Estado Solido Quimica General e innorganica

si

1. UNIVERSIDAD NACIONAL del COMAHUE
FACULTAD de INGENIERIA
QUIMICA GENERAL E INORGANICA
ESTADO SÓLIDO

2. ESTADO
SÓLIDO
Propiedades
Forma y volumen
propio
Baja compresión
Alta densidad
Velocidad de difusión
en otros sólidos muy
lenta
Ordenamiento
compacto de
partículas que vibran
en torno a posiciones
fijas en sus
estructuras
Las fuerzas de
cohesión son mucho
mayores que las de
repulsión
Estructura de
los sólidos
Sólidos
Amorfos
Sólidos
Cristalinos
Tipos de sólidos
Iónico
(ej. KBr)
Metálico
(ej. Fe)
Covalente
(ej.
Diamante)
Molecular
(ej. Azúcar)

3. ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS
Sólido Cristalinos
Tienen rigidez y ordenamiento regular
de largo alcance. Las partículas que
los componen ocupan posiciones
específicas denominadas: PUNTOS
RETICULARES. El orden geométrico
de esos puntos reticulares se
denomina: ESTRUCTURA
CRISTALINA. La unidad
representativa de la estructura
cristalina de un sólido cualquiera se
denomina: CRISTAL. La mínima
porción que se repite a lo largo de la
red cristalina conservando la simetría
del cristal se llama: CELDA UNITARIA.
Presentan propiedades físicas
constantes. Pueden ser caracterizados
por rayos X.
Sólidos amorfos
Presentan ANISOTROPÍA o sea las
propiedades físicas y químicas no son
constantes a lo largo de la muestra. No
presentan temperaturas de fusión
definidas, a medida que se calientan
se van ablandando y pasan a estado
líquido. Las fuerzas intermoleculares
varían de un sector a otro
dependiendo de la composición y
agregado de partículas de cada
porción. No pueden ser caracterizados
por difracción de rayos X.
•Ejemplos: vidrio, algunos plásticos,
azufre amorfo, hule.

4. (b) SiO
2 amorfo
(vidrio de cuarzo)
(a) SiO
2 cristalino
(cuarzo)
Comparación esquemática de
(a) SiO
2 cristalino (cuarzo) y
(b) SiO
2 amorfo (vidrio de
cuarzo).
Las esferas rojas representan
al Si y las verdes al O

5. El sólido amorfoes unestado sólidode la materia, en el
que las partículas que conforman el sólido carecen de
una estructura ordenada y formas bien definidas. No se
puede predecir donde se encontrará la próxima partícula.
Al ver el cristal a escala molecular veríamos que sus
partículas están relativamente fijas en sus posiciones
pero la disposición no es regular.
Un solido cristalino tiene una estructura periódica y
ordenada, que se expande en las tres direcciones del
espacio, por lo que presenta un forma invariante de largo
alcance, salvo por las variaciones de las fuerzas externas.
Se reconocen como cristalinos porque las partículas
macroscópicas que los forman (los cristales) tienen formas
regulares. Ejemplo: si examinamos cristales de cloruro de
sodio bajo una lente de aumento veremos que los cristales
tienen forma de pequeños cubos.

6. Tg : temperatura de transición vítrea (glass)
Tm : temperatura de fusión (melting)

7. ¿QUÉ ES LA CRISTALOGRAFÍA?
Es una ciencia con importantes aplicaciones en campos tan diversos como Física,
Química, Biología, Geología, Medicina, diversas ramas de la Ingeniería, entre
otras, y que estudia fundamentalmente el ordenamiento de átomos o moléculas
en los materiales y cómo se relacionan sus propiedades con ese ordenamiento.
Por ejemplo, ¿por qué son tan diferentes las propiedades del diamante y del
grafito si ambos solamente tienen átomos de carbono? La respuesta la provee la
cristalografía: el orden que presentan los átomos de carbono es diferente.
Las herramientas que nos provee la cristalografía nos permiten conocer el
orden cristalino de un material, que es interno y esto a su vez está
relacionado con lo que observamos en sus propiedades externas: eléctricas,
magnéticas, mecánicas, ópticas, biológicas, etc.
Bibliografía consultada: Ciclo de entrevistas de CONICET – Entrevistados: Diego
Lamas y Adriana Serquis - https://www.conicet.gov.ar/cristalografia-una-ciencia-
centenaria/

