08/02/2016

Química: el estudio del cambio 1.0 INTRODUCCIÓN AL ESTADO SÓLIDO.

La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa*. Materia Separación por métodos físicos

Mezcla Mezcla Homogénea

Mezcla Heterogénea

Sustancia pura

Compuesto

Elemento

Propiedades físicas A.S.P.

A.S.P.

Química: el estudio del cambio Química; es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella.

* Chang, R. “Química”, 9a. Ed., McGraw-Hill, 2007, pág.. 4

Química: el estudio del cambio La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa*.

¿Material? La química del estado sólido se ocupa de la síntesis, estructura y propiedades de los sólidos*

* Atkins, et al, pág. 588 A.S.P.

Es toda aquella sustancia (elemento o, más comúnmente, compuesto químico) que tiene un uso o una aplicación definida en base a sus propiedades físicas, sea eléctrica, magnética, óptica, térmica o mecánica o química (reactividad). A.S.P.

1

08/02/2016

Introducción al estado sólido

Introducción al estado sólido

Química de materiales;

Química

Física Propiedades microestructurales

Propiedades a nivel molecular

Ciencia de materiales Ingeniería de materiales

Relación propiedades -estructura

Diseño o proyección de estructuras, procesos y aplicaciones.

A.S.P.

Poliméricos – Estructurales – Funcionales

Cerámicos – – – – –

Arcillas Vidrios Refractarios Cementos Abrasivos

Electro-cerámicos – Ferro-eléctricos – Piezo– Termo-

Materiales petreos • Perovskitas – Magnéticas – Electrónicas – Fotónicas

• Zeolitas – Catálisis – Malla molecular

• Biocerámicos – Hidroxiapatita – Fosfato cálcico (Poroso)

A.S.P.

Introducción al estado sólido Química de materiales (Usos y perspectivas) • Comunicaciones (fibras, láser) • Energía (baterías, celdas) • Transportación (superconductores) • Construcción (materiales estructurados)

       

Robótica Ambientales Sensores magnéticos Salud Informática y comunicación Magneto-óptica Fotónica Nanociencia

¿Qué es el estado sólido? Estados de agregación de la materia (ocupa volumen y tiene masa). Plasma … Gas Líquido Sólido “Condensado Bose–Einstein "… Sólidos y líquidos son “estados condensados” de la materia

A.S.P.

A.S.P.

2

08/02/2016

¿Qué es el estado sólido?

¿Qué es el estado sólido?

Propiedades características de los gases, líquidos y sólidos Estado de la materia

Volumen/forma

Gas

Adopta el volumen y la forma de su contenedor.

Líquido

Tiene un volumen definido pero adopta la forma de su contenedor

Solido

Tiene volumen y forma definida

Densidad

Baja

Alta Alta

Compresibilidad

Muy compresible Ligeramente

Fuerzas intramoleculares

Movimiento de moléculas

Libre

Vs

Se deslizan entre si

Fuerzas intermoleculares

Virtualmente Vibra en incompresible posiciones fijas

Fuerzas intra- e intermoleculares

Fuerzas intramoleculares (iónico) El enlace iónico o electrovalente es la unión de átomos que resulta de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo; %C.I.  100 * 1  exp  0.25 *  2P  • % Carácter iónico (Pauling) • Energía reticular (Born – Lande, Madelung) • Ciclo de Bohr – Haber • Ley de Hess • Reglas de Fajans

A.S.P.

A.S.P.

3

08/02/2016

Fuerzas Intermoleculares

Fuerzas intramoleculares (covalencia) Efecto; • Estérico • Inductivos • Resonancia • Hiperconjugación.

Tipo de fuerza

Electrostática (Coulomb)

Ión - ion Ión - dipolo Ión – dipolo inducido S.--Y. Liu (2011) , J. Chil. Chem. Soc., 56, 535

Dipolo – dipolo (Keeson) Dipolo – dipolo inducido (Debye) Dipolo inducido – dipolo inducido

Fzas de Van der Waals

Dipolo instantáneo - dipolo inducido (de dispersión o de London) Puente de hidrógeno

A.S.P.

A.S.P.

Fuerzas Intermoleculares Tipo de fuerza

Factor responsable

Ión - ion

Red cristalina (Energía Reticular)

Ión - dipolo

Entalpía de solubilidad

Ión – dipolo inducido

Entalpía de solubilidad

Dipolo – dipolo (Keeson)

Momento dipolar

Dipolo – dipolo inducido (Debye)

Momento dipolar y polarizabilidad

Dipolo inducido – dipolo inducido

Polarizabilidad

Dipolo instantáneo - dipolo inducido (de dispersión o de London)

Polarizabilidad

Puente de hidrógeno

Interacc H - - átomos muy electronegativos

E Keeson  A.S.P.

