12. Sólidos
12.1 Clasificación de los sólidos
12.1 Clasificación de los sólidos FIGURA 12.1 Clasificación de los sólidos de acuerdo con el tipo de enlace predominante.
12.2 Estructura de los sólidos Los sólidos cuyos átomos están arreglados en un patrón ordenado de repetición se llaman sólidos cristalinos. Tienen superficies planas o caras, que forman ángulos definidos entre sí. Los arreglos ordenados de átomos que producen estas caras provocan que los sólidos tengan formas muy regulares. Los sólidos amorfos carecen del orden que se encuentra en los sólidos cristalinos. A nivel atómico, sus estructuras son similares a las de los líquidos, pero las moléculas, los átomos o los iones carecen de la misma libertad. No tienen las caras bien definidas ni las formas de un cristal.
12.2 Estructura de los sólidos FIGURA 12.2 Ejemplos de sólidos amorfos y cristalinos. Los átomos en un sólido cristalino se repiten periódica y ordenadamente, lo que conduce a caras bien definidas a nivel macroscópico. Este orden no se presenta en sólidos amorfos como la obsidiana (vidrio volcánico).
12.2 Estructura de los sólidos En un sólido cristalino existe una unidad relativamente pequeña de repetición, llamada celda unitaria. El patrón geométrico de puntos en los que las celdas unitarias están arregladas se denomina red cristalina. FIGURA 12.3 Una red cristalina en dos dimensiones. Una distribución infinita de puntos de red se genera mediante la suma de los vectores de red a y b. La celda unitaria es un paralelogramo definido por los vectores de red.
12.2 Estructura de los sólidos Hay varios tipos de redes FIGURA 12.6 Las siete redes tridimensionales primitivas.
12.2 Estructura de los sólidos FIGURA 12.9 Difracción de rayos X por un cristal. En cristalografía de rayos X, un haz monocromático de rayos X se hace pasar a través de un cristal. Los rayos X son difractados y se registra el patrón de interferencia resultante. El cristal se hace girar y se registra otro patrón de difracción. El análisis de muchos patrones de difracción da las posiciones de los átomos en el cristal.
12.3 Sólidos metálicos Los sólidos metálicos consisten por completo en átomos metálicos. Su enlace es demasiado fuerte como para deberse a fuerzas de dispersión, pero tampoco hay suficientes electrones de valencia para formar enlaces covalentes entre los átomos. El llamado enlace metálico resulta del hecho de que los electrones de valencia están deslocalizados en el sólido. FIGURA 12.10 Maleabilidad y ductilidad. La hoja de oro demuestra la maleabilidad característica de los metales, y el cable de cobre manifiesta su ductilidad.
12.3 Sólidos metálicos FIGURA 12.15 Distribución de átomos de soluto y disolvente en una aleación de sustitución y una aleación intersticial. Ambos tipos de aleaciones son disoluciones sólidas y, por lo tanto, mezclas homogéneas. FIGURA 12.16 Vista microscópica de la estructura de la aleación heterogénea perlita. Las regiones oscuras son hierro metálico con estructura cúbica centrada en el cuerpo, y las regiones más claras son cementita, Fe3C.
12.4 Enlace metálico El modelo del mar de electrones representa el metal como un conjunto de cationes metálicos en un “mar” de electrones de valencia. Los electrones están confinados en el metal por atracciones electroestáticas con los cationes y se distribuyen de manera uniforme por toda la estructura.
12.5 Sólidos iónicos Los sólidos iónicos se mantienen unidos por la atracción electrostática entre los cationes y aniones (enlaces iónicos). Los altos puntos de fusión y de ebullición de los compuestos iónicos son una prueba de la fuerza de los enlaces iónicos. Las interacciones entre cationes y aniones se incrementan conforme los iones son más pequeños, como se observa en los puntos de fusión de los halogenuros de metales alcalinos.
12.5 Sólidos iónicos FIGURA 12.26 Estructuras de CsCl, NaCl y ZnS. Cada tipo de estructura se puede generar por la combinación de un motivo de dos átomos y de la red apropiada.
12.6 Sólidos moleculares Los sólidos moleculares consisten en átomos o moléculas unidos por fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión o enlaces de hidrógeno. Como estas fuerzas intermoleculares son débiles, los sólidos moleculares son suaves y tienen puntos de fusión relativamente bajos. FIGURA 12.29 Puntos de fusión y de ebullición del benceno, el tolueno y el fenol.
12.7 Sólidos de red covalente Los sólidos de red covalente consisten en átomos unidos en grandes redes por enlaces covalentes. Como los enlaces covalentes son más fuertes que las fuerzas intermoleculares, estos sólidos son mucho más duros y tienen puntos de fusión superiores que los de los sólidos moleculares. FIGURA 12.30 Estructuras de a) diamante y b) grafito. El color azul en b) se añade para enfatizar la naturaleza plana de las capas de carbono.