8. 2014, Año Internacional de la Cristalografía
El Año Internacional de la cristalografía fue propuesto por la Unión
Internacional de Cristalografía (IUCr) teniendo en cuenta que se
cumpliría el centenario de la difracción de rayos X en 2012, pero
recién fue aprobado para el 2014, por lo que es una celebración que
muchos esperábamos con ansias. También se celebran los 400 años
de un famoso trabajo de Johannes Kepler sobre las simetrías y
formas de cristales de hielo (realizado en 1611), que se considera el
primer reporte escrito relacionado con el rol fundamental que juegan
las simetrías en el estudio de la materia

9. CELDAS UNITARIAS Un sólido cristalino puede representarse
mediante una matriz tridimensional de
puntos (llamada RED CRISTALINA), cada
uno de los cuales representa un entorno
idéntico dentro del cristal.
Punto reticular
Celda unitaria
Punto reticular: son las posiciones
ocupadas por átomos, moléculas o iones
que definen la geometría de una celda
unitaria
Celda Unitaria: es el agrupamiento más
pequeño de puntos reticulares que conserva
la geometría de la estructura cristalina, y que
al apilarse en unidades repetitivas forma un
cristal con dicha estructura.

10. TIPOS DE CELDAS UNITARIAS
Existen 7 tipos básicos de celdas unitarias y los sistemas cristalinos que
generan, los cuales se distinguen entre sí por la longitud de sus aristas de la
celda y los ángulos entre los bordes de ésta. Estos sistemas son: cúbico,
tetragonal, ortorrómbico, romboédrica (o trigonal), hexagonal, monoclínico y
triclínico.
Una celda
unitaria se
caracteriza
por tres
vectores y
los ángulos
α, β y γ que
forman
entre sí.

11. Las sustancias que presentan
igual estructura cristalina se
llaman: ISOMORFOS

12. .
.

13. En REDES CUBICAS existen
TRES TIPOS DE CELDAS UNITARIAS
Cúbica simple
Cúbica centrada
en el cuerpo
Cúbica centrada
en las caras

14. Diferentes
empaquetamientos para
sólidos

15. ESTRUCTURAS CRISTALINASCOMPACTAS
Ordenamientodeesferaslo
máspróximasposibles,donde
losagujerosohuecosse
reducenalmínimo
Empaquetamiento
hexagonal compacto

16. (a)Vértice (b) arista (c) cara (d) celda unitaria cúbica
centrada en la cara
.

17. Tipos de celdas
cúbicas
Número de
coordinación
Eficiencia de
empaquetamiento
Nº de esferas
por celda
Simple 6 52 % 1
Centrada en el
cuerpo
8 68 % 2
Centrada en las
caras
12 74 % 4

18. NÚMERO DE COORDINACIÓN
Empaquetamiento
compacto
Número de
coordinación
Eficiencia de
empaquetamiento
Nº de átomos por
celda unitaria
Hexagonal
compacta (hcp)
12 74 % 2
Cd, Mg, Ti, Zn
Cúbico centrado
en las caras
12 74 % 4
Al, Cu, Pb, Ag, Au

