Propiedades de Solidos: _{La influencia de la estructura cristalina en el comportamiento}

¿Que es un sólido?

Pueda que no piense que la sal y la azúcar son sólidos debido a que cuando se miran en una cocina son partículas tan pequeñas. Pero cada una de estas partículas es tanto como un sólido como lo es una mesa de madera, una ventana de vidrio o una joya de oro. Un sólido es una colección de átomos o moléculas que se mantienen juntas bajo condiciones constantes, mantienen una forma definida y un tamaño definido. Claro que los sólidos no son necesariamente permanentes. El hielo sólido puede derretirse para formar agua liquida a temperatura ambiente y así mismo temperaturas extremadamente altas pueden ser utilizadas para derretir hierro para que pueda ser dado forma de sartén, por ejemplo. Una vez que el sartén sea formado, se regresa a temperatura ambiente al enfriarlo, pero la forma y tamaño no cambia por si solo, al contrario que el metal derretido, el cual puede que cambie forma debido a la gravedad. Lo mismo es cierto acerca de hielo que se mantienen en el congelador: Una vez que se forman, su tamaño y forma no cambian. Los solidos tienen una forma y tamaño constante debido a que se forman cuando las fuerzas de atracción entre átomos o moléculas individuales son mas grandes que la energía que causa que se separen. En otras palabras, los átomos o moléculas no tienen suficiente energía para mover y se juntan en cualquier forma en la que estaban cuando se perdió la energía para separarse. (Vea nuestro módulo Estados de Materia para mas información acerca de cómo los sólidos se difieren de otros estados de materia.)

La sal y la azúcar son ambos sólidos cristalinos. La otra categoría principal de sólidos se llama amorfo. Mientras que los sólidos cristalinos son bien ordenados a un nivel atómico, con cada átomo o molécula que habita un punto específico de la red, sólidos amorfos son desordenados a un nivel atómico, con los átomos o moléculas que se mantienen juntos en una formación completamente aleatoria. Considere un juego de damas. Una tabla cuidadosamente ordenada con una dama en cada cuadro es análoga a un sólido cristalino, mientras que un sólido amorfo puede ser representado por piezas de damas regadas aleatoriamente en la tabla.

El cuarzo y el vidrio son ejemplos a niveles atómicos de estas dos categorías de sólidos. El cuarzo es un sólido cristalinoconteniendo un alto nivel de un silicato (SiO₂). Si examinaríamos la estructura del cuarzo, podríamos ver que las unidades de silicato son ordenadas precisamente (ver Figura 4). A diferencia del vidrio, que es un sólido amorfo. Aunque su apariencia típica suave y transparente la hace verse que ha de tener una estructura microscópica organizada y ordenada, pero la verdad es lo contrario: las unidades de silicato están regadas de manera no uniforme por todo el sólido.

Como el cuarzo, el vidrio tiene un contenido alto de silicato (SiO2). (Vea nuestros módulos Definiendo Minerales y Los Minerales de Silicato para mas información acerca de silicatos y cuarzo.) La diferencia crucial entre sólidos amorfos y cristalinos no es de lo que consisten, si no como son hechos, y mas precisamente como sus estructuras son arregladas. El cuarzo se a una forma una escala de tiempo geológica lenta para que los átomos tengan suficiente tiempo para alcanzar una estructura de cristal altamente ordenada y en la cual los átomos optimizan las fuerzas de atracción y minimizan las fuerzas repulsivas entre ellos y entonces son energéticamente favorable. De manera contraria, el vidrio es hecho al derretir arena (entre otros métodos) y dejar que se enfrié y rápidamente “congelando” los átomos en su lugar, resultando en sólidos amorfos en desorden. Los sólidos amorfos a menudo se forman cuando átomos y moléculas se congelan en lugar antes de que tengan la oportunidad de alcanzar arreglos cristalinos, los cuales serian la estructura preferida debido a que es energéticamente favorecida.

