, es posible cubrir un suelo con baldosas en forma de cuadrados, de rectángulos, de cual$uier otro paralelogramo, y de 'exágonos, pero no con baldosas en forma de pentágonos. A la raón es $ue no existe ninguna red bidimensional $ue coincida consigo misma, tras ser rotada un ángulo de 7634@B.

2o es posi"le rellenar un plano mediante pentágonos regulares idénticos.

&lgo similar sucede en el espacio, aun$ue los pol*gonos son a'ora poliedros. Los cristalógrafos 'an demostrado $ue sólo existen 3 tipos de poliedros capaces de rellenar, por repetición, todo el espacio" los denominados sistemas cristalinos.

'$"ico

Tetragonal

!rtorróm"ico

4e5agonal ,

Trigonal o om"oédrico

Monocl*nico

Tricl*nico

edes de 6ra#ais Aa en el siglo /, el f*sico francés &. ravais demostró $ue para evidenciar con claridad todas las simetr*as posibles de las redes tridimensionales son necesarios no C, sino -7 celdillas elementales, $ue, en su 'onor, son denominadas celdillas de Bravais. stas celdillas se construyen a partir de los C poliedros anteriores, pero asociándoles una serie de puntos (nudos) $ue no sólo están situados en los vértices, sino también en el centro del mismo, o en el centro de sus caras. La siguiente tabla ilustra estas 1> celdillas y los sistemas a los $ue pertenecen. La repetición en las tres direcciones del espacio de estas celdillas $ue contienen nudos origina lo $ue se denomina red espacial o de Bravais (lo $ue viene a ser algo as* como Del esqueleto imaginarioE del cristal).

'$"ico %5bica centrada en %5bica %5bica simple las caras centrada en el (%%%) (%#) interior (%%%)

Tetragonal Fetragonal simple

Fetragonal centrada en el interior

4e5agonal

!rtorróm"ico 8rtorrómbica 8rtorrómbic 8rtorrómbic 8rtorrómbica simple a centrada a centrada centrada en en el interior en las bases las caras

Trigonal

Tricl*ni co

Monocl*nico Frigonal o Homboédri ca

Gexagonal simple

Ionocl*nica simple

Ionocl*nica centrada en las bases

Fricl*nica

Estructura Cristalina

Los nudos de las distintas celdillas, se9alados por bolitas negras en las figuras de las redes de ravais, son todos e$uivalentes y no están ocupados necesariamente por un $nico átomo. n determinados materiales cada nudo puede tener asociado una molécula, un grupo de átomos, o incluso, un grupo de moléculas. sto es particularmente frecuente en el caso de materiales cerámicos y poliméricos.

&l átomo, molécula o grupo de átomos o de moléculas $ue se debe asociar a cada nudo de la red para reproducir todo el cristal se lo denomina base o motivo. &s* pues, una estructura cristalina real Jun cristalJ se construye colocando una base en cada una de las posiciones marcadas por la red de ravais correspondiente (o sea en sus nudos). s decir, los términos DredE y DestructuraE no son sinónimos y no deber*an confundirse, aun$ue es relativamente frecuente verlos empleados de modo incorrecto. s$uemáticamente, podemos resumir esta idea diciendo $ue estructura cristalina = red espacial + base.

K

?

%os conceptos de red espacial& "ase y estructura cristalina& particularizados para una estructura c$"ica simple tomada como e8emplo.

Los conceptos de red espacial, base y estructura cristalina, particulariados para una estructura c5bica simple tomada como e!emplo.

olumen

Iediante fórmulas geométricas conocidas es fácil demostrar $ue el volumen de cual$uier celdilla unidad, sea del sistema $ue sea, puede calcularse mediante la expresión"

0ara los sistemas 'exagonales la expresión anterior se reduce a"

0ero, a menudo, para evidenciar a5n más la geometr*a 'exagonal se prefiere tomar la celdilla como un prisma 'exagonal. #i éste es el caso, el volumen de la celdilla unidad será entonces tres veces mayor, por lo $ue"

A para los c5bicos,

N5mero de atomos por celdilla

0ara una celdilla c5bica, este n5mero puede calcularse mediante la expresión siguiente"

#iendo n I el n5mero de átomos en el interior de la celdilla nC el n5mero de átomos en las caras nV , el n5mero de átomos en los vértices.

La fracción $ue multiplica estos n5meros surge del 'ec'o de $ue la celdilla debe entenderse como una porción de todo el cristal. Los átomos del interior de la celdilla pertenecen 5nicamente a esa celdilla (de a'* el factor 1), pero cada átomo de un vértice pertenece simultáneamente a  celdillas contiguas (de a'* el factor 1@), y cada átomo de una cara, a 2 celdillas vecinas (de a'* el factor 1@2).

0or raones parecidas, si la celdilla es 'exagonal, entonces la expresión anterior 'a de sustituirse por esta otra"

%oncentración &tómica

La concentración atómica se define como el número de átomos por unidad de volumen. 0ara un elemento X , la concentración atómica se calculará como"

l concepto de concentración puede extenderse y referirse, no a todo el volumen de la celdilla, sino a un plano o a una dirección. #e 'ablar*a, entonces, de una concentración (o densidad atómica super!icial o lineal . Iatemáticamente, la concentración (o densidad) atómica superficial en el plano de *ndices (h " l ), $ue encierra un área # dentro de la celdilla, se calculará como"

y la concentración (o densidad) atómica lineal a lo largo de la dirección celdilla en un segmento de longitud $,vendrá dada por"

, $ue atraviesa la

Mracción de empa$uetamiento

La fracción de empa$uetamiento ( !e ) es la fracción de espacio ocupado en la celdilla. Iatemáticamente"

#i 5nicamente existe un tipo de átomos, y éstos se consideran esferas perfectas de radio r , entonces la fracción de empa$uetamiento se calculará como"

#iendo n, el n5mero de átomos $ue contiene la celdilla Vc, el volumen de la celdilla unidad

#i existiera más de un tipo de átomos, entonces la definición 'a de extenderse del modo siguiente"

#iendo ni el n5mero de átomos de la especie i ri, el radio atómico de la especie i

l concepto de fracción de empa$uetamiento, referida a un volumen, puede extenderse a una superficie o una dirección, basándonos en las respectivas concentraciones superficiales o lineales. &s*, definiremos la fracción de empaquetamiento superficial sobre el plano (h " l ) como"

donde n es el n5mero de átomos con centro en una región del plano de área #.

el mismo modo, la fracción de empaquetamiento lineal a lo largo de la dirección h " l O se definirá como"

donde n es el n5mero de átomos centrados en un segmento de longitud $ sobre la dirección considerada.

