Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica Laboratorio de Química Básica
Practica No. 2 Estado Solido (Cristales)
Fecha de Realización: 14 de Octubre de 2009
El alumno identificara los diferentes sistemas de cristalización.
Haü y Miller (1839), Bravais (1848) y otros investigadores alcanzaron en el siglo XIX un cierto numero de conclusiones acerca de las estructuras de los sólidos cristalinos, pariendo de consideraciones de sus formas externas. Las modernas investigaciones de la estructura de los sólidos comenzaron en 1912 cuando Max Von Lave sugirió que los rayos X descubiertos por Roentgen en 1895 podían ser radiaciones de una longitud de onda adecuada para ser difractados por los cristales, lo que fue confirmado por W. Friedrich en Múnich. 1
Generalidades Hay dos tipos de sólidos los amorfos y los cristalinos. Si la temperatura a la cual se forma el solido se alcanza lentamente, de manera que permite el arreglo de las partículas quede bien ordenado, el resultado es un solido cristalino. Si, por el contrario, la temperatura disminuye muy rápidamente, hay oportunidad de que las partículas ³se congelen´ en un estado caótico. En este caso, las partículas se acomodan desordenadamente y se dice que el solido resultante es amorfo, (esto es, sin forma). La superficie de un solido cristalino bien formado revela, al ser examinado, planos lisos que se interceptan en ángulos que son característicos de la sustancia particular que se investiga. Estos planos lisos se llaman caras y los ángulos característicos se llaman ángulos interfaciales. Estas caras y ángulos interfaciales están presentes independientemente de cómo se formo el cristal y no tienen relación alguna con el tamaño de este. Mas aun, si un cristal esta partido o molido hasta formar un polvo, cada partícula resultante poseerá ángulos interfaciales idénticos. Los sólidos cristalinos difieren de los amorfos en varios aspectos ya que un material cristalino puro tienen un punto de f usión definido, mientras que un solido amorfo cuando se calienta se ablanda gradualmente y se vuelve fluido en un rango de temperatura, además, las superficies de una sustancia amorfa no exhiben en general caras ni ángulos definidos como los que aparecen en los sólidos cristalinos.
Propiedades Cristalografía: rama de la ciencia que trata de la geometría, propiedades y estructura de sustancias cristalinas. La cristalografía geométrica estudia los agrupamientos especiales externos de los planos cristalinos y la forma geométrica de estos, se basa en:
Ley de constancia de los ángulos interfaciales Para cada sustancia dada, las caras correspondientes a los planos que forman la superficie externa de un cristal interceptan en una ángulo definido y este permanece constante sin importar como se desarrollan las caras del cristal que comúnmente lo hacen en forma desigual en tamaño y forma, pero el ángulo de intersección de caras correspondiente es siempre el mismo para cualquier cristal de la misma sustancia. Ley de racionalidad de los índices Para un cristal se pueden escoger varios ejes coordenados de tal forma que las caras de un cristal los interceptan a una distancia definida del origen, o sean paralelos a ello, siendo su intersección en el infinito. Ley de simetría Los cristales de la misma sustancia poseen los mismos elementos de simetría, como: 2
Plano de simetría: el cristal se divide por un plano imaginario que pasa por su centro en dos mitades iguales, una es la imagen de la otra.
Centro de simetría: es un punto dentro de la celda que, al unirlo con cualquiera de la superficie, repite al otro lado del centro y a la mi sma distancia un punto similar.
Celda unitaria Una celda unitaria es la unidad estructural repetida de un solido cristalino. En muchos cristales el punto reticular en realidad no contiene tal partícula; en su lugar, puede haber varios de átomos, iones o moléculas distribuidos en forma idéntica alrededor de cada punto reticular. Sn embargo, para simplificar se supone que cada punto reticular esta ocupado por un solo átomo. Este es el caso para la mayoría de los metales. Cada solido cristalino se representa con uno de los siete tipos de celdas unitarias, estos pueden ser Cubico Simple, Tetragonal, Ortorrómbica, Romboédrica, Monoclínica, Triclínica y Hexagonal. La geometría de la celda unitaria cubica es particularmente simple porque todos los lados y ángulos son iguales. Cualquiera de las celdas unitarias que se repiten en el espacio tridimensional forma una estructura reticular característica de un solido cristalino.