19. ¿Qué es la difracción de rayos X y por qué es importante este
descubrimiento?
La difracción de rayos X es un fenómeno similar a la difracción de luz por redes
ópticas. Fue descubierta en 1912 por el físico alemán Max von Laue. Al observar
un patrón de difracción, demostró simultáneamente que los rayos X son ondas
electromagnéticas de longitud muy pequeña en comparación con la luz visible y
que los cristales están formados por estructuras ordenadas en forma periódica.
Hoy en día sabemos que son átomos o moléculas. Poco después, William Henry
Bragg y William Lawrence Bragg (padre e hijo) repitieron el experimento y
demostraron que es posible determinar el tipo de ordenamiento, las simetrías que
presenta y la ubicación precisa de los átomos en el material, dando origen así a la
cristalografía moderna.
En nuestra vida cotidiana, ¿Dónde encontramos cristales?
Los cristales se encuentran presentes en casi todos los objetos sólidos, aunque
cuando son microscópicos o cuando son policristalinos (agregados de muchos
cristales) no solemos reconocerlos. Por ejemplo, podemos verlos en la sal gruesa
o los granitos de azúcar, en las joyas (aunque no todos las tenemos en nuestra
vida cotidiana), pero también están en algunos polvos cosméticos, en pinturas,
algunos componentes electrónicos o en el metal del marco de una ventana de
aluminio.

20. Gran parte de lo que sabemos acerca de las estructuras cristalinas se ha
obtenido gracias a estudios de difracción de rayos X (DRX). La DRX es el
resultado de la dispersión de los RX producida por un sólido. Cuando el
acomodo de los átomos, moléculas o iones es regular se produce un patrón
de dispersión (o difracción) que se utiliza para deducir la disposición de las
partículas en la red sólida.
DIFRACCIÓN DE RAYOS X: DRX

21. Se debe obtener una muestra de alta calidad del sólido, generalmente en forma
de un monocristal o un polvo muy fino y homogéneo.
Preparación de la
muestra
•La muestra se coloca en un difractómetro de rayos X y se expone a una fuente de
rayos X de alta energía. Los átomos en la muestra dispersan los rayos X en
múltiples direcciones debido a la difracción.
Exposición a rayos X
Un detector registra la intensidad y el ángulo de dispersión de los rayos X
difractados en diferentes direcciones. Estos datos se conocen como un patrón de
difracción.
Recopilación de datos
•El patrón de difracción se somete a un análisis matemático complejo llamado
transformada de Fourier, que permite reconstruir la distribución tridimensional de
electrones en la estructura cristalina.
Análisis de datos
Utilizando programas de software especializados, se ajustan los datos
experimentales a modelos teóricos hasta que coincidan. Esto revela la
disposición precisa de los átomos en la estructura cristalina, incluyendo las
distancias entre ellos y los ángulos entre los enlaces.
Determinación de la
estructura
•Con la estructura cristalina determinada, los científicos pueden comprender
mejor las propiedades y el comportamiento del sólido. Esto es especialmente
importante en la industria farmacéutica, la química de materiales y la
investigación de nuevos compuestos.
Interpretación de los
resultados
Uso de rayos X para determinar estructuras de sólidos

23. ¿En qué aspectos de todos los días se refleja el trabajo de un cristalógrafo?
La cristalografía está presente en casi todos los elementos que empleamos cada
día. Se encuentra en la industria electrónica, en las propiedades mecánicas de los
nuevos materiales utilizados en elementos deportivos, en los colores que
presentan los pigmentos, en la respuesta de los medicamentos, en la eficiencia
de los dispositivos de generación de energía, en los productos cosméticos. Hoy
en día, a través de la cristalografía se puede estudiar cómo se pintó una obra de
arte, cómo vencer enfermedades, cómo lograr alimentos más sabrosos, cómo
preparar materiales de mejores propiedades, por ejemplo. Así, da respuesta a
problemas complejos de la sociedad actual, empleando herramientas accesibles.

24. Desde la difracción de rayos X, 100 años atrás, ¿Cuáles fueron los avances
más destacables en la cristalografía?
Hace cien años comenzaron los primeros experimentos y desarrollos
matemáticos que permitieron determinar la estructura cristalina de los
compuestos inorgánicos (el orden o arreglo periódico que conforman los
cristales, como la sal de mesa, el cloruro de sodio en 1913). Entre los años 1920
y 1960 se desarrollaron métodos que permitieron resolver estructuras cada vez
más complejas. Algunos de los logros más importantes que fueron posibles a
partir del avance de la cristalografía incluyen: el reconocimiento de modelos
tridimensionales de proteínas que dieron lugar a comprender muchos procesos
biológicos como la regeneración de huesos, (la estructura mioglobina fue uno de
los primeras proteínas en ser resuelta por Perutz y Kendrew en 1958); la
resolución de la estructura del ADN (Crick, J. Watson, M. Wilkins y R. Franklin);
Las estructuras de nuevos materiales como las nanoesferas de carbono y el
grafeno; la estructura de los pigmentos, que permite entre otras cosas la
restauración de obras de arte o la determinación de falsificaciones; la
comprensión de los procesos de deformación de aceros y el desarrollo de
materiales eficientes para baterías o energías no convencionales.