/ntersticios

Los espacios no ocupados (vac*os) de una estructura reciben el nombre de intersticios(también suelen denominarse uecos, pero nos parece más correcto reservar la palabra 'ueco para designar el concepto de ueco electrónico). &s* por e!emplo, el espacio vac*o $ue $ueda en el centro de la estructura %# constituye un intersticio cúbico.

%uando seis átomos iguales se sit5an en los vértices de un octaedro, el espacio vac*o $ue de!an en el centro se denomina intersticio octaédrico (#e 'a representado un átomo extra9o ocupando ambos intersticios, par dar me!or idea de su tama9o).

n el caso de $ue cuatro átomos iguales se colo$uen en contacto, de modo $ue sus centros formen un tetraedro, el espacio vac*o $ue de!an los átomos en el centro se conoce con el nombre de intersticio tetraédrico.

l conocimiento del n5mero, tipo y ubicación de los intersticios de una determinada estructura es una cuestión de relativa importancia, por$ue a menudo estas o$uedades sirven de alo!amiento a átomos extra9os. La incorporación de átomos extra9os en el interior de la red de un material suele modificar drásticamente las propiedades de éste (tenga en cuenta $ue, por e!emplo, el acero no es más $ue Me en los intersticios de cuya estructura se 'a incorporado una pe$ue9a cantidad de átomos de carbono). Numero de coordinación

l n5mero (o *ndice) de coordinación ( % ) es el número de vecinos más próximos que rodean a un átomo dado. %uando 'ay diferentes tipos de átomos, el n5mero de coordinación debe definirse para cada pare!a de especies.

%on estas definiciones en mente, podemos describir las disposiciones atómicas de las distintas familias de materiales, empeando por la de los materiales metálicos 0untos

:%ómo describir la ubicación de un punto concreto de la red; #i asociamos a la celdilla unidad un triedro formado por los vectores , y (&ectores reticulares o axiales), puede procederse de la manera 'abitual en matemáticas. %ual$uier punto 0 de la red espacial puede expresarse por el vector de posición $ue une el origen de la celdilla con el propio punto.

ector de posición de un punto arbitrario 0.

#i

es este vector de posición, entonces"

en donde u, & y ' son n5meros mayores $ue 1 si el punto considerado está fuera de la celdilla, y menores $ue 1 si está dentro de la propia celdilla. #e dice, en cual$uier caso, $ue las coordenadas del punto 0 son u, & y ', y lo expresaremos como . 0or e!emplo, las coordenadas del nudo central de una celdilla son (P , P , P) y las de eventuales nudos en los centros de las caras serán (3, P , P), (P , 3, P), (P , P , 3),...

Direcciones

s interesante la forma de designar direcciones o planos dentro de un cristal, por$ue muc'as de las propiedades de los materiales cristalinos dependen del plano o dirección $ue se considere. 0or ello, resulta especialmente importante encontrar una forma cómoda y rápida de identificar las direcciones y planos cristalográficos. La notación empleada se denomina notación de índices de !iller .

Fal como se procede 'abitualmente en matemáticas, las componentes de cual$uier vector pueden conocerse restando las coordenadas de los puntos final e inicial. #i 01 ? ( u1, &1, '1) es el punto de partida y 02 ? (u2, &2, '2), el punto final, el vector $ue va de 01 a 02 se calculará como"

0ero frecuentemente no estaremos interesados en el módulo del vector, sino sólo en su dirección. La notación de Iiller retiene 5nicamente este aspecto. %os *ndices de Miller de la dirección del #ector

son

los componentes de & pero reducidos a los enteros más peque9os posi"les: & " y l . La dirección se representar*a como . Nótese $ue los n5meros no van separados por comas y $ue los paréntesis se 'an sustituido por corcetes. #i un n5mero es negativo, por e!emplo, -2, se representa como . Naturalmente, tal y como sucede con los vectores libres, ba!o la designación están incluidos todas las direcciones paralelas a la considerada. La siguiente figura muestra e!emplos de direcciones en celdillas c5bicas.

Notación de Iiller de algunas direcciones caracter*sticas de un cristal c5bico. (#e muestran dos celdillas contiguas para facilitar la visión tridimensional).

&un cuando las direcciones estén expresadas mediante *ndices de Iiller y no en la notación vectorial convencional, puede operarse con ellas de la forma 'abitual. n particular, las direcciones pueden multiplicarse escalar y vectorialmente.

La #enta8a del uso de la notación de Miller reside en $ue con ella, y sobre todo en los sistemas c5bicos, resulta muy fácil evidenciar las simetr*as del cristal. n la figura anterior se puede observar $ue la dirección constituye una diagonal principal de la celdilla, como también lo son las direcciones , y . %omo puede verse, los *ndices son diferentes y, sin embargo, todas son diagonales principales del cubo y, en cierto sentido, son todas e$uivalentes. l sentido de esta equi&alencia obedece, naturalmente, a raones de simetr*a" a lo largo de dos direcciones e$uivalentes en un cristal, la distribución atómica es idénticaQ no sólo los átomos $ue se encuentran a lo largo de ella son los mismos, sino también sus distancias relativas.

eber*amos disponer de una manera de designar colectivamente a toda una familia de direcciones equivalentes.

La forma elegida es colocar entre corc'etes con ángulo,

, los *ndices de Iiller de cual$uier

miembro de la familia. 0or e!emplo, principales del cuboE. e igual modo,

representa la familia de direcciones e$uivalentes de Dlas diagonales representa a todas Dlas aristas del cuboE.

0lanos

+n plano $ueda perfectamente determinado con tres puntos $ue no sean colineales. #i cada punto está sobre un e!e cristalino diferente, el plano puede especificarse dando las coordenadas de los puntos en función de las longitudes reticulares a, b y c. #in embargo, resulta de mayor utilidad especificar la orientación de un plano mediante los *ndices determinados por las siguientes reglas"

- 1 #e encuentran las intersecciones con los e8es en función de las constantes de la red. #i el plano no corta a un e!e, por$ue es paralelo a él, la intersección se toma como R.

- 2 #e toman los in#ersos de estos n5meros, y luego se reducen a tres n5meros enteros $ue tengan la misma relación, normalmente los n$meros enteros más peque9os posi"les (La reducción no se realia cuando $ueremos referirnos a un plano concreto, y no a un con!unto de planos paralelos entre s*. 0or e!emplo, aun cuando los planos (233) y (133) sean paralelos, pueden no tener la misma distribución atómica, de a'* $ue sea preciso especificar a cuál de ellos nos referimos). Los tres n5meros resultantes, encerrados entre paréntesis, esto es

, representan al plano.

