11.14: Estructuras de los Sólidos

Los sólidos en los que los átomos, iones o moléculas están dispuestos en un patrón repetitivo definido se conocen como sólidos cristalinos. Los metales y los compuestos iónicos suelen formar sólidos cristalinos ordenados. Un sólido cristalino tiene una temperatura de fusión precisa porque cada átomo o molécula del mismo tipo se mantiene en su lugar con las mismas fuerzas o energía. Sólidos amorfos o sólidos no cristalinos (o, a veces, cristales) que carecen de una estructura interna ordenada y están dispuestos aleatoriamente. Las sustancias que consisten en moléculas grandes, o una mezcla de moléculas cuyos movimientos son más restringidos, a menudo forman sólidos amorfos. El material amorfo sufre un ablandamiento gradual, en un rango de temperaturas, debido a la no equivalencia estructural de las moléculas. Cuando se calienta un material amorfo, las atracciones intermoleculares más débiles se rompen primero. A medida que la temperatura aumenta aún más, las atracciones más fuertes se rompen.

Celda unitaria

La estructura de un sólido cristalino se describe mejor por su unidad repetitiva más simple, conocida como su celda unitaria. La celda unitaria consiste en puntos de celosia que representan las ubicaciones de los átomos o iones. La estructura completa consiste entonces en esta celda unitaria que se repite en tres dimensiones, como se ilustra en la Figura 1.

Figura 1.Célula unitaria y celosía cristalina con puntos de celosía indicados en rojo.

En general, una celda unitaria se define por las longitudes de tres ejes (a, b y c) y los ángulos (α, β y γ) entre ellos, como se muestra en la Figura 2. Los ejes se definen como las longitudes entre los puntos en la celosía espacial.

Figura 2. La celda unitaria se define por sus ejes (a, b y c) y ángulos (α, β, y γ)

Hay siete sistemas de celosía diferentes, algunos de los cuales tienen más de un tipo de celosía, para un total de catorce celdas unitarias diferentes.

Este texto es adaptado deOpenstax, Química 2e, Sección 10.6: Estructuras de Celosía en Sólidos Cristalinos.

Los sólidos se clasifican como amorfos o cristalinos en función de su estructura interna tridimensional. Los sólidos amorfos como el vidrio de sílice fundido carecen de una disposición interna ordenada de sus partículas constituyentes, mientras que los sólidos cristalinos como el cuarzo tienen sus partículas constituyentes dispuestas en un patrón tridimensional repetido. La estructura de un sólido cristalino está representada por una celda unitaria, que es la unidad repetitiva más pequeña de la estructura cristalina que conserva la simetría de la estructura.

El patrón tridimensional general se conoce como red cristalina, que está compuesta de puntos de los puntos y vectores de la red. Los vectores de la red delinean los bordes de la celda unitaria, y los puntos de la red pueden estar en las esquinas, en las caras o en el centro de la celda unitaria. Los sistemas de la red se definen por las dimensiones de la celda unitaria.

Hay 7 tipos de sistemas de red:cúbicos, tetragonales, ortorrómbicos, romboédricos, monoclínicos, triclínicos y hexagonales. Las posiciones de los átomos en una celda unitaria no son necesariamente las mismas que las de los puntos de la red. El patrón de átomos en la celda unitaria, o motivo, a menudo se define en términos de las ubicaciones de los átomos en relación con un punto de la red dado.

El número de átomos en una celda unitaria refleja la eficiencia de comprensión del sólido, o la cantidad de su volumen ocupado por átomos en lugar del espacio entre ellos. Un mayor número de átomos en la celda unitaria generalmente corresponde a un empaquetado más eficiente. Los átomos asignados a una celda unitaria pueden no estar totalmente contenidos dentro de la celda.

Una forma de contar estos átomos parciales es considerar cada átomo en una esquina como un octavo de un átomo y cada átomo en una cara como la mitad de un átomo. Alternativamente, si una celda unitaria tiene un átomo en cada esquina, uno se asigna a la celda unitaria y los otros siete se ignoran. Si una celda unitaria tiene un átomo en cada una de las dos caras, una se asigna a la celda unitaria y la otra se ignora.