25. •Polares
•No polares
•Con puente
hidrógeno
Iónicos Moleculares
Metálicos
Redes
covalentes
SÓLIDOS
CRISTALINOS
Los tipos de
sólidos cristalinos
se basan en qué
tipo de partículas
lo componen y
cuáles son sus
interacciones o
enlaces.
Las propiedades
FÍSICAS de los
sólidos
cristalinos,
como su punto
de fusión y su
dureza,
dependen tanto
del acomodo de
las partículas
como de las
fuerzas de
atracción entre
ellas.
Las fuerzas responsables de la estabilidad de un cristal cualquiera
pueden ser: iónicas, enlaces covalentes, fuerzas de van der Waals
(Dispersión de London, Dipolo-Dipolo, Puentes de hidrógeno) o
una combinación de ellas. Tienen puntos de fusión bien definidos.
Ejemplos: Metales, grafito, diamante, cloruro de sodio, azúcar,
carbonato de calcio, arena, proteínas ADN, etc.

26. CRISTALES METÁLICOS
Los cationes se disponen formando unretículo cristalino compacto o
empaquetamiento metálico. Los electrones de valencia se mueven libremente por
los intersticios de la red, formando elmar electrónicoy evitando la repulsión entre
los distintos cationes. Dada lalibertad de movimiento de los electrones de
valencia, estateoría para el enlace metálicoexplica muy bien muchas de las
propiedades metálicas, como laelevada conductividad eléctrica y térmica, la
ductilidady lamaleabilidado laresistencia a la deformación, porque las capas
de cationes pueden deslizarse unas sobre las otras, manteniendo el tipo de
estructura y la fortaleza del enlace.

27. La mayoría de los metales cristaliza en
alguno de los siguientes tipos de redes:
Cúbica centrada en el cuerpo
Cúbica centrada en las caras
Hexagonal compacta
CRISTALES METÁLICOS
·Puntos reticulares formados por iones metálicos inmersos en nubes de
electrones de valencia deslocalizados .
·La fuerza principal que mantiene unido al cristal es el enlace metálico
· Amplio rango de dureza: desde muy blandos hasta muy duros.
· Presentan amplio rango de temperaturas de fusión (-39 a 3400 ºC)
·Son buenos conductores del calor y la electricidad.
Ejemplos: Li, K, Ca, Cu, Cr, Fe, Al, Ti, Mg, Na, etc.
Por ejemplo, un tenedor de plata es un
conglomerado de cristales de plata
fusionados. La estructura interna o
microscópica es la misma en cada parte
del objeto, y permanece inalterada
desde el mango del tenedor hasta la
punta de sus dientes.

28. Ej: Bronce: Cu y Zn Ej: acero: Fe y C
Aleación de sustitución Aleación intersticial

29. CRISTALES IONICOS
Los sólidos cristalinos iónicos están compuestos por iones, son las
fuerzas electrostáticas del enlace iónico, las que rigen el
ordenamiento estructural.
Todas las sales son sólidos iónicos. Asimismo, hay sulfuros,
hidróxidos, óxidos, haluros, y otros compuestos que también están
formados por iones, o sus interacciones son en esencia iónicas.
Tenemos pues: KCl, CaSO
4, Ba(OH)
2, CuSO
4, FeCl
3, Na
2S, MgO, CaF
2,
NaHCO
3, CsCl, ZnS, NaCl, (NH
4)
2CrO
4. Además de estos ejemplos, la
inmensa mayoría de los minerales se consideran sólidos cristalinos
iónicos.
▪Formados por unidades cargadas, aniones y cationes, siendo los
primeros de mayor tamaño que los segundos.
▪ Fuerza principal que mantiene unido al cristal es de origen
electroestático.
▪Materiales duros y quebradizos
▪ Presentan altos puntos de fusión (PF): 400°C a 3000 ºC.
▪ Malos conductores del calor y la electricidad
▪ En estado fundido o en solución conducen la electricidad.