0or e!emplo, si las intersecciones son 1, > y 2, los inversos serán 1@1, 1@> y 1@2Q los n5meros enteros más pe$ue9os $ue poseen la misma relación son >, 1 y 2. &s* $ue el plano se designará como se muestran los *ndices de algunos planos en una celdilla c5bica.

Notación de Iiller de algunos planos caracter*sticos de un cristal c5bico.

. & continuación

Los planos e$uivalentes por raones de simetr*a pueden designarse de manera colectiva encerrando entre llaves los *ndices de uno cual$uiera de sus miembros. 0or e!emplo, designa a la familia de planos equivalentes constituida por Dtodas las caras del cuboE. l calificativo de e$uivalente tiene el mismo sentido $ue dimos para las direcciones" dos planos serán e$uivalentes siempre $ue la distribución atómica sobre ellos sea la misma.

+sando esta notación, resulta $ue en los sistemas c$"icos, una dirección perpendicular a un plano dado# tiene sus mismos índices .

s decir, la dirección es perpendicular al plano . Fambién se cumple en los sistemas c5bicos $ue si la arista de la celdilla es a, entonces la distancia del origen a un plano de *ndices (h " l ) se calcula mediante la fórmula siguiente"

Ssta es también la distancia entre planos paralelos consecutivos, si los *ndices h, " y l están reducidos a los enteros más pe$ue9os.

%H/#F&L# IFTL/%8#

Los materiales metálicos pueden estar constituidos por elementos metálicos puros o combinaciones de ellos (aleaciones), pero también pueden contener pe$ue9as proporciones de elementos no metálicos.

n general" #on buenos conductores del calor y de la electricidad. #on opacos a la lu visible y sus superficies pulidas son altamente reflectantes (brillo metálico). #on resistentes, aun$ue deformables, lo $ue los convierte en excelentes candidatos para las aplica &lgunos de ellos tienen interesantes propiedades magnéticas (imanes permanentes, n5cleos de tra

La tendencia a la cristaliación de los materiales metálicos es muy elevada, por lo $ue en general su estructura atómica es ordenada. #ólo si se someten a velocidades de enfriamiento muy severas puede invertirse esta tendencia y obtenerse un metal amorfo.

Estructuras Típicas

La mayor*a de los elementos metálicos cristalia siguiendo 5nicamente tres tipos de estructuras"

Cbica Centrada en el Interior (%%/). Cbica Centrada en las Caras (%%%). )exagonal Compacta (G%).

n la bibliograf*a inglesa, los acrónimos empleados (escritos indistintamente en may5sculas o min5sculas) son %%, de *ody+Centered Cubic, M%%, de ace+Centered Cubicy G%0, de )exagonal Close+ -ac"ed .

%%/

%%%

G%

0ara mayor claridad, los átomos $ue no se encuentran en los vértices de las celdillas c5bicas, y los $ue están en el plano intermedio de la 'exagonal, se 'an dibu!ado en otro color. Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml)

0or e!emplo, el cromo, el molibdeno, el Uolframio, el vanadio o el tántalo adoptan una estructura de tipo %%/. 8tros muc'os metales, como el n*$uel, la plata, el cobre, el platino, el aluminio o el plomo, adoptan una estructura %%%. A otros muc'os cristalian siguiendo el patrón G%, como el magnesio, el cobalto, el inc, el cadmio o el berilio.

&demás, dependiendo de la presión y de la temperatura, un mismo elemento puede adoptar más de una estructura cristalina. 0or e!emplo, el 'ierro puro tiene estructura %%/ a temperatura ambiente, cambia a %%% a <11 4%, y vuelve a cambiar a %%/ a la temperatura de 17<2 4%. La posibilidad de adopción de diferentes formas cristalinas es un fenómeno $ue, genéricamente, se denomina polimor!ismo (alotropía, si se trata de un elemento puro).

La raón por la $ue cierto metal sigue un determinado patrón de cristaliación y no otro, obedece, en 5ltima instancia, a consideraciones energéticas. La estabilidad de una estructura cristalina se mide a través de su energía libre (/0)+12 ), de modo $ue la forma alotrópica más estable, para una temperatura y presión determinadas, es a$uélla $ue tiene menor energ*a libre. Las estructuras G% y %%%, debido a su me!or

aprovec'amiento del espacio, poseen entalpía y entropía más ba!as $ue las correspondientes de la estructura %%/.

iferentes formas alotrópicas de algunos elementos metálicos, y su correspondiente rango de temperaturas.

Metal

Estructura cristalina

ango de temperatura& 1'

G%

V >CC

%%%

>CC - 1><3

Fipo diamante

V 17

F%/

17 - 272

%%/

V <11

%%%

<11 - 17<2

%%/

17<2 - 1B7<

G%

V 2

%%/

2 - 166

G%

V 62

%%/

62 - 1B2

Homboédrica

V 667

F%/

667 - C6>

%%/

C6> - 1173

Cobalto

3sta4o

)ierro

1itanio

%irconio

5ranio

Cúbica Centrada en el Interior (CCI)

n la estructura c5bica centrada en el interior, los átomos están situados en los vértices de la celdilla c5bica y en su centro. ic'a estructura se obtiene situando átomos idénticos en los nudos de la red de ravais del mismo nombre.

Nota" (0ulse en la imagen para ver el modelo vrml)

eamos algunas de las caracter*sticas más importantes de este tipo de estructura"

 ;tomos por celdilla

La celdilla unidad contiene sólo 2 átomos" 1 átomo (en el centro) y

átomos (en los vértices).

 2$mero de 'oordinación

%ada átomo está rodeado por  átomos primeros vecinos, esto es, el nmero de coordinación es  para esta estructura.

 +irecciones de mayor concentración atómica

Los átomos se tocan a lo largo de cual$uiera de las diagonales principales del cubo, permite relacionar el parámetro reticular, a, con el radio atómico, r .

. ste 'ec'o


&plicando la definición de fracción de empa$uetamiento, y teniendo en cuenta la relación a6r "

 =lanos de mayor concentración atómica (compacidad)

0ueden conocerse calculando la concentración atómica superficial de los distintos planos de la celdilla. 0uede comprobar por usted mismo, $ue los planos más compactos de la estructura %%/ son los W113X.

 Intersticios

0ara terminar de caracteriar la estructura %%/, $ueda por describir el n5mero y la ubicación de sus intersticios.

!ctaédrcios Tetraédricos

+bicación de los intersticios en la estructura %%/. (0ara mayor claridad, el átomo del centro de cada celdilla se 'a dibu!ado en otro color). Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml)

Nota" (0ulse en play para reproducir los videos)

- Los intersticios octaédricos se sit5an en los centros de las caras y de las aristas de la celdilla. #us posiciones son , y e$uivalentes, y 'ay un total de 6 intersticios octaédricos por celdilla. Los octaedros $ue describen a cada intersticio son irregulares. 0uede calcular $ue un intersticio octaédrico puede alo!arse un átomo con un radio máximo igual a 3.1BB r (sin distorsión de la red).