Redes de Bravais En 1848 Bravais demostró que el número total de redes cristalinas posibles, es 14. Pertenecen a siete sistemas cristalográficos básicos: Cubico Tetragonal Hexagonal Rómbico Romboédrico Monoclínico Triclínico
En la siguiente tabla se muestran las características de los sistemas cristalinos:
Características de los Sistemas Cristalinos Sistema
Ángulos
Ejes
Simetría Máxima
Cubico
= = = 90°
a=b=c
Nueve planos Trece planos
Tetragonal
= = = 90°
a=b c
Cinco planos Cinco ejes
Hexagonal
= = 90°; = 120°
a=b c
Siete planos Siete ejes
= = = 90°
a b c
Tres planos Tres ejes
= = 90°
a=b=c
Romboédrico Rómbico
3
Monoclínico Triclínico
= = 90°; = 90°
a b c
Un plano Un eje
{ { { 90°
a b c
Sin planos Sin ejes
La celda unitaria para cada red puede describirse especificando las cantidades a, b, c, que corresponden a las longitudes de las aristas de la celda y los ángulos E, F, y K, que son los ángulos con los que estas aristas se interceptan entre si. Todos los cristales que pertenecen a un sistema particular se caracterizan por el hecho de que aunque a veces carecen de algún elemento de simetría, se hayan referidos a un conjunto particular de ejes cristalográficos que difieren de un sistema de otro en longitud e inclinación entre si.
Polimorfismo Se presenta en sustancias que pueden poseer estructuras diferentes aun cuando sus composiciones sean iguales. Los polimorfos son 2 o m ás tipos de cristales que tienen la misma composición.
Método de Laue de Análisis por Rayos X Max von Laue señalo en 1912 que un cristal podría servir como una rejilla de difracción tridimensionalmente si la longitud de onda de la radiación incidente fuera del mismo orden de magnitud que la distancia entre las partículas en el solido. Esta condición se verifica con los rayos X, cuya longitud de onda es aproximadamente 1 (0.1 nm). Cuando un cristal es saturado con rayos X, cada átomo del cristal dentro de la trayectoria de un rayo X absorbe un poco de su energía y luego la remite en todas sus direcciones. De este modo, cada tomo es una fuente de ondas pequeñas y se dice que los rayos X son dispersados por los átomos. Estas pequeñas ondas secundarias, de las dif erentes fuentes, interfieren unas con otras, ya sea reforzándose o anulándose entre si. En algunas direcciones, las ondas que emanan de casi todos los átomos en cualquier conjunto ordenado, están en fase y en esas direcciones se observan haces intensos de rayos X. En todas las demás direcciones, las ondas de varios átomos están fuera de fase y se anulan unas a otras; por lo tanto no se detecta una intensidad.
Método de Bragg de Análisis Cristalino William Bragg y su hijo Lawrence, trataron la difracción de rayos X como si el proceso fuera de reflexión. En el estudio de Bragg, se piensa que los rayos X que penetran en un cristal son reflejados, por l as capas sucesivas de partículas dentro de la sustancia. Para que exista una intensidad en el detector, estas ondas tienen que estar en fase, lo que debe significar que la distancia suplementaria recorrida por el haz más penetrante tiene que ser un múltiplo entero de la l ongitud de onda de rayos x. Bragg demostró que para observar alguna intensidad en los rayos X emergentes, debería cumplirse una relación simple. Esta relación que se conoce como la ecuación de Bragg, es:
n: orden de reflexión 4
P: longitud de onda de los rayos X (cm,
)
d: distancia del interplanar (cm,) U: ángulo de reflexión máximo
La ecuación de Bragg sirve como base para el estudio de la estructura cristalina por difracción de rayos X.
1 Lupa
1 Mechero
5 Vidrios de Reloj
1 Anillo
1 Espátula
1 Tela de Alambre
1 Vaso de Precipitados de 250 ml
1 Microscopio
5
1 Cápsula de Porcelana
Cloruro de Sodio (NaCl)
Permanganato de Potasio
Sulfato de cobre
Dicromato de Potasio
Y oduro de Potasio
6
(KI)
7
1.
En
vidrios de reloj se coloca u na pequeña muestra de las siguientes sustancias:
Cloruro de Sodio Permanganato de Potasio Sulfato de Cobre Dicromato de Potasio Yoduro de Potasio Observar cada una de las muestras con el microscopio.
8
NaCl
9
10
1. De acuerdo a las observacio nes realizadas en el experime nto, i ndique la forma de los cristales y el sistema de cristalización al que usted co nsidere que perte necen.
Sustancia
Color
Forma
Sistema de Cristalización
NaCl
Blanco
Cubo
Cubica
Negro
Barritas
Ortorrómbico
Azul
Barras
Monoclínico
1. De acuerdo a las observacio nes realizadas en el experime nto, i ndique la forma de los cristales y el sistema de cristalización al que usted co nsidere que perte necen.
Sustancia
Color
Forma
Sistema de Cristalización
NaCl
Blanco
Cubo
Cubica
Negro
Barritas
Ortorrómbico
Azul
Barras
Monoclínico
Naranja
Hexágonos
Hexagonal
KI
Blanco
Puntos
Tetragonal
2. Consultando la bibliografía, i ndique los sistemas de cristalización a que pertenece cada sustancia.
Sustancia
Color
Forma
Sistema de Cristalización
NaCl
Blanco
Cubos
Cubico Centrado en las Caras
Negro
Rombos
Rómbico
Azul
Barras
Triclínico
Naranja
Cuadrados
Monoclínico
KI
Blanco
Cubos
Cubico Simple
3. Compare resultados experime ntales con los teóricos y establezca sus co nclusiones.
NaCl Este reactivo fue el único que al observarlo se pudo definir de manera rápida y clara el tipo de sistema de cristalización al que pertenece, es decir lo experimentalmente hecho y al comprobarlo con la teoría analizada los datos son parecidos, con la única diferencia de que al investigar se especifica que es un sistema cubico centrado en las caras.
