Los solidos

2. 
Ahora nos
concentraremos en
la relación entre las
propiedades de los
sólidosysus
estructuras y
enlaces.

3. 
Los sólidos
pueden ser
cristalinos o
amorfos (no
cristalinos).

4. 
En un sólido
cristalino, los
átomos, iones
o moléculas
están
ordenados en
disposiciones
biendefinidas.

5. 
Estos sólidos suelen tener
superficies planas o caras que
formanángulosdefinidosentresí.

6. 
Laspilasordenadasdepartículas
queproducenestascarastambién
hacen que los sólidos tengan
formasmuyregulares(Figura1).

7. 
El cuarzo y el diamante son
sólidoscristalinos.

8. 
Un sólido amorfo
(de las palabras
griegas que
significan “sin
forma”) es un
sólido cuyas
partículasnotienen
una estructura
ordenada.

9. 
Estossólidoscarecendeformasy
carasbiendefinidas.

10. 
Muchos sólidos amorfos son
mezclas de moléculas que no se
puedenapilarbien.

11. 
Casi todos los demás se
componen de moléculas grandes
ycomplejas.

12. 
Entre los sólidos amorfos más
conocidosestánelhuleyelvidrio.

13. 
El cuarzo, SiO
2
,esunsólido
cristalino con una estructura
tridimensional como la que se
muestra en la figura 2(a) ».
Cuando el cuarzo se funde (a
cercade1600ºC),seconvierteen
unlíquidoviscosoypegajoso.

14. 
Aunque la red de silicio-oxígeno
permanece casi intacta, se rompen
muchosenlacesSi̶O,ysepierdeel
ordenrígidodelcuarzo.

15. 
Si el material fundido se enfría
rápidamente, los átomos no
alcanzanarecuperarsuacomodo
ordenado. El resultado es un
sólido amorfo llamado vidrio de
cuarzo o vidrio de sílice [Figura
2(b)].

16. 
Dado que las partículas de un
sólido amorfo carecen de un
orden de largo alcance, la
intensidad de las fuerzas
moleculares varía de un punto a
otrodeunamuestra.

17. 
Porello,lossólidosamorfosnose
funden a una temperatura
específica; más bien, se
reblandecen dentro de cierto
intervalodetemperaturaamedida
que se vencen las fuerzas
intermoleculares de diferentes
intensidades.

18. 
Unsólidocristalino,encambio,funde
aunatemperaturaespecífica.

19. Figura 1
Los sólidos cristalinos adoptan diversas
formas y colores: (a) pirita (oro de los
tontos), (b) fluorita, (c) amatista.

20. Celdas unitarias

El orden
característico de
los sólidos
cristalinos nos
permite tener una
imagendetodoun
cristalexaminando
sólo una pequeña
partedeél.

21. Celdas unitarias

Podemos imaginar que el sólido se
forma apilando bloques de
construcciónidénticos,asícomouna
pareddetabiquesseformaapilando
tabiquesindividuales“idénticos”.

22. Celdas unitarias

Launidadderepeticióndeunsólido,
el “tabique” cristalino, se denomina
celdaunitaria.

23. Celdas unitarias

Unejemplobidimensionalsencillo
aparece en la hoja de papel tapiz
quesemuestraenlafigura3».

24. Figura 3

Diseño de papel tapiz que muestra un
patrón repetitivo característico. Cada
cuadrado azul punteado denota una
celdaunitariadelpatrónderepetición.
Igualmentepodríahaberseescogidola
celda unitaria con figuras rojas en las
esquinas

25. Celdas unitarias

Hayvariasformasdeescogerel
patrón de repetición o celda
unitaria del diseño, pero la mejor
opción suele ser la más pequeña
que muestre claramente la
simetría característica de todo el
patrón.

26. Figura 2.-Comparaciones
esquemáticas de
(a) SiO
2
cristalino (cuarzo)

27. Figura 2.-Comparaciones
esquemáticas de (b) SiO
2
amorfo
(vidrio de cuarzo)

28. Figura 2.-Comparaciones
esquemáticas

29. Figura 2

Las esferas grises representan
átomos de silicio; las rojas, átomos
de oxígeno. La estructura real es
tridimensional y no plana como se
dibujóaquí.Launidadquesemuestra
comobloquedeconstrucciónbásico
(silicio y tres oxígenos) en realidad
tiene cuatro oxígenos; el cuarto sale
delplanodelpapelypuedeunirsea
otrosátomosdesilicio.