- Los intersticios tetraédricostampoco son regulares y se sit5an en las caras del cubo, en las posiciones y e$uivalentes. Gay un total de 12 intersticios tetraédricos por celdilla. stos 'uecos pueden alo!ar, sin distorsión de la red, un átomo extra9o con un radio máximo igual a 3.2<1 r . &s* pues, en esta estructura, los intersticios tetraédricos son mayores $ue los octaédricos.

Cúbica Centrada en las Caras (CCC)

n la estructura c5bica centrada en las caras, los átomos están situados en los vértices de la celdilla unidad y en el centro de sus caras, o sea, en las posiciones de los nudos de la red de ravais del mismo nombre.


Las caracter*sticas más importantes de este tipo de estructura pueden resumirse en"


y

l n5mero de átomos $ue contiene la celdilla unidad es de >" átomos (en los vértices).

átomos (en el centro de las caras)


l nmero de coordinación de la estructura %%% es 12. La forma más sencilla de efectuar este recuento es situándose mentalmente en el átomo del centro de una de las caras (de color ro!o en la siguiente figura), y contar todos los átomos en contacto con él (los coloreados en aul).


 +irecciones de mayor concentración atómica Los átomos están en contacto a lo largo de las diagonales de la cara, o sea, a lo largo de las direcciones

. &s* pues,

, de donde,


0uede comprobar fácilmente $ue la !racción de empaquetamiento es del C>Y. ste valor representa una cota máxima para la fracción de empa$uetamiento en las estructuras en las $ue sólo intervienen átomos idénticos


Las estructuras $ue poseen el valor máximo de la fracción de empa$uetamiento, C>Y, se dice $ue son estructuras de máxima fracción de empaquetamiento, o demáxima compacidad . %omo consecuencia de ello, en la estructura %%% pueden encontrarse planos atómicos con la mayor concentración atómica posible. stos planos son los W111X.

Nota"(0ulse en la imagen para ver el modelo vrml) 0lanos W111X en la estructura %%%.

La siguiente tabla resume el cálculo de la concentración atómica superficial de los planos W133X, W113X y W111X, en la estructura %%%.

=lanos

,ección planar considerada

2$mero de átomos ;rea de la contenidos en la sección planar sección considerada considerada

'oncentración atómica superficial

W133X

W113X

W111X

 Intersticios

& diferencia de la estructura %%/, en la %%% ambos tipos de intersticios tienen formas regulares.

!ctaédrios

Tetraédricos

+bicación de los intersticios en la estructura %%%. (0ara mayor claridad, los átomos de los centros de cada cara se 'a dibu!ado en otro color). Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml)


- Los intersticios octaédricos se encuentran en el centro del cubo y en el punto medio de cada una de las aristas de la celdilla. Gay un total de > intersticios octaédricos por celdilla" 1x1 (en el centro del cubo) K (en mitad de las aristas. l radio máximo de un átomo $ue pudiera alo!arse en el interior de estos intersticios vale 3.>1> r .

- Los intersticios tetraédricosse sit5an en los centros de los ocho cubitos en $ue se puede dividir el cubo elemental, o sea, en la posición y e$uivalentes. Gay un total de  intersticios tetraédricos por celdilla y cada uno puede albergar un átomo extra9o de radio máximo igual a 3.22B r . &s* pues, para la estructura %%%, a diferencia de la %%/, los intersticios mayores son los octaédricos y no los tetraédricos.

Hexagonal Compacta (HC)

n la estructura 'exagonal compacta los átomos ocupan los vértices de un prisma 'exagonal regular, los centros de las bases y los centros de los triángulos alternos en $ue puede descomponerse la sección intermedia del prisma. Las longitudes axiales de esta estructura son la arista de la base, a, y la altura del prisma, c.


La estructura hexagonal compacta se construye a partir de la red de ravais denominada hexagonal simple, pero asociando a cada nudo de la red no un 5nico átomo Jla estructura obtenida en ese caso no aprovec'ar*a bien el espacioJ sino una pare!a de átomos, situados en las posiciones siendo la posición de cual$uier nudo de la red G#.

y

,

ed 4,

6ase atómica

Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml)

%eldilla unidad de la red 'exagonal simple, y base atómica necesaria para construir la estructura 'exagonal compacta.

e esta estructura pueden destacarse las siguientes caracter*sticas"


l n5mero total de átomos por celdilla es de 6" (en el centro de las bases) K 1x7 (en la capa intermedia) K (en los vértices del prisma). No obstante, se nos plantea una duda, por$ue en la capa intermedia se cuentan seis porciones de átomos (y antes contamos sólo 7). Nótese, no obstante, $ue sólo tres de dic'as porciones tienen sus centros dentro de la celdillaQ las tres restantes lo tienen en celdillas contiguas. A adviértase, además, $ue el volumen $ue les falta a las porciones atómicas $ue tienen su centro en el interior de la celdilla, es, precisamente, el $ue aportan las porciones $ue tienen su centro fuera, y $ue, por lo tanto, son tres los átomos con $ue contribuye el plano intermedio.


l n5mero de coordinación de la estructura G% es 12, como puede comprobarse fácilmente 'aciendo recuento del n5mero de vecinos del átomo del centro de una base.

 +irecciones de mayor concentración atómica

Los átomos están en contacto a lo largo de las aristas de las bases del prisma (son direcciones de máxima compacidad), por lo $ue a ? 2 r . 0or otro lado, los tres átomos intermedios !unto con cada uno de los

átomos del centro de las bases, forman un tetraedro perfectamente regular. & partir de ello, puede obtenerse la relación"


&l igual $ue ocurre en la %%%. La fracción de empa$uetamiento resulta ser del C>Y. s también, por tanto, una estructura de máxima fracción de empa$uetamiento.


Los planos de máxima compacidad son los paralelos a las bases del prisma 'exagonal.

 Intersticios

Gay un total de 6 intersticios octaédricos y 12 intersticios tetraédricos por celdilla. e!amos al lector el e!ercicio de identificarlos.

ed 4,

6ase atómica

(0ara mayor claridad, los átomos del plano intermedio se 'an dibu!ado en otro color) Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml)


'omparati#a n la siguiente tabla se resumen las principales caracter*sticas de las celdillas de la mayor*a de los metales.