12   22 r6

Fuerzas Intermoleculares

E Deby e 

2   r6

E London 

1   2 r6

H2O (s) (puente de hidrógeno)

(dipolo – dipolo)

I2 + H2O (dipolo – dipolo inducido) A.S.P.

4

08/02/2016

Fuerzas Intermoleculares ¿Qué tipo de interacciones están presentes en el solido? Gas Helio

Tebull (°C) -269

Neón

-246

Argón

-186

kriptón

-152

Xenón

-108

Radón

-62

Moléculas monoatómicas

A.S.P.

Fuerzas Intermoleculares Estado solido metálico ¿Qué es un metal? Son elementos químicos que son;  Maleables (se trabajan bien en hojas)  Dúctiles (se pueden convertir en alambres delgados)  Conductores eléctricos (“mar de electrones”)  Color (brillo) característico  Electropositivos El enlace es;  Poco direccional, lo que explica la tendencia de los átomos de un metal a rodearse del mayor número posible de otros átomos.  Empaquetamiento compacto : empaquetamientos en los que los átomos ocupan el volumen total más pequeño, dejando el mínimo espacio vacío. (alta densidad) A.S.P.

Fuerzas Intermoleculares

Fuerzas Intermoleculares

¿Qué tipo de interacciones están presentes en los siguientes sólidos?

¿Qué tipo de interacciones están presentes en los siguientes sólidos?

Sustancia Tsubl. (°C) Hielo seco (CO2) -78 I2  15 Naftaleno (C10H8) 20 Alcanfor (C10H16O) 25 Cafeína 178

Hielo seco, CO2 (Tsubl; -78 °C)

CO2_150K.cif A.S.P.

A.S.P.

A . Simon, K. Peters (1980), Acta Cryst. B, 36, 2750

5

08/02/2016

Fuerzas Intermoleculares

Fuerzas Intermoleculares

¿Qué tipo de interacciones están presentes en los siguientes sólidos?

¿Qué tipo de interacciones están presentes en los siguientes sólidos?

I2 (Tsubl; 15°C)

Naftaleno (Tsubl; 20°C)

J. Monteath Robertson, Proc. Roy. Soc. London A, 142 (847), 674 (1933)

I.pdb A.S.P.

http://www.webelements.com/iodine/crystal_structure.html

A.S.P.

Douglas, B. E.; Ho, Sh-M. (2007). Structure and Chemistry of Crystalline Solids. Springer, p. 288

Fuerzas Intermoleculares

Fuerzas Intermoleculares

¿Qué tipo de interacciones están presentes en los siguientes sólidos?

¿Qué tipo de interacciones están presentes en los siguientes sólidos?

Alcanfor (Tsubl; 25°C)

cmpd_n.cif A.S.P.

M. Brunelli, A. N. Fitchci, A. J. Mora, J. Solid State Chem., 163, 253 (2002)

Cafeína (Tsubl; 178 °C)

Ortep plot (50% ellipsoids) of 2 with atomic labeling scheme.

caffeine1.cif A.S.P.

G. D. Enright, et al., Crystal Growth & Design, 7 (8), 2007, 1406

6

08/02/2016

Fuerzas Intermoleculares

Diagramas de Fases

¿Qué tipo de interacciones están presentes en los siguientes sólidos?

CO2

Cafeína (Tsubl; 178 °C)

Diagrama de fases del agua (H2O) y del hielo a altas presiones Ortep plot (50% ellipsoids) of 2 with atomic labeling scheme. A.S.P.

Tomado de; José Luis Córdova Frunz, La química y la cocina (La ciencia para todos), FCE, 1996 (http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/093/html/ sec_6.html)

G. D. Enright, et al., Crystal Growth & Design, 7 (8), 2007, 1406

A.S.P.

Tipos de interacción intermolecular Fuerzas de atracción intermolecular Tipo de fuerza

Magnitud Relativa

¿Qué es el estado sólido? Propiedades características de los gases, líquidos y sólidos

Factor responsable

Ejem.

Estado de la materia

Volumen/forma

Densidad

Compresibilidad

Movimiento de moléculas

Iónico

400 -15000 kJ/mol

Red cristalina

LiF

Gas

Adopta el volumen y la forma de su contenedor.