30. Celdas unitarias

Un sólido cristalino puede
representarsemedianteunamatriz
tridimensional de puntos, cada
uno de los cuales representa un
entornoidénticodentrodelcristal.

Talmatrizdepuntossedenomina
redcristalina.

31. Celdas unitarias

Podemosvisualizarlaformaciónde
toda la estructura cristalina
acomodando el contenido de la
celda unitaria repetidamente en la
redcristalina.

32. Figura 4 se muestra una red
cristalina y la celda unitaria
correspondiente.

33. Celdas unitarias

En general, las celdas unitarias
son paralelepípedos (figuras con
seis caras que son
paralelogramos).

Cada celda unitaria puede
describirse en términos de las
longitudes de las aristas de la
celdaylosángulosentredichas
aristas.

34. Celdas unitarias

Todos los compuestos cristalinos se
puedendescribirentérminosdesiete
tiposbásicosdeceldasunitarias.

35. Figura N°5

Lostrestiposdeceldasunitarias
queseobservanenredescúbicas.
Por claridad, las esferas de las
esquinassemuestranenrojoylas
centradas en el cuerpo y
centradas en una cara se
muestranenamarillo.Cadaesfera
representa un punto de red (un
entornoidénticoenelsólido)

36. Figura N°5

37. Celdas unitarias

Haytrestiposdeceldasunitarias
cúbicas, como se ilustra en la
figura5.

Silospuntosderedestánsóloen
lasesquinas,describimoslacelda
unitariacomocúbicaprimitiva.

38. Celdas unitarias

Sitambiénhayunpuntodereden
el centro de la celda unitaria, la
celdaescúbicacentradaenel
cuerpo.

Cuando la celda tiene puntos de
redenelcentrodecadacara
además de en las esquinas, es
cúbicacentradaenlascaras.

39. Celdas unitarias

Las estructuras cristalinas más
sencillas son las celdas unitarias
cúbicasquetienenunsoloátomo
centradoencadapuntodered.

40. Celdas unitarias

La mayor parte de los metales
tieneestetipodeestructura.

41. Celdas unitarias

Por ejemplo, el níquel tiene una
celda unitaria cúbica centrada en
las caras, mientras que el sodio
tiene una celda unitaria cúbica
centradaenelcuerpo.

42. Celdas unitarias

Enlafigura6semuestralaforma
en que los átomos llenan las
celdasunitariascúbicas.

Observequelosátomosqueestán
enlasesquinasyenlascarasno
quedan totalmente dentro de la
celda unitaria; más bien, se
compartenentreceldasunitarias.

43. En la tabla 1 « se resume la fracción de un
átomo que ocupa una celda unitaria cuando
los átomos se comparten entre celdas.

44. La estructura cristalina del cloruro
de sodio

En la estructura cristalina del
cloruro de sodio (Figura 7),
podemoscentraryasealosiones
Na
+
olosionesCl
̶
enlospuntos
de red de una celda unitaria
cúbicacentradaenlascaras.

45. La estructura cristalina del cloruro
de sodio

Así, describimos la estructura como
cúbicacentradaenlascaras.

46. La estructura cristalina del cloruro
de sodio

Enlafigura7sehanseparadolos
ionesNa
+
yCl
̶
parapodervermás
claramente la simetría de la
estructura.

Enestarepresentaciónnosehan
consideradolostamañosrelativos
delosiones.

47. La estructura cristalina del cloruro
de sodio

Encontraste,larepresentaciónde
la figura 8 muestra los tamaños
relativosdelosionesylaformaen
quellenanlaceldaunitaria.

48. La estructura cristalina del cloruro
de sodio

Observequelaspartículasenlas
esquinas, aristas y caras son
compartidas por otras celdas
unitarias.

49. La estructura cristalina del cloruro
de sodio

La relación catión-anión total de
unaceldaunitariadebeseriguala
la de todo el cristal; por tanto,
dentrodelaceldaunitariadeNaCl
debe haber números iguales de
ionesNa
+
yCl
̶

50. La estructura cristalina del cloruro
de sodio

Asimismo, la celda unitaria del CaCl
2
tendríaunCa
2+
por cada dosCl
̶,
etcétera.