E,T>'T>  %%/ 3.6 %%% G%

3.C> 3.C>

;tomos @celdilla I.!. @celdilla I.T. @celdilla

$



2

6V

12

12 12

> 6

> 6

 12

2

&demás, a modo ilustrativo, se muestra una comparativa del tama9o de átomo de la estructura (en el centro) y los átomos de mayor tama9o $ue podr*an alo!arse en los respectivos intersticios para los diferentes tipos de celdillas. os son los aspectos a destacar en esta figura. - 0ara un determinado radio del átomo anfitrión, las estructuras $ue podr*an albergar los átomos mayores ser*an las estructuras compactas (%%% y G%), aun$ue esto pueda parecer insólito. - n las estructuras %%% y G% los intersticios mayores son los octaédricos, en tanto $ue para la %%/, los mayores son los tetraédricos.

pilamiento de =lanos - Fipos de planos - %%/ - G% y %%% Fipos de 0lanos

:%ómo surgen las estructuras $ue 'emos estudiado; /maginemos $ue nos enfrentamos al problema de apilar átomos J$ue consideraremos como esferas idénticasJ lo más apretadamente posible y de modo $ue el con!unto resulte con cierto ordenamiento. La siguiente figura ilustra tres posibles formas de conseguir esto. esignaremos como /, // y /// a los tres tipos de planos obtenidos.

0lanos de tipo /, tipo // y tipo ///. l pol*gono sobreimpreso en cada uno de ellos se9ala el patrón de ordenamiento $ue siguen los átomos de cada plano" cuadrado, rectangular y 'exagonal, respectivamente.

l designado como tipo // es más denso $ue el designado como tipo /Q a su ve, el tipo /// es más denso $ue el tipo //, de 'ec'o, no es posible, partiendo de esferas todas idénticas, construir un plano con una concentración atómica superficial superior a la del plano tipo ///. 0or esta raón a los planos de tipo III se los denomina planos de máxima fracción de empaquetamiento.

& la vista de las disposiciones atómicas caracter*sticas de los distintos planos ordenados, resulta fácil aceptar $ue apilando planos del tipo I (cuadrados) pueda surgir laestructura ',, e igualmente, $ue mediante el apilamiento de planos de tipo III ('exagonales) sur!a la estructura 4'. 0ero lo $ue no resulta tan obvio es $ue mediante elapilamiento de planos del tipo II (rectangulares) pueda surgir la estructura c$"ica ''I, y menos a5n, $ue del apilamiento de planos del tipo III ('exagonales) sur!a una estructura c5bica como la '''. A, sin embargo, esto es lo $ue ocurre.

Fipos %%/

La obtención de la estructura %# a partir de la superposición de planos del tipo / es algo tan obvio $ue no merece más argumentación. n cambio, s* $ue re$uiere más atención la construcción de la estructura %%/. Fal como se 'a dic'o antes, esta estructura puede construirse superponiendo, sobre los valles $ue de!an los átomos de un plano de tipo //, otro plano //, y nuevamente otro plano // sobre los valles de!ados por el segundo plano. l resultado de esta secuencia no es otro $ue la estructura %%/, tal como se describe gráficamente en la siguiente figura.

#ecuencia de la formación de la estructura %%/ mediante el apilamiento de planos de tipo //.

Nota" (0ul se en la imagen para ver el modelo vrml)

Nota" (0ulse en play para reproducir el video) Fipos G% y %%%

Las estructuras de máxima compacidad (%%% y G%) también pueden obtenerse mediante apilamiento de planos, pero esta ve de tipo ///. 0ara describir esto con mayor claridad, sigamos una serie de fases"

-. %onsideremos primero un plano compacto de átomos (tipo ///), al $ue llamaremos plano & (vea la siguiente figura). 0uede verse $ue en dic'o plano existen dos tipos de depresiones o valles entre átomosQ los designados como Z, y los designados como [ (resulta fácil identificarlos por la forma de los valles $ue $uedan entre los átomos).

?. %olocar un segundo plano compacto de átomos (plano ) encima del plano &, puede 'acerse enca!ando los átomos del nuevo plano sobre las posiciones Z o sobre las posiciones [. 0ero, en ambos casos, la estructura tridimensional obtenida es idéntica. %onvengamos, por e!emplo, $ue el segundo plano (en aul) se coloca sobre los 'uecos [ del primer plano (consulte la figura).

@. #i colocamos a'ora un tercer plano sobre el plano , de nuevo podremos situarlo sobre los valles Z o sobre los valles [ del segundo plano"

@.-. #i lo colocamos sobre los valles Z del plano , los átomos de este tercer plano estarán alineados con los del primero (plano &), por lo $ue también puede denominarse como plano &, y por ello los coloreamos igual $ue el plano & $ue consideramos inicialmente. #i subsiguientes planos de átomos se colocan respetando este orden, entonces la secuencia de apilamiento de la estructura tridimensional obtenida puede denominarse &&&&... Fal secuencia de apilamiento da lugar a la estructura G%.

Nota" (0ulse en play para reproducir el video)

@.?. La segunda posibilidad para formar una estructura compacta es situar los átomos del tercer plano sobre los valles Z del segundo plano . ste tercer plano se designa como plano % (coloreado en ro!o), puesto $ue sus átomos no están alineados ni con los del plano &, ni con los del plano . #i esto se repitiera, la secuencia de apilamiento en este caso ser*a &%&%&..., y dar*a lugar a la estructura c5bica centrada en las caras.

- 0uramente covalente, como el diamante. - Iarcadamente iónico, como la sal com5n (6CY de ionicidad). - %on una gradación entre iónico y covalente, como es el caso del arseniuro de galio. - %on ambos a la ve (enlace mixto), como es el caso de muc'os silicatos.

Nota" (0ulse en play para reproducir el video) %H/#F&L# %HTI/%8#

0uede decirse $ue los materiales cerámicos resultan de la combinación de elementos metálicos y no metálicos, o bien, exclusivamente de no metálicos, en los $ue predomina el enlace iónico o covalente entre sus átomos. &l igual $ue los metales, las cerámicas pueden ser cristalinas o amorfas, aun$ue la tendencia 'acia la vitrificación es muc'o mayor $ue en los metales. ntre los cerámicos pueden existir materiales con enlace\

- La #alencia de un átomo condiciona el n$mero de enlaces $ue puede establecer con sus átomos vecinos, y la direccionalidad de éstos.

- La direccionalidad (!ustificada por 'ibridación de orbitales) de dic'os enlaces determina el patrón y geometr*a del ordenamiento cristalino.

nlace iónico

- La #alencia determina la proporción de los distintos iones intervinientes, para asegurar la electroneutralidad.

- &demás, los iones eligen la configuración más esta"le (disposición de aniones y cationes $ue maximia la atracción y minimia la repulsión electrostática). Iayor esta"ilidad mientras mayor sea el n5mero de coordinación. 0ara alcanar la mayor estabilidad, debe existir Dcontacto realE entre los iones de distinto signo (la gran proximidad de iones del mismo signo genera fuerte repulsión).

