Estructuras de los Cristales Iónicos

Los cristales iónicos consisten en dos o más tipos diferentes de iones que suelen tener diferentes tamaños. El empaquetado de estos iones en una estructura cristalina es más complejo que el empaquetado de átomos de metal del mismo tamaño.

La mayoría de los iones monatómicos se comportan como esferas cargadas, y su atracción por iones de carga opuesta es la misma en todas las direcciones. En consecuencia, las estructuras estables de los compuestos iónicos resultan (1) cuando los iones de una carga están rodeados por tantos iones como sea posible de la carga opuesta y (2) cuando los cationes y aniones están en contacto entre sí. Las estructuras están determinadas por dos factores principales: El tamaño relativo de los iones y la relación del número de iones positivos y negativos en el compuesto. El tamaño del ion también depende de la naturaleza y magnitud de la carga que posee. A medida que la carga positiva aumenta en el catión, su tamaño disminuye, al contrario, un aumento en la carga negativa aumentará el tamaño de un anión, lo que a su vez afectará a la estructura del cristal.

En las estructuras iónicas simples, normalmente encontramos los aniones, que son normalmente más grandes que los cationes, dispuestos en un arreglo más cercano. (Como se ha visto anteriormente, los electrones adicionales atraídos al mismo núcleo hacen que los aniones sean más grandes y que menos electrones atraídos al mismo núcleo hagan que los cationes sean más pequeños en comparación con los átomos de los que se forman). Los cationes más pequeños suelen ocupar uno de los dos tipos de agujeros (o intersticios) que quedan entre los aniones. El más pequeño de los agujeros se encuentra entre tres aniones en un plano y un anión en un plano adyacente. Los cuatro aniones que rodean este agujero están dispuestos en vértices de un tetraedro, por lo que el agujero se denomina agujero tetraédrico. El tipo más grande de agujero se encuentra en el centro de seis aniones (tres en una capa y tres en una capa adyacente) ubicados en los vértices de un octaedro; este se llama agujero octaédrico. Dependiendo de los tamaños relativos de los cationes y aniones, los cationes de un compuesto iónico pueden ocupar agujeros tetraédricos u octaédricos, los cationes relativamente pequeños ocupan agujeros tetraédricos, y los cationes más grandes ocupan agujeros octaédricos. Si los cationes son demasiado grandes para caber en los agujeros octaédricos, los aniones pueden adoptar una estructura más abierta, como una simple matriz cúbica. Los cationes más grandes pueden entonces ocupar los agujeros cúbicos más grandes que son posibles gracias al espacio más abierto.

Hay dos agujeros tetraédricos para cada anión en una estructura de formación compacta (HCP) o cúbica compacta (CCP). Un compuesto que cristaliza en una estructura de aniones más compacta con cationes en los agujeros tetraédricos puede tener una relación máxima catión:anión de 2:1; todos los agujeros tetraédricos se llenan en esta proporción. Los ejemplos incluyen Li₂O, Na₂O, Li₂S y Na₂S. Los compuestos con una relación inferior a 2:1 también pueden cristalizarse en una matriz de aniones más compacta con cationes en los orificios tetraédricos, si los tamaños iónicos encajan. En estos compuestos, sin embargo, algunos de los agujeros tetraédricos permanecen vacíos. La relación de agujeros octaédricos con aniones en una estructura HCP o CCP es de 1:1. Por lo tanto, los compuestos con cationes en agujeros octaédricos en una matriz de aniones compactos pueden tener una relación catión:anión máxima de 1:1. En NiO, MnS, NaCl, y KH, por ejemplo, todos los agujeros octaédricos están llenos. Se observan relaciones inferiores a 1:1 cuando algunos de los agujeros octaédricos permanecen vacíos.

En una simple matriz cúbica de aniones, hay un agujero cúbico que puede ser ocupado por un catión por cada anión en la matriz. En CsCl, y en otros compuestos con la misma estructura, todos los agujeros cúbicos están ocupados. La mitad de los agujeros cúbicos están ocupados en SrH₂, UO₂, SrCl₂ y CaF₂. Diferentes tipos de compuestos iónicos a menudo cristalizan en la misma estructura cuando los tamaños relativos de sus iones y sus estequiometrías (las dos características principales que determinan la estructura) son similares.

Ejemplos de estructuras cristalinas iónicas

El cloruro de cesio (CsCl) es un compuesto iónico con una estructura de celosía cúbica simple, donde los cationes y aniones son de tamaño similar. Los iones de cloruro ocupan los sitios de celosía y un ión de cesio se encuentra en el centro de la célula unitaria (Figura 1). El número de coordinación para el cloruro de cesio es 8, lo que significa que cada ión de cesio está en contacto directo con ocho iones de cloruro (y viceversa). La célula de la unidad de cloruro de cesio contiene un anión de cloruro y un catión de cesio.

Figura 1. Estructuras de celda unitaria de cloruro de cesio (cúbica simple), cloruro de sodio (cúbica centrado en la cara) y sulfuro de zinc (mezcla de zinc).

El cloruro de sodio (NaCl) tiene una estructura de sal de roca donde los aniones de cloruro ocupan los sitios de celosía de una estructura cúbica centrada en la cara con los cationes de sodio más pequeños situados en los espacios entre los aniones. El NaCl tiene un número de coordinación de 6; cada anión cloruro está rodeado por seis cationes de sodio y viceversa. Una celda unitaria de NaCl contiene cuatro aniones de cloruro y cuatro cationes de sodio.

El sulfuro de zinc (ZnS) tiene una estructura cristalina de blenda de zinc con un número de coordinación de sólo 4. Los aniones de sulfuro ocupan los sitios de celosía de una estructura cúbica centrada en la cara con los cationes de zinc más pequeños ocupando cuatro de los ocho espacios en forma tetraédrica situados directamente debajo de cada átomo de vértice. Cada celda unitaria ZnS contiene cuatro aniones de sulfuro y cuatro cationes de zinc. Aparte de la blenda de zinc, el ZnS también puede estar presente en la estructura de wurtzita, que exhibe un empaquetamiento hexagonal compacto a diferencia del empaquetamiento cúbico compacto de la blenda de zinc. Similar a la blenda de zinc, tanto el catión como el anión tienen un número de coordinación de cuatro y los cationes ocupan la mitad de los vacíos tetraédricos (agujeros) mientras que los aniones ocupan los sitios de celosía de la estructura hexagonal.

A menudo las estructuras cristalinas tienen un número desigual de cationes y aniones. Los compuestos iónicos con una relación catión-anión de 1:2 adoptan la estructura del fluorito o del CaF₂. El fluoruro de sodio (NaF) es el ejemplo más simple con una estructura similar al cloruro de sodio. El CaF₂ y el MgF₂ son otros ejemplos comunes.

Los óxidos como el TiO₂ alcanzan la estructura cristalina conocida como rutilo. Aquí el número de coordinación de cationes y aniones es diferente. Por ejemplo, en el caso del TiO₂, los cationes de titanio tendrán un número de coordinación de seis, mientras que el número de coordinación de aniones de oxígeno será de tres.

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