30. Energía Reticular
La energía que mantiene estabilizado al cristal se denomina energía
reticular.
El paso de Na a Na
+
y de Cl a Cl
-
es un proceso globalmente desfavorable
(endotérmico) según vemos en los siguientes valores de energía:
Para obtener un mol de Na+ y un mol de Cl- hay que aportar una energía global de 146 kJ /mol (495 –
349). Este aporte energético inicial se ve compensado por la posterior formación de un compuesto en
forma de red, que constituye elcompuesto iónico. En la formación delcompuesto iónicose
desprende una cantidad muy grande de energía, que recibe el nombre deenergía reticular.
Es la energía necesaria para separar completamente un mol de un
compuesto iónico sólido en sus iones en estado gaseoso. No se puede
medir en forma directa, pero se calcula suponiendo que se forma el
compuesto en varias etapas usando la ley de Hess.
Cuanto mayor sea la energía reticular, mayor será la estabilidad del
compuesto y tendrá un mayor punto de fusión.

31. Las fuerzas de atracción aumentan
al aumentar la carga y
disminuyen al aumentar el tamaño.
CRISTALES IONICOS

32. La estructura cristalina del cloruro de sodio
tipo cúbica centrada en las caras
La celda unitaria contiene 4 Na
+
y 4 Cl
-

33. CRISTALES IONICOS
Los iones se acomodan en la estructura cristalina que corresponda a la
menor energía.
Nº coordinación: nº de iones de carga opuesta que rodean
inmediatamente a un ión específico.
La estructura adoptada depende del cociente de radios del catión y del
anión: r
catión/ r
anión.
Compuesto Cociente de
radios
Nº coordinación Sistema cúbico
NaCl Entre 0,4 y 0,7 6,6 Centrada en las caras
(huecos octaédricos)
CsCl > 0,7 8,8 Simple expandido
ZnS < 0,4 4,4 Centrada en las caras
(huecos tetraédricos)

34. Cúbica simple Cúbica centrada en las caras

35. CRISTALES COVALENTES
Compuesto Tipo de
enlace
Tipo de
hibridación
Tipos de
fuerzas
Grafito  y 
sp
2
Covalente y van
der Waals
Diamante 
sp
3
Covalente
Dióxido de
silicio

sp
3
Covalente
• Puntos reticulares ocupados por átomos.
• Fuerza principal que mantiene unido al cristal es el enlace covalente y
adicionalmente fuerzas de tipo van der Waals.
•No se habla de iones, átomos o moléculas, sino de redes tridimensionales.
• Son materiales muy duros. Presentan altos PF (1200 a 4000 ºC).
• Son malos conductores del calor (excepto el diamante) y la electricidad
(excepto el grafito que tiene hibridación sp
2
y electrones deslocalizados en
enlace  ).
• En estado fundido o en solución NO conducen la electricidad.

38. CRISTALES MOLECULARES
▪ Puntos reticulares ocupados por moléculas o átomos, que se mantienen
juntas por fuerzas intermoleculares.
▪ Las fuerzas principales que mantienen unido al cristal son relativamente
débiles (fuerzas de van der Waals, incluyendo fuerzas de London entre
dipolos permanentes e inducidos, dipolo-dipolo y puente hidrógeno).
▪ Blandos y suaves, sus moléculas se deslizan con facilidad.
▪ PF de bajos a moderados (-272 a 400 ºC).
▪ Malos conductores del calor y la electricidad.
Existen una gran variedad de sólidos
cristalinos moleculares. Ejemplos:
Hielo (H
2O), Hielo seco (CO
2), I
2, P
4,
S
8(y sus polimorfos), Oxígeno sólido,
Amoníaco sólido, sacarosa,
Fenolftaleína, Ácido benzoico.
Prácticamente cualquier compuesto
orgánico que solidifique logra
establecer cristales si su pureza es
elevada.