La relación de radios iónicos determinará la configuración más estable.

=oliedros de coordinación

Estructuras sencillas - %loruro #ódico - %loruro de %esio - #ulfuro de ]inc - iamante %loruro sódico

o

Nota" (0ulse en la imagen pa vrml) talina

%%% &niones en posiciones N

%ationes en N K (3,3,1@2)

una estructura CCC

a estructura %%% ^ /.8.? 3.>1> 8 %l-_)? 3.>1>x3.11 ? 3.3CB V 3.132

structura se deforma y no 'ay contacto a través de la diagonal de la cara, sino a través de las s del cubo"

Nota" (0ulse en la imagen pa vrml) eldilla

ediante apilamiento de planos

que cristalizan segn el mismo patrón"

a8, #r8, Me8 y In8.

ancia entre iones difiere en cada sustancia" fueras electrostáticas distintas ` diferentes propiedades macroscópicas.

%loruro de %esio

o

Nota" (0ulse en la imagen para ver talina

" %# " &niones en posiciones N %ationes en N K (P,P, P)

s una estructura CCC

la estructura %# ` /.%5bico ? 3.C72 8 (%l-)? 3.C72 ` 3.11 ? 3.172 V 3.16B

'ay contacto a través de las aristas, sino a través de las diagonales del cubo"

Nota" (0ulse en la imagen para ver celdilla K

tos cristalizan segn esta misma estructura

lCl, 1l*r, ;.

#ulfuro de ]inc

3s!alerita

n la imagen para ver el modelo vrml) sfalerita


" %%% " &niones en posiciones N %ationes en N K (,,) Nota" (0ulse en la imagen para ver el modelo vr

ero iones6celdilla

> #2> ]n2K tacto entre cada ]n2K y los #2- $ue lo rodean

n la imagen para ver el modelo vrml)


s compuestos cristalizan segn esta misma estructura.

#emiconductores como el a&s, /n0, %dFe,\ %arburos, como el Fi% o el Fa% Nitruros, como el FiN o el ]rN omponente co&alente en algunos de ellos es bastante importante

n estos casos la estructura es la misma debido a la 'ibridación sp7 formada. urita

" G% (> iones)" iones #2ciones N y N K (2@7,1@7,P) tiones ]n2K ciones N K (2@7,1@7,1@6) y N K (3,3,2@7)

Nota" (0ulse en la imagen para ver el modelo vrml) e describirse más claramente como"

Los #2- ocupan las posiciones de la G% Los ]n2K se sit5an en la mitad de los /.F.

ero de iones6celdilla

6 #26 ]n2K tacto entre cada ]n2K y los #2- $ue lo rodean iamante

ente puro y átomos de un sólo elemento

Nota" (0ulse en la imagen para ver el modelo vrml) vr ml) istalina

" %%% e" &niones en posiciones N %ationes en N K (,,)


Nota" (0ulse en la imagen para ver el modelo vrml) re átomos en centros de cubitos y los que lo rodean

a" (0ulse en la imagen para ver el modelo vrml) . %%%, su fe es de sólo el 7>Y. también cristalian seg5n esta estructura.

Estructuras algo más comple8as - Mluorita - 0erovsita (%aFi87) - spinela (Ig&l28>) Mluorita


Nota" (0ulse en la imagen modelo vrml)

alina

nes)" de %a2K en posiciones N de M- en N K (,,) y N K (,,)

ripción alternativa ser*a"

os %a2K ocupan las posiciones de la %%% os M- se sit5an en todos los /.F. Nota" (0ulse en la imagen modelo vrml) eldilla

estructuras, en las $ue el n5mero de cationes es distinto al de aniones, las coordinaciones aniónica y son diferentes %. &niónica es  (c5bica) %. %atiónica es > (tetraédrica)

os cristalizan segn esta misma estructura

F'82 y Fe82.

0erovsita (%aFi87)

alina

iones)" 1 %a2K en posición N 7 82- en posiciones N K (3,P,P) N K (P,3,P) N K (P,P,3) 1 Fi>K en posición N K (P,P,P)1 de %a2K en posiciones N 2 de M- en N K (,,) y N K (,,)

eldilla

Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml) eriales con este tipo de estructura poseen interesantes propiedades eléctricas. son ya explotadas comercialmente (como la pieoelectricidad del aFi87). n ob!eto de intens*sima investigación (como las propiedades superconductoras a alta temperatura).

spinela (Ig&l28>) 3structura cristalina

Hed" %%% ase (1> iones)" 2 Ig2K > &l7K  82-

Nota" (0ulse en la ima 7mero iones6celdilla

B6 iones por celdilla

8tras espinelas son el Ni&l28>, ]n&l28> y ]nMe28>

Estructuras muy compleas

/mportante aplicación industrial (cerámicas tradicionales y materiales de construcción) y gran abundancia (CBY de la cortea terrestre constituida por arcillas, feldespatos y micas). l #i pertenece al mismo grupo de la Fabla 0eriódica $ue el % , lo $ue significa $ue tiene una estructura electrónica exterior idéntica. %omo el %, el #i también puede formar una ampl*sima variedad de compuestos, y también puede adoptar la estructura cristalina del diamante. #in embargo, un átomo de #i es más estable cuando está rodeado por átomos de 8 $ue cuando se 'alla unido a otros cuatro átomos de #i. ste grupo (,i!7)7A , denominado grupo silicato, se 'alla presente en gran n5mero de minerales.

l grupo silicato

nlace mitad iónico mitad covalente.

l #i original alcana la configuración de gas noble desprendiéndose de los > e- $ue le sobran, $ue serán ad$uiridos por los > átomos de 8 $ue lo rodean.

%ada uno de esos átomos de 8 necesitan, para completar su octeto, ad$uirir otro e- adicional entablan enlaces con otros átomos (covalentes cuando es con silicios de otros tetraedros, o iónicos si es con cationes metálicos).

0or ello, el grupo silicato, no tiene existencia aislada.

Fipos

Los grupos silicato se unen entre s* originando un gran n5mero de formas. La comple!idad $ue llegan a alcanar estas estructuras cristalinas es tal, $ue la estrategia de describirlas mediante una celdilla unidad es poco práctica. s preferible estudiar cómo se disponen internamente los grupos tetraédricos.