51. Figura 6 Vista de espacio ocupado de las
celdas unitarias cúbicas. Sólo se muestra la
porción de cada átomo que pertenece a la
celda unitaria

52. Figura 7

53. 
Figura 7

PorcióndelaredcristalinadelNaCl,que
ilustra dos formas de definir su celda
unitaria.Lasesferasmoradasrepresentan
iones Na, y las verdes, iones Cl. Las
líneas rojas definen la celda unitaria. En
(a) hay iones Cl en las esquinas de la
celdaunitaria.En(b)hayionesNaenlas
esquinas de la celda unitaria. Ambas
opciones para la celda unitaria son
aceptables; las dos tienen el mismo
volumen, y en ambos casos los puntos
idénticos están dispuestos en un
acomodocúbicocentradoenlascaras

54. Figura 8

55. 
Figura 8

CeldaunitariadeNaClenlaquese
muestranlostamañosrelativosde
losionesNa(morado)yCl(verde).
Sólo porciones de la mayor parte
delosionesquedandentrodelas
fronteras de la celda unitaria
sencilla

56. EJERCICIO TIPO 2

Determine el número neto de
ionesNa
+
yCl
̶
enlaceldaunitaria
deNaCl(Figura8).

57. EJERCICIO TIPO 2
Solución

Análisis

Debemos sumar los diversos
elementos que contribuyen para
determinarelnúmerodeionesNa
+
yCl
̶
enlaceldaunitaria.

58. EJERCICIO TIPO 2
Solución

Estrategia

Para hallar el número total de
ionesdecadatipo,debemos
identificarlasdiversasposiciones
dentro de la celda unitaria y
determinarlafraccióndelionque
queda dentro de los límites de la
celdaunitaria.

59. EJERCICIO TIPO 2
Solución 
Resolución

HayuncuartodeionNa
+
encada
arista,unNa+enteroenelcentro
del cubo (remítase también a la
figura7),unoctavodeionCl
̶
en
cadaesquinaymedioion Cl
̶
en
cadacara.

60. EJERCICIO TIPO 2
Solución

Asítenemoslosiguiente:

Na+:


1
Na por arista *12 aristas 3 Na
4






1 Na por centro *1 centro 1 Na



61. EJERCICIO TIPO 2
Solución

Cl
̶:


por esquina * 8 esquinas 1

 Cl Cl

1
por cara * 6 caras 3
2

 Cl Cl

62. EJERCICIO TIPO 2
Solución

Portanto,laceldaunitariacontiene
4Na 4y


Cl

63. EJERCICIO TIPO 2
Comprobación:

El resultado concuerda con la
estequiometriadelcompuesto:
1 Na 1y


Cl

64. Empaquetamiento compacto
de esferas

Las estructuras que los sólidos
cristalinos adoptan son aquellas
que permiten el contacto más
íntimoentrelaspartículas,afinde
aumentaralmáximolasfuerzasde
atracciónentreellas.

65. Empaquetamiento compacto
de esferas

En muchos casos, las partículas
que constituyen los sólidos son
esféricasocasiesféricas.

66. Empaquetamiento compacto
de esferas

Taleselcasodelosátomosenlos
sólidosmetálicos.

67. Empaquetamiento compacto
de esferas

Por tanto, resulta interesante
considerarlaformaenqueesferas
de igual tamaño se pueden
empacardelaformamáseficiente
(estoes,conelmínimodeespacio
vacío).

68. Figura 7

(a)Empaqueta

miento
compacto de
una sola capa
de esferas de
igualtamaño.

69. Figura 7

(b) En la estructura
deempaquetamiento
compacto
hexagonal, los
átomosdelatercera
capa quedan
directamente arriba
delosdelaprimera
capa.Elordendelas
capasesABAB.

70. Figura 7

(c) En la estructura de
empaquetamiento compacto
cúbica, los átomos de la tercera
capanoestándirectamentearriba
delosdelaprimeracapa.Envez
deello,estánunpocodesfasados,
yeslacuartacapalaquequeda
directamentearribadelaprimera.
Así, el orden de las capas es
ABCA.