39. Representación de parte
de la estructura del fósforo
sólido P
4

40. En la red de un sólido covalente, las interacciones interpartículas (las partículas
que están en los nodos, en los puntos reticulares de la estructura cristalina, son
átomos) son enlaces covalentes, entonces, EL ENLACE COVALENTE ES
INTERPARTÍCULA (entre las partículas) DE LA RED CRISTALINA.
En la red de los sólidos moleculares los nodos, en los puntos reticulares de la
red cristalina, hay moléculas (que pueden ser poliatómicos, como por ejemplo el
CO
2 o el P
4, o átomos como por ejemplo el Ar), el enlace covalente (cuando son
moléculas poliatómicas) está dentro de las partículas que forman la red, EL
ENLACE COVALENTE ES INTRAPARTÍCULA ( adentro de la partícula).
Después entre las partículas hay fuerzas intermoleculares.
TIPO
PARTÍCULAS
ESTRUCTURALES
¿Dónde está el enlace
covalente?
FUERZAS
INTERACTUANTES
Entre las partículas de
la red
Covalente
Átomos ENTRE LAS PARTÍCULAS Enlace Covalente
MolecularMoléculas o átomos (si son
moléculas monoatómicas)
DENTRO DE LAS
PARTÍCULAS
Fuerzas intermoleculares

41. ÁTOMOS
MAR DE ELECTRONES
CATIONES Y ANIONES
ALTERNADOS
FUERZAS ELECTROSTÁTICAS
DE ENLACE IÓNICO
SÓLIDO METÁLICO
SÓLIDO IÓNICO

42. MOLÉCULAS (mono o
poliatómicas)
FUERZAS
INTERMOLECULARES
ÁTOMOS
ENLACE COVALENTE
SÓLIDO MOLECULAR
SÓLIDO COVALENTE

43. Tipo de
sólido
Partículas
estructurales
Fuerzas
Interpartículas
Propiedades Ejemplos
Metálico
átomos Enlaces
metálicos
Desde blandos hasta
muy duros, PF desde
bajos hasta altos,
excelente conduct.
térmica y eléctrica,
maleables, dúctiles
Todos los
metales: Na, Mg,
Al, Fe, Sn, Cu, Ag
Iónico
Iones positivos
y negativos
Atracciones
electrostáticas –
Enlace Iónico
Duros, quebradizos, alto
PF, baja conductividad
térmica y eléctrica
Sales típicas
como: NaCl,
Ca(NO
3)
2,, MgO
Covalente Átomos Enlaces
covalentes
Muy duros, PF y PE muy
altos.
Generalmente baja
conductividad térmica y
eléctrica
C diamante,
C grafito,
Cuarzo SiO
2, SiC,
AlN
Molecular
No polar
Átomos o
moléculas no
polares
Dispersión de
London
Blandos, PF
extremadamente bajos o
moderados, baja
conductividad térmica y
eléctrica
He, Ar, CH
4,
Hielo seco CO
2,,
P
4, S
8
Polar Moléculas
polares
Dispersión de
London y dipolo-
dipolo
PF de bajos a moderados HCl, (CH
3)
2O,
CHCl
3
Con Puente
Hidrógeno
Moléculas con H
unido a N, O ó F
Puentes
hidrógeno
PF de bajos a moderados H
2O, NH
3, HF

44. Estructuras cristalinas de
compuestos hidratados
CuSO
4.5H
2O
(pentahidratado)
CuSO
4
(anhidro) Cu
2+
Las esferas amarillas representan átomos de azufre, las rojas átomos de oxígeno. En una representación las
esferas celestes son de cobre, en la otra las esferas marrones son de cobre.

45. QuímicaGeneral
Petrucci• Harwood • Herring
8ª Edición2003
© Prentice-Hall
Principiosde Química
Atkins • Jones
3ª Edición2006
© Panamericana
Química General
Whitten • Davis • Peck
5ª Edición 1998
© McGraw Hill