Una consecuencia importante de la estructura irregular de sólidos amorfos es que no siempre se comportan consistentemente o uniforme. Por ejemplo, pueda que se derriten en varias temperaturas, a diferencia de sólidos cristalinos que tienen un punto de fusión bien preciso. Regresando al ejemplo de vidrio contra el cuarzo, el tipo de vidrio mas predominante, llamado vidrio común, puede derretirse a cualquier temperatura entre 550°C y 1450°C, mientras que la cristobalita que es un polimorfo de cuarzo, se derrite precisamente a 1713°C. Adicionalmente, los sólidos amorfos se quiebran impredeciblemente y producen fragmentos con superficies irregulares, y a menudo curveadas, mientras que los sólidos cristalinos se quiebran en planos y en ángulos específicos definidos por la geometría del cristal (Vea nuestro módulo Definiendo Minerales para mas información acerca de cómo la apariencia externa de un cristal refleja el arreglo regular de sus átomos.)

Sólidos cristalinos

La estructura de cristal determina mucho mas acerca de un sólido que simplemente como se quiebra. La estructura se relaciona directamente a un numero de propiedades importantes, incluyendo por ejemplo, la conductividad y la densidad, entre otros. Para explicar estas relaciones, primero tenemos que introducir los cuatro tipos principales de sólidos cristalinos – molecular, de red, iónico y metálico – los cuales hablaremos mas a fondo a continuación.

Sólidos Moleculares

Moléculas individuales son compuestas de átomos ajuntados por fuertes enlaces covalentes (vea nuestro módulo Enlaces Químicos para mas información acerca de enlaces covalentes.) Para formar sólidos moleculares, estas moléculas después son arregladas en un patrón específico y se mantienen juntas por unas fuerzas intermoleculares relativamente débiles. Ejemplos incluyen hielo (H₂O(s) – s aquí significa “sólido” y azúcar de mesa (sucrosa, C₁₂H₂₂O₁₁). Las moléculas individuales de azúcar y agua cada una existe como su propia entidad independiente que interactúa con sus vecinos en maneras específicas para crear un sólido cristalino ordenado. (Ver Figura 5).

Sólidos de red

En sólidos de red, no hay moléculas definidas individuales. Una red continua de enlaces covalentes mantiene juntos todos los átomos. Por ejemplo, el carbono puede formar dos solidos de red diferentes: el diamante y el grafito. Estos materiales consisten solamente de átomos de carbono que se pueden arreglar de dos diferentes maneras. El diamante es un cristal tridimensional que es el material natural mas duro en el mundo. En contraste, el grafito es un solido de red bidimensional. Los átomos de carbono esencialmente forman capas planas, los cuales son relativamente resbaladiza y se pueden resbalar y pasarse. Mientras estos dos materiales se hacen del mismo componente simple – solamente átomos de carbono – su apariencia y comportamiento son completamente diferentes debido a los diferentes tipos de enlaces en los solidos. (Vea nuestro módulo Definiendo minerales

Solidos de red también puede incorporar múltiples elementos. Por ejemplo, considere el cuarzo, el segundo material mas abundante en la corteza de la tierra. La formula química del cuarzo es SiO₂, pero esta formula indica la proporción de silicón a oxígeno y no tiene como propósito implicar que hay moléculas de SiO₂ presentes. Cada átomo de silicón es enlazado a cuatro diferentes átomos de oxigeno y cada átomo de oxigeno se enlaza en dos diferentes átomos de silicón, creando una red larga de enlaces covalentes, como se mira en la Figura 6. (Vea nuestros módulos Definiendo minerales y Minerales de silicato para mas acerca del cuarzo.)

Solidos ionicos

Los Solidos iónicos son similares a solidos de red en una manera: No hay moléculas distintivas. Pero en vez de átomos unidos por enlaces covalentes, los solidos iónicos son compuestos de iones cargados negativamente y iones cargados positivamente unidos por enlaces iónicos. (Vea nuestro módulo Enlaces Químicos para mas información acerca de enlaces iónicos.) La sal de mesa (cloruro de sodio, NaCl) es un solido iónico común, igual que todo lo que se llama “sal.” Las sales simples usualmente consisten de un ion de metal y un ion de no metal. Las sales también consisten de iones mas complejos, tal como el sulfato de amonio, cuyos componentes son amonio (NH₄⁺) y sulfato (SO₄^2-), son mantenidos juntos por enlaces covalentes y se atraen uno al otro por medio de enlaces iónicos.