1-

n isla

2-

n doble /sla

7-

n anillo

>-

n cadena

B-

Laminares

6-

Heticulares

- nlace entre islas" - /ónico, con cationes metálicos. - értices compartidos en cada isla ? 3 - +nidad estructural" (#i8>)>-

Nota" (0ulse en la imagen para ver el vrml)

!emplos" - Morsterita (Ig2#i8>), arena refractaria - 8livina (IgMe#i8>)

Nota" (0ulse en la imagen para ver vrml)

n isla (nesosilicatos) - nlace entre islas" - /ónico, con cationes metálicos. - értices compartidos en cada isla ? 3 - +nidad estructural" (#i8>)>-

Nota" (0ulse en l !emplos" - Morsterita (Ig2#i8>), arena refractaria - 8livina (IgMe#i8>)

Nota" (0ulse en

En do"le isla (sorosilicatos)

- nlace entre unidades - /ónico, con cationes metálicos. - értices compartidos en cada unidad ? 1 - +nidad estructural" (#i28C)6-

Nota" (0 !emplos" - F'ortveitita ((#c2A)2#i28C) - &ermanita (%a2Ig#i28C)

En anillo (ciclosilicatos)

Nota" (0

nlace entre unidades - /ónico, con cationes metálicos. - értices compartidos en cada unidad ? 2 - +nidad estructural" (#in87n)2n-

Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml) - Fetrasilicato de estroncio (#r >(#i>812))

Nota" (0ulse en las i

Nota" (0ulse en las - erilo (&l2e7(#i87)6) 0iedra preciosa

Nota" (0ulse en la i

'adena

,E2'I%% - nlace entre cadenas - /ónico, con cationes metálicos. - értices compartidos en la cadena ? 2 - +nidad estructural" (#i87)2- -_ (#i2n86n)2n-

Nota" (0ulse en la imagen !emplos" - ollastonita (%a#i87) - nstatita (Ig#i87)

Nota" (0ulse en la imagen

+!6%E - nlace entre cadenas - /ónico, con cationes metálicos y grupos 'idróxidos - értices compartidos en la cadena ? 2.B - +nidad estructural" (#i>811)6- -_ (#i>n811n)6n-

Nota" (0ulse en la imagen !emplo" - Fremolita (%a2IgB(#i>811)2(8G)2)

Nota" (0ulse en la imagen

%MI2E,(
+nión con otras láminas" - /ónico, con cationes metálicos y grupos 'idróxidos. - Láminas eléctricamente neutras. - értices compartidos en cada lámina ? 7 - +nidad estructural" (#i28B)2- -_ (#i2n8Bn)2n- Iateriales maleables, deformables, lubricantes, exfoliables Nota" (0ulse en la imag

!emplos"

ETI>%E, (TE'T!,I%I'T!,)

- értices compartidos ? > - +nidad estructural" #i82 -_ structura eléctricamente neutra

#*lice, con diversas formas polimórficas" - %uaro" 2 cadenas en espiral envolviendo un prisma 'exagonal - %ristobalita, #i en nudos de %%% K P /.F., 8 entre cada dos #i - Fridimita, #i en nudos de G% K P /.F., 8 entre cada dos #i %uaro

%ristobalita

Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos Meldespatos (cerámicas tradicionales), con algunos &l7K en lugar de #i>K, compensado con NaK, K,%aKK y aKK.

%H/#F&L# I8L%+L&H#

Los materiales moleculares están formados por moléculas individuales (grupos de átomos unidos mediante enlaces primarios) $ue se unen entre s* por fueras de atracción débiles (secundarias). & la presión y temperatura ambiente, muc'os de ellos son gases como, por e!emplo, el ox*geno (82), el dióxido de carbono (%82) y el metano (%G>)Q otros son l*$uidos, como el agua (G28), el bromo (r 2) y el etanol (%2G68)Q mientras $ue algunos otros, formados por moléculas de elevada masa molecular, como el yodo (/2), la sacarosa (%12G22811) y el naftaleno (%12G13), se presentan en estado sólido.

!oleculas simples

+ #gua + =odo

- Ietano y &moniaco - Felurio y &rsénico - Falco y %aolinita

&gua

:%ómo se organian las moléculas de un material molecular en estado sólido; La respuesta es previsible, pues, en general, adoptan un ordenamiento cristalino. l agua puede servirnos de e!emplo. n el agua las fueras secundarias entre moléculas son originadas por la gran diferencia de electronegatividad entre el ox*geno y el 'idrógeno. %uando un átomo de 'idrógeno se une a un átomo muc'o más electronegativo $ue él (como el ox*geno, el fl5or o el nitrógeno), el par de electrones $ue forman el enlace se desplaa 'acia el átomo con mayor electronegatividad.


l resultado es la aparición de una carga parcial positiva sobre el átomo de 'idrógeno y una carga parcial negativa sobre el otro átomo. n virtud de estas cargas se establece una atracción electrostática entre los 'idrógenos de una molécula y los ox*genos, en el caso del agua, de la molécula vecina. n esta situación espec*fica, las fueras secundarias suelen denominarse puentes de hidrógeno.

e alambres de la estructura cristalina 'exagonal del 'ielo, mostrándose en la imagen central una vista superior de la misma. (dc a estructura cristalina 'exagonal del 'ielo. las imágenes para ver los modelos vrml)

Aodo

l yodo (/2) cristalia en una celdilla ortorrómbica


Ietano y &moniaco

l metano (%G>) cristalia siguiendo un patrón %%% por deba!o de -12.B 4%, mientras $ue el amoniaco (NG7) cristalia, también siguiendo este patrón, cuando su temperatura desciende por deba!o de -CC.C 4%.

%G>

NG7

Felurio

Los átomos de los elementos #, #e y Fe (grupo /) forman moléculas en forma de cadena o de anillos, de manera $ue cada átomo tiene solamente dos vecinos inmediatos (acorde con su valencia 2) en posiciones dictadas por la direccionalidad del enlace covalente.

structura cristalina del telurio, mostrando (i$) una cadena en espiral de átomos de Fe enmarcada en un prima de base triangular, y (dc'a) los primas triangulares se ordenan a su ve dando lugar a una celdilla 'exagonal. Las fueras $ue mantienen unidas las distintas espirales son de tipo secundario. Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml)

0or otro lado, los átomos de 0, &s, #b y i (grupo ) tienen una tendencia a cristaliar en capas plegadas, débilmente unidas entre s*. %on esta ordenación cada átomo se une covalentemente a otros tres vecinos (acorde con su valencia 7), situados en las posiciones marcadas por la direccionalidad de los enlaces.

talina del arsénico, mostrando las capas plegadas de átomos agrupadas apiladas formando un prisma 'exagonal (la celdilla rom nea más gruesa). la imagen para ver el modelo vrml)

Falco y %aolinita

l talco y la caolinita son también cristales moleculares. Las unidades básicas de estos materiales son filosilicatos con todos sus enlaces completamente saturados. %ada una de estas láminas constituye una moléculaQ la fuera $ue las mantiene unidas a las distintas láminas es estrictamente de naturalea secundaria.

n el talco, Ig7(8G)2(#i28B)2, las cargas dentro de una lámina se encuentran simétricamente distribuidas respecto al plano central de la misma, de a'* $ue si se a9aden a este material moléculas polares como las del agua no se produca interacción con ellas.