Baja

Muy compresible

Libre

Covalente

149 - 1072 kJ/mol

Enlace localizado

C (diamante)

Líquido

NaCl    H2O

Alta

Ligeramente

Entalpía de solubilidad

Tiene un volumen definido pero adopta la forma de su contenedor

Se deslizan entre si

Momento. dipolar

H2O  HCl

Tiene volumen y forma definida

Alta

Virtualmente Vibra en incompresible posiciones fijas

Ión-dipolo Dipolo – dipolo (Keeson)

2 - 0.5 kcal

Dipolo – dipolo inducido (Debye)

> 2 kcal

Mom. Dipolar y polarizabilidad

H2O  I2

Dipolo inducido – dipolo inducido

> 1 kcal

Polarizabilidad

N2 liq

Dipolo instantáneo - dipolo. inducido (de dispersión o de London)

> 1 kcal

Polarizabilidad

He, Ne, H2, N2, O2, O3, CO2

Interacc H - - átomos muy electronegativos

NH3- - OH2

Puente de hidrógeno

12 -16 kcal

Solido

7

08/02/2016

Clasificación de los sólidos • Tipo de ordenamiento – Cristalino – Amorfo

• Tipo de enlace – Iónico – Covalente – Redes covalentes o moleculares – Metálico

Clasificación de los sólidos Tipo de Características ordenamiento Cristalinos Poseen rigidez y orden de largo alcance (  100 nm), es decir, las partículas que lo constituyen ocupan posiciones especificas Amorfos Sus moléculas carecen de disposición definida, orden de corto alcance.

Clasificación de los sólidos

• Cristalinos, poseen rigidez • Amorfos, redes con y orden de largo alcance ( arreglo irregular a largo alcance.  100 nm), es decir, hay posiciones especificas de Vidrio, polietileno, nylon, las partículas que lo fosforo rojo, azufre constituyen. amorfo.

NaCl, Azúcar.

Ejemplos Sales inorgánicas, metales, Vidrio, fosforo rojo, azufre amorfo

Clasificación de los sólidos Tipo de enlace Tipos de sólidos

Unidad estructural

Propiedades generales

Iónicos

Iones negativos y positivos

Duros, quebradizos, puntos de fusión alto, mala conductividad eléctrica como sólidos pero buena en solución o fundidos, a menudo solubles en agua

Covalentes

Redes infinitas bi o tridimensionales

Amplio intervalo de dureza y puntos de fusión, mala conductividad eléctrica, con algunas excepciones.

Redes covalentes o moleculares

Moléculas

Puntos de fusión y ebullición de bajos a moderados, blandos, mala conductividad eléctrica como sólidos y líquidos.

Metálicos

Átomos metálicos con electrones deslocalizados

Maleables, dúctiles, buena conductividad eléctrica y térmica, amplio intervalo de dureza y de puntos de fusión, brillo característico, alta densidad.

8

08/02/2016

Clasificación de los sólidos Tipo de enlace Tipos de sólidos

Enlace químico

Tipos de cristal Características

Iónicos

Enlace iónico

Atracción Coulombica (electrostática) entre iones, energía cohesiva grande (2 - 4 eV/ átomo).

Covalentes

Enlace covalente

Enlace localizado fuerte con estructuras de capa cerrada estables, energía cohesiva grande (4 - 7 eV/átomo).

Redes covalentes o moleculares

Fuerzas Fuerzas de dispersión, dipolo – dipolo, dipolo – dipolo inducido, interdipolo ind. – dipolo ind., dipolo inst. – dipolo inducido y/o puente moleculares de hidrógeno.

Metálicos

Enlace metálico

A.S.P.

Tipos de cristales y propiedades generales

Atracción Coulombica entre iones (+) de la red y un “gas” (–) de electrones de valencia (movimiento libre a través de la red). Energía cohesiva pequeña (1-4 eV).

Unidad estructural

Fuerza que mantiene unida a las unidades

Enlace químico

Propiedades generales

Ejemplos

Iónicos

Iones negativos y positivos

Atracción electrostática

Iónico

Duros, quebradizos, ….

NaCl, LiF, MgO, CaCO3

Covalentes

Redes infinitas bi o tridimensionales

Enlace covalente

Covalente

Amplio intervalo de dureza ….

C(diam), SiO2(cuar zo)

Redes covalentes o moleculares

Moléculas

Fzas de dispersión, dipolo-dipolo, puente de hidrogeno.

Fzas intermoleculares

Blandos, mala conductividad …..

Ar, CO2, I2, H2O (s), C12H22O11 (sacarosa)

Metálico

Átomos metálicos

Enlace metálico

Metálico

Maleables, dúctiles, ….

Na, Mg, Fe, Cu

A.S.P.

9