Sólidos metálicos

Finalmente, Los solidos metálicos son un tipo aparte. Aunque hablamos de ellos por ultimo, como tres cuartos de los elementos conocidos son metálicos. Se puede leer acerca de estos elementos metálicos en nuestro módulo La Tabla Periodica de Elementos

Átomos de metal se mantienen juntos por enlaces metálicos, en los cuales los átomos de mantienen juntos y los electrones exteriores pueden moverse fácilmente dentro de un sólido (Figura 7). Los enlaces metálicos son no direccionales, lo que significa que átomos metálicos pueden mantenerse enlazados mientras ruedan unos contra otros, con tal de que algunas partes de sus superficies estén en contacto. Estas propiedades únicas del comportamiento de metales, incluyendo su conductividad y maleabilidad, la cual discutiremos en la siguiente sección.

Propiedades de sólidos

Como se describió en la previa sección, los solidos cristalinos pueden variar en su composición atómica, su enlace y su estructura. Juntos, estos atributos determinan como los diferentes solidos se comportan bajo diferentes condiciones. Los solidos tienen muchas diferentes propiedades, incluyendo, entre otras, la conductividad, la maleabilidad, la densidad, la dureza y la transmisión óptica. Discutiremos solamente solo un numero de estas propiedades para ilustrar algunas de las maneras que la estructura atómica y molecular tienen un propósito.

Conductividad eléctrica y termal

Mientras lea esta lección en su computadora, probablemente no esta pensando en los cables que utiliza su computadora para obtener el poder eléctrico que necesita para funcionar. Esos cables son hechos de metal, probablemente cobre, debido a que los metales generalmente tienen una buena conductividad eléctrica. La electricidad es en esencia un flujo de electrones de un lugar a otro, y en enlaces metálicos, los electrones exteriores son relativamente libres para moverse entre átomos adyacentes. La movilidad de electrones significa que es fácil que una corriente eléctrica se mueva de un lado de un pedazo de metal al otro lado. Cuando un electrón es introducido a un al final de un cable por una corriente eléctrica, esto causa que electrones se muevan un átomo de metal continuamente en el cable, permitiendo que la corriente fluya. Sin embargo, en otros solidos, los electrones son parte de enlaces iónicos o covalentes y por ende no pueden conducir electricidad, o lo hacen de manera pobre. Los materiales que no conducen electricidad se llaman aislantes eléctricos.

La conductividad termal esta relacionada a la conductividad. Justo como los metales son buenos conductores de electricidad, probablemente sabe por experiencia que son buenos para conducir el calor también. (Por eso la mayoría de las ollas, sartenes y bandejas para hornear son de metal, para que puedan absorber el calor de la estufa o el horno y pasarlo a la comida que se esta cocinando.) Para entender como funciona esto, considere que la temperatura es una medida de cuantas moléculas se mueven (vea nuestro módulo (see our Estados de Materia y Temperatura módulos.) Para que un solido conduzca el calor, el movimiento de una molécula o átomo necesita ser fácilmente transferible a su vecino. A la naturaleza no direccional de un enlace metálico hace que este tipo de transferencia sea relativamente fácil de llevar a cabo, para que los metales conduzcan el calor correctamente. En un solido de red, en donde los enlaces son mas rígidos y los ángulos entre los átomos son estrictamente definidos, tal transferencia es mas difícil. Estos solidos se esperaría que tengan una conductividad de calor mas baja y se le llamaría aislante de calor.