11
Este reactivo al ser observado se definió que pertenece al sistema ortorrómbico y al ser investigado en libros se encontró que pertenece al sistema rómbico, en este caso lo experimental coincidió con lo investigado ya que el sistema de cristalización rómbico puede ser llamado también ortorr ómbico. Este reactivo al ser observado supuse que se trataba de un sistema de cristalización monoclínico, al investigar sobre su sistema de cristalización encontré que se trata de un sistema triclínico, el error que cometí al observarlo se pudo deber a que algunos cristales estuviesen rotos, pulverizados o no supe comparan lo que observe con los sistemas existentes. Este reactivo al observarlo definí que pertenece al sistema hexagonal, pero al ser comparado con lo investigado me percate de que mi colocación es errónea, ya que pertenece al sistema monoclínico y de nueva cuenta deduzco que este error se debe a que algunos cristales estuviesen rotos o pulverizados, además de que al observarlo me fue muy difícil asignarle un sistema de cristalización.
KI Este reactivo al ser experimentado fue el más difícil de definir, ya que prácticamente lo observe como polvo y por ende no supe definirle un sistema de cristalización, pues al observarlo deduje que pertenecía al sistema tetragonal y al investigar encontré que se debe a un sistema Cubico Simple.
Existieron diferencias respecto a lo experimental y a lo analítico como lo es con:
NaCl Experimentalmente
Consulta de Bibliografías
Al investigar encontré que se trata de un Al realizar el experimento observe un sistema de cristalización cubico centrado sistema de cristalización cubico. en las caras
12
Experimentalmente
Consulta de Bibliografías
Al realizar el experimento observe un Al investigar encontré que se trata de un sistema de cristalización ortorrómbico. sistema de cristalización rómbico.
Experimentalmente Al realizar el experimento determine que se trata de un sistema cristalino monoclínico.
Consulta de Bibliografías Al investigar encontré que se trata de un sistema de cristalización triclínico.
Experimentalmente
Consulta de Bibliografías
Al realizar el experimento observe que el Al investigar encontré que se trata de un sistema al que pertenece es el hexagonal. sistema de cristalización monoclínico.
KI Experimentalmente
Consulta de Bibliografías
Al realizar el experimento concluí que el Al investigar encontré que se trata de un sistema del yoduro de potasio es el sistema de cristalización cubico simple. tetragonal.
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NaCl Este reactivo fue el único que al observarlo se pudo definir de manera rápida y clara el tipo de sistema de cristalización al que pertenece, es decir lo experimentalmente hecho y al comprobarlo con la teoría analizada los datos son parecidos, con la única diferencia de que al investigar se especifica que es un sistema cubico centrado en las caras. Este reactivo al ser observado se definió que pertenece al sistema ortorrómbico y al ser investigado en libros se encontró que pertenece al sistema rómbico, en este caso lo experimental coincidió con lo investigado ya que el sistema de cristalización rómbico puede ser llamado también ortorr ómbico. Este reactivo al ser observado supuse que se trataba de un sistema de cristalización monoclínico, al investigar sobre su sistema de cristalización encontré que se trata de un sistema triclínico, el error que cometí al observarlo se pudo deber a que algunos cristales estuviesen rotos, pulverizados o no supe comparan lo que observe con los sistemas existentes. Este reactivo al observarlo definí que pertenece al sistema hexagonal, pero al ser comparado con lo investigado me percate de que mi colocación es errónea, ya que pertenece al sistema monoclínico y de nueva cuenta deduzco que este error se debe a que algunos cristales estuviesen rotos o pulverizados, además de que al observarlo me fue muy difícil asignarle un sistema de cristalización.
KI Este reactivo al ser experimentado fue el más difícil de definir, ya que prácticamente lo observe como polvo y por ende no supe definirle un sistema de cristalización, pues al observarlo deduje que pertenecía al sistema tetragonal y al investigar encontré que se debe a un sistema Cubico Simple.
14
Química Básica Principios y Estructura James E. Brady Editorial: Limusa S. A. Págs. Consultadas: 275 a 294
Principios de Química Loren G Hepler Editorial: Reverte S. A Págs. Consultadas: 433 a 449
Química Fundamental Donald H. Andrews Richard J. Kokes
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Editorial: Limusa México
Págs. Consultadas: 205 a 235
Química Octava Edición Whitten Kenneth Davis Raymond Peck Larry Stanley George Editorial: Cengage Learning Págs. Consultadas: 471 a 485
Manual del Ingeniero Química I John H. Perry Editorial: Uteha Págs. Consultadas: 147 a 172 15