+n caso parecido, pero no idéntico, se presenta con las arcillas como la caolinita, &l2(8G)>#i28B. stá constituida por filosilicatos completamente saturados, de modo $ue cada lámina constituye una auténtica molécula. l resultado es $ue estas arcillas son blandas, fácilmente 'idratables y pueden intercambiar iones orgánicos e inorgánicos. l motivo para la 'idratación de estas sustancias radica en la polaridad de cada una de las láminas, entre las $ue pueden entrar moléculas polares como las del agua. Las arcillasson materiales moleculares, pero tras el proceso cocción se altera su enlace, se con#ierten en materiales cerámicos

Cristales lí"uidos

Los cristales l*$uidos son materiales moleculares en los $ue incluso en estado l*$uido, sus moléculas constituyentes presentan cierto grado de ordenamiento. ebido a ello, ocupan una posición intermedia entre los sólidos monocristalinos (anisótropos) y los l*$uidos comunes (isótropos). Los cristales l*$uidos son fluidos como los l*$uidos, pero, por otro lado, ex'iben propiedades anisótropas como los cristales.

Cianobi!enilo


asándonos en la estructura, los grupos" nemáticos, esmécticos y colestéricos.

cristales

l*$uidos

pueden

clasificarse

en

tres

las imágenes para ver los modelos vrml)

Cristales lí"uidos


Cianobi!enilo



cristales

l*$uidos

pueden

clasificarse

en

tres

Cristales lí"uidos


Cianobi!enilo



cristales

l*$uidos

pueden

clasificarse

en

tres

rafeno y grafito

& diferencia del diamante, en el grafito los átomos de carbono forman anillos de seis lados, $ue se unen entre s* como si fuesen baldosas 'exagonales, dando lugar a láminas planas. %ada una de estas láminas se denomina gra!eno.

%ada átomo de carbono tiene entonces tres vecinos cercanos, dispuestos en ángulos de 1234, y con los $ue comparte un par de electrones con cada uno de ellos. l cuarto electrón de valencia de cada átomo se encuentra también enlaado, pero de forma más débil y no localiada, dando lugar a estructuras de enlaces resonantes. #on estoselectrones deslocalizados los $ue permiten la conducción eléctrica a lo largo de una lámina, y los responsables del color negro, con brillo metálico, caracter*stico del grafito.


Las distintas láminas se mantienen unidas entre s* por fuerzas de Ban der Caals. stas fueras de atracción son sólo ligeramente superiores a las fueras de co'esión de los l*$uidos, de lo $ue resulta $ue la distancia entre lámina y lámina sea más del doble de la distancia de enlace entre átomos de carbono en la lámina. Mullerenos

Los fullerenos son un con!unto de formas alotrópicas del carbono, diferentes del diamante y del grafito. Mueron descubiertos por primera ve en 1<B por los investigadores H. %url, G. roto y H. #malley, aun$ue su existencia ya fue predic'a en 1<6B. Los fullerenos son moléculas con formas esferoidales $ue contienen desde 72 'asta <63 átomos de carbono sólidos moleculares, muy estables, ya $ue no poseen enlaces libres, y $ue dan lugar a sólidos moleculares blandos. l ar$uetipo de estas moléculas es la denominada buc"minsterfullereno, buc"*bola o futboleno, de fórmula %63.


8tras moléculas esferoidales (pero no esferas perfectas) son la %72, la %>3, %B3, %B y %C3 y los fullerenos gigantes, %2>3, %B>3 y %<63. l futboleno tiene 23 'exágonos y el %C3 tiene 2B, pero ambos tienen 12 pentágonos.


Ias la importancia de los fullerenos no reside exclusivamente en sus curiosas estructuras, sino en las propiedades de los materiales macroscópicos a $ue pueden dar lugar. n este sentido, el futboleno cristalia seg5n una red de ravais %%% denominada fullerita.


Las fulleritas puras son aislantesQ a'ora bien, impurificadas con átomos de metales alcalinos se comportan como semiconductores y 'asta como superconductores. +n e!emplo lo constituye el  7%63, $ue puede obtenerse disponiendo las moléculas de %63 en las posiciones propias de una red %%% y situando átomos de  en los intersticios tetraédricos como en los octaédricos. l potasio puede ser reemplaado por rubidio o talio. n cual$uiera de estos casos, el material ex'ibe, a muy ba!as temperaturas, propiedades superconductoras.


Nanotubos

0ara construir fullerenos esferoides son necesarias combinaciones de pentágonos y 'exágonos. #i se prescinde de los pentágonos, se obtienen también moléculas estables en forma de cilindros 'uecos $ue se denominan nanotubos de carbono.

%H/#F&L# 08L/ISH/%8#

+ -olietileno + 2emicristalinidad

#olietileno

n el polietileno, los átomos de carbono encadenados se 'allan dispuestos en igag, formando ángulos de 13<.B4.

Nota" (0ulse en las imágenes para ver los modelos vrml)

ebido a su enlace doble, la molécula de etileno (monómero) forma un plano, sin posibilidad de rotación, mientras $ue el polietileno, constituido por enlaces simples, puede girar y retorcerse sobre s*. ado $ue cada enlace %-% puede rotar, una larga molécula está normalmente retorcida y plegada, por lo $ue tendrá una longitud media relativamente menor.

Semicristalinidad

8tra consecuencia importante del enredo molecular presente en los termoplásticos es su naturalea amorfa, es decir, no cristalina" la disposición espacial de las cadenas, desordenada al aar, 'ace dif*cil la consecución del orden $ue exige la cristalinidad. ebido principalmente a las fueras intermoleculares, en algunos materiales termoplásticos este ordenamiento puede producirse, lo $ue confiere cierto grado de cristalinidad a la región donde se da. No obstante, debe tenerse en cuenta $ue debido a la debilidad de estas fueras y la dificultad de mover las largas cadenas, enredadas además, el mecanismo de ordenamiento es siempre poco eficiente. Los materiales $ue poseen esta cristalinidad parcial se denominan semicristalinos (o parcialmente cristalinos). La figura muestra (a la i$uierda) la cristalinidad parcial de un material polimérico se caracteria por un ordenamiento de las cadenas como consecuencia de las interacciones intermoleculares. & la derec'a, se muestra la disposición de las cadenas moleculares en una celdilla unidad del polietileno.

Enlaces Quimicos y Tipos de Materiales

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