71. Figura 7

72. Figura 7

73. Empaquetamiento compacto
de esferas

El acomodo más eficiente de una
capa de esferas de igual tamaño
semuestraenlafigura7(a).

74. Empaquetamiento compacto
de esferas

Cada esfera está rodeada por
otras seis en la capa. Se puede
colocar una segunda capa de
esferas en las depresiones de la
primera,encimadeella.

75. Empaquetamiento compacto
de esferas

Luego se puede agregar una
terceracapasobrelasegundacon
las esferas asentadas en las
depresionesdelasegundacapa.

76. Empaquetamiento compacto
de esferas

Sin embargo, hay dos tipos de
depresiones para esta tercera
capa, y dan pie a diferentes
estructuras, como se muestra en
lafigura7(b)y(c).

77. Empaquetamiento compacto
de esferas

Silasesferasdelaterceracapase
colocan alineadas con las de la
primera,comoenlafigura7(b),la
estructura se denomina
empaquetamiento compacto
hexagonal.

78. Empaquetamiento compacto
de esferas

La tercera capa repite la primera,
la cuarta repite la segunda, y así
sucesivamente para dar una
secuencia de capas que
denotamosconABAB.

79. Empaquetamiento compacto
de esferas

Por otro lado, las esferas de la
terceracapasepuedencolocarde
modoquenoquedenexactamente
arribadelasesferasdelaprimera
capa.

La estructura resultante, que se
muestra en la figura 7(c), se
denomina de empaquetamiento
compactocúbico.

80. Empaquetamiento compacto
de esferas

En este caso es la cuarta capa la
querepitelaprimera,ylasecuencia
decapasesABCA.

Aunquenopuedeverseenlafigura
7(c),laceldaunitariadelaestructura
de empaquetamiento compacto
cúbica es cúbica centrada en las
caras.

81. Empaquetamiento compacto
de esferas

En las dos estructuras de
empaquetamientocompacto,cada
esfera tiene 12 vecinas más
cercanasequidistantes:seisenun
plano, tres arriba de ese plano y
tresabajo.

82. Empaquetamiento compacto
de esferas

Decimosquecadaesferatieneun
númerodecoordinaciónde12.

83. Empaquetamiento compacto
de esferas

El número de coordinación es el
número de partículas que rodean
inmediatamenteaunapartículaen
laestructuracristalina.

84. Empaquetamiento compacto
de esferas

En ambos tipos de
empaquetamiento compacto, el
74% del volumen total de la
estructura está ocupado por
esferas; el 26% es espacio vacío
entrelasesferas.

85. Empaquetamiento compacto
de esferas

Encomparación,cadaesferadela
estructura cúbica centrada en el
cuerpo tiene un número de
coordinación de 8, y sólo el 68%
delespacioestáocupado.

86. Empaquetamiento compacto
de esferas

En la estructura
cúbica simple, el
número de
coordinaciónes6,
y sólo el 52% del
espacio está
ocupado.

87. Empaquetamiento compacto
de esferas

Si esferas de tamaño desigual
están empacadas en una red, las
partículas grandes a veces
asumen uno de los acomodos de
empaquetamientocompacto,ylas
partículas pequeñas ocupan los
huecosentrelasesferasgrandes.

88. Empaquetamiento compacto
de esferas

Porejemplo,enelLi
2
O los iones
óxido, más grandes, adoptan una
estructura de empaquetamiento
compacto cúbico, y los iones Li,
más pequeños, ocupan las
cavidades pequeñas que existen
entrelosionesóxido.

89. Enlaces en los sólidos

Las propiedades físicas de los
sólidoscristalinos,comosupunto
de fusión y su dureza, dependen
tanto del acomodo de las
partículascomodelasfuerzasde
atracciónentreellas.

90. Enlaces en los sólidos

91. Figura 8

Comparación de los puntos de
fusiónydeebullicióndelbenceno,el
toluenoyelfenol.

92. Sólidos moleculares

Lossólidosmolecularesconsisten
enátomosomoléculasunidospor
fuerzas intermoleculares (fuerzas
dipolo-dipolo, fuerzas de
dispersión de London y puentes
dehidrógeno).

93. Sólidos moleculares

Dado que estas fuerzas son
débiles, los sólidos moleculares
sonblandos.

94. Sólidos moleculares

Además,estossólidossuelentener
puntos de fusión relativamente
bajos (por lo regular de menos de
200ºC).

95. Sólidos moleculares

Casitodaslassustanciasqueson
gases o líquidos a temperatura
ambiente forman sólidos
molecularesatemperaturasbajas.

Como ejemplos podemos citar a
Ar,H
2
OyCO
2
.

96. Sólidos moleculares

Las propiedades de los sólidos
molecularesnosólodependende
la intensidad de las fuerzas que
actúan entre las moléculas, sino
también de la capacidad de las
moléculas para empacarse de
forma eficiente en tres
dimensiones.

97. Sólidos moleculares

Por ejemplo, el benceno (C
6
H
6
)es
una molécula plana altamente
simétrica.

Elbencenotieneunpuntodefusión
más alto que el tolueno, un
compuesto en el que uno de los
átomosdehidrógenodelbencenoha
sido sustituido por un grupo CH
3
(Figura8).

98. Sólidos moleculares

La menor simetría de las
moléculasdetoluenoevitaquese
empaquen de forma tan eficiente
comolasdebenceno.

En consecuencia, las fuerzas
intermolecularesquedependende
un contacto íntimo no son tan
eficaces, y el punto de fusión es
másbajo.

99. Sólidos moleculares

En contraste, el punto de
ebullicióndeltoluenoesmásalto
queeldelbenceno,loqueindica
quelasfuerzasdeatracción
intermoleculares son mayores en
el tolueno líquido que en el
bencenolíquido.

100. Sólidos moleculares

Lospuntosdefusiónyde
ebullición del fenol, otro benceno
sustituido que se muestra en la
figura8,sonambosmásaltosque
los del benceno a causa de la
capacidadparaformarpuentesde
hidrógenodelgrupoOHdelfenol.

101. Sólidos de red covalente

Los sólidos de
red covalente
consisten en
átomos unidos
engrandesredes
o cadenas
mediante
enlaces
covalentes.

102. Sólidos de red covalente

Puestoquelosenlacescovalentes
son mucho más fuertes que las
fuerzas intermoleculares, estos
sólidos son mucho más duros y
tienenunpuntodefusiónmásalto
quelossólidosmoleculares.

103. Sólidos de red covalente

El diamante y el grafito, dos
alótroposdelcarbonosonsólidos
de red covalente. Otros ejemplos
incluyen el cuarzo, SiO2, el
carburodesilicio,SiC,yelnitruro
deboro,BN.

104. Figura 9

Figura9Estructurasde(a)diamantey(b)
grafito.Elcolorazulen(b)seañadiópara
destacar la planaridad de las capas de
carbono

105. Sólidos de red covalente

Figura 9 Estructuras de (a)
diamantey(b)grafito.Elcolorazul
en (b) se añadió para destacar la
planaridad de las capas de
carbono

106. Sólidos de red covalente

En el diamante, cada átomo de
carbono está unido a otros cuatro
átomosdecarbonocomosemuestra
enlafigura9(a)

107. Sólidos de red covalente

Esta matriz tridimensional
interconectada de fuertes enlaces
sencilloscarbono-carbonocontribuye
alainusitadadurezadeldiamante.

108. Sólidos de red covalente

Losdiamantesdegradoindustrialse
empleanenlashojasdesierraspara
lostrabajosdecortemásexigentes.

109. Sólidos de red covalente

El diamante también tiene un
elevadopuntodefusión,3550ºC.

110. Sólidos de red covalente

En el grafito, los átomos de
carbono están dispuestos en
capas de anillos hexagonales
interconectadoscomosemuestra
enlaFigura9(b).

111. Sólidos de red covalente

Cada átomo de carbono está
unido a otros tres de la capa. La
distancia entre carbonos
adyacentesenelplano,1.42Å,es
muycercanaaladistanciaC-Cen
elbenceno,1.395Å.

112. Sólidos de red covalente

Dehecho,losenlacesseparecen
alosdelbenceno,conenlaces
deslocalizados que se extienden sobrelascapas

113. Sólidos de red covalente

Los electrones se mueven
libremente por los orbitales
deslocalizados,yestohacequeel
grafitoseaunbuenconductorde
la electricidad a lo largo de las
capas. (Si el lector alguna vezha
desarmadounabateríadelinterna,
sabrá que el electrodo central de
labateríaestáhechodegrafito.)

114. Sólidos de red covalente

Las capas, separadas 3.41 Å, se
mantienen unidas por débiles
fuerzasdedispersión.

115. Sólidos de red covalente

Las capas se deslizan fácilmente
unas sobre otras cuando se
frotan, lo que hace que la
sustancia se sienta grasosa. El
grafitoseutilizacomolubricantey
para fabricar la “puntilla” de los
lápices.

116. Sólidos iónicos

Los sólidos iónicos consisten en
iones que se mantienen unidos
porenlacesiónicos.

117. Sólidos iónicos

La fuerza de un enlace iónico
depende en gran medida de las
cargas de los iones. Así, el NaCl,
enelquelosionestienencargas
de1y1,tieneunpuntodefusión
de801ºC,mientrasqueelMgO,en
elquelascargasson2y2,funde
a2852ºC.

118. Sólidos iónicos

Las estructuras de los sólidos
iónicos simples se pueden
clasificar en unos cuantos tipos
básicos.LaestructuradelNaCles
un ejemplo representativo de un
tipo.

119. Sólidos iónicos

Otros compuestos que poseen
esta misma estructura son LiF,
KCl,AgClyCaO.Enlafigura10se
muestran otros tres tipos
comunes de estructuras
cristalinas.

120. Sólidos iónicos

La estructura
que un sólido
iónico adopta
depende en
gran parte de
lascargasy
los tamaños
relativos de
losiones.

121. Sólidos iónicos

En la estructura del NaCl, por
ejemplo, los iones Na tienen un
número de coordinación de 6
porque cada ion Na está rodeado
por seis iones Cl como vecinos
inmediatos.

122. Sólidos iónicos

En la estructura del CsCl [Figura
9(a)], en cambio, los iones Cl
adoptan un acomodo cúbico
simpleenelquecadaionCsestá
rodeadoporochoionesCl
-.

123. Sólidos iónicos

Celdas
unitarias de
algunos tipos
comunes de
estructuras
cristalinasque

presentan los
sólidosiónicos:

(a)CsCl

124. Sólidos metálicos

Los sólidos metálicos consisten
exclusivamente en átomos de
metal.

125. Sólidos metálicos

Lossólidosmetálicossuelentener
estructuras de empaquetamiento
compacto hexagonal, de
empaquetamiento compacto
cúbico (cúbica centrada en las
caras) o cúbica centrada en el
cuerpo.

126. Sólidos metálicos

Así, cada átomo normalmente
tiene8o12átomosadyacentes.

127. Sólidos metálicos

Los enlaces metálicos son
demasiadofuertesparadebersea
fuerzas de dispersión de London,
y sin embargo no hay suficientes
electronesdevalenciaparaformar
enlaces covalentes ordinarios
entrelosátomos.

128. Sólidos metálicos

Launiónsedebe
a electrones de
valencia que
están
deslocalizados a
lo largo de todo
elsólido.

129. Sólidos metálicos

De hecho, podemos visualizar el
metal como una matriz de iones
positivossumergidaenunmarde
electrones de valencia
deslocalizados, como se muestra
enlafigura10

130. Sólidos metálicos

Los metales varían
considerablementeencuantoala
fuerzadesusenlaces,comopone
de manifiesto su amplia gama de
propiedades físicas, como dureza
ypuntodefusión.

131. Sólidos metálicos

No obstante, la
fuerza de los
enlaces
generalmente
aumenta al
aumentar el
número de
electrones
disponibles para
losenlaces.

132. Sólidos metálicos

Así, el sodio, que sólo tiene un
electrón de valencia por átomo,
funde a 97.5ºC, mientras que el
cromo, con seis electrones más
alládelcentrodegasnoble,funde
a1890ºC.

133. Sólidos metálicos

La movilidad de los electrones
explica por qué los metales son
buenos conductores del calor y la
electricidad.

134. Figura 11

Corteseccionalde
un metal. Cada
esfera representa
el núcleo y los
electrones
internos de un
átomo metálico.
La “nube”
colorida que los
rodea representa
el mar móvil de
electrones que
unealosátomos.