El grafito es una excepción interesante a esta tendencia. Debido a que la energía especifica y la orientación de enlaces típicos en laminas de grafito, son relativamente buenos al conducir calor y electricidad. Quizás usted ya ha escuchado acerca de nanotubos de carbono, los cuales son similares a tubos de grafito pero existen en la forma de tubos (Figura 8). Estos tubos pueden conducir electricidad y calor del final de un tubo a otro y pueden ser probados para muchas posibles aplicaciones, incluyendo en circuitos eléctricos, células solares y textiles.

Maleabilidad y ductilidad.

Dos propiedades adicionales, la maleabilidad y la ductilidad siguen tendencias similares a los de conductividad eléctrica y termal. La maleabilidad describe la habilidad de darle un martillazo a un solido en una lamina sin quebrarlo y la ductilidad se refiere a un solido que puede ser estirado para formar un cable. Como se puede imaginar, los metales tienen la tendencia de ser tanto maleables como dúctiles, debido a que los enlaces metálicos son no direccionales. Al contrario de esto, los enlaces covalentes y iónicos, los cuales son direcciones y requieren geometrías especificas resultando en estructuras enrejadas tridimensionales, hacen que muchos tipos de solidos sean débiles y que se quiebren bajo fuerzas.

La maleabilidad metálica y la ductilidad son una razón crucial de porque los metales son tan útiles. La conductividad eléctrica seria mucho menos útil si no fuese posible estirarlos en los cables que después pueden ser doblados y dada forma a temperatura ambiente para un sin número de aplicaciones. Aunque también crean algunos inconvenientes. La joyería de metal puede ser aplastada y deformada en el fondo de una cartera o bolso, o una figura metálica puede ser golpeada si se cae. Productores deben considerar todas las propiedades de materiales con los que planean trabajar para encontrar la mejor opción para cada aplicación.

Punto de Fusión

Otra manera para deformar un sólido es de derretirlo. El punto de fusión de un solido depende en la fuerza de la interacción entre sus componentes: Interacciones mas fuertes significan un punto de fusión mas alto. Para sólidos moleculares, fusión significa quebrar las fuerzas intermoleculares débiles (las fuerzas entre moléculas), no los enlaces covalentes fuertes que mantiene moléculas individuales juntas, entonces un compuesto como la azúcar puede ser derretido fácilmente sobre una estufa. Para solidos de red (mantenidos juntos por enlaces covalentes), solidos iónicos (mantenidos juntos por enlaces metálicos), sin embargo, el punto de fusión depende en la fuerza de los enlaces específicos en cada solido. Algunos metales tienen puntos de fusión relativamente bajos, como el mercurio, el cual es un liquido a temperatura ambiental (su punto de fusión es -38°C), mientras que otros, como el tungsteno, se derriten a temperaturas extremadamente altas (el punto de fusión del tungsteno es 3,422°C). Entre otros solidos de red, un tipo de cuarzo llamado tridimita o asmanita se derrite a una temperatura de 1,670°C, mientras que el grafito se derrite a 4,489°C y entre solidos iónicos, el cloruro de sodio se derrita a 801°C mientras que el bromuro de litio se derrite a 552°C. Enlaces iónicos tienden a ser mas débiles que los enlaces covalentes y metálicos, por el cual los puntos de fusión de estas sales son algo mas bajos que la mayoría de los ejemplos de puntos de fusión que se incluyeron aquí.

Solubilidad

La fusión es una manera de cambiar la forma de un solido. Otra manera es disolver el solido en un tipo de liquido, en este caso se refiere al liquido como solvente. Cuanto se disuelve un solido en un solvente partículas se llama solubilidad. Los solidos pueden disolverse en una variedad de tipos de solventes, por ahora nos enfocaremos en solubilidad en agua.

Disolver un sólido requiere quebrar diferentes tipos de enlaces para diferentes tipos de solidos. Disolver un metal requiere quebrar enlaces metálicos. Ambos de estos tipos de enlaces son bien fuertes y difícil de quebrar. Por ende, los metales y solidos de red son generalmente no solubles en agua. (Sortijas de diamantes quizás no valieran tanto si la banda se disolviera en la ducha.) En contraste, disolver un solido molecular requiere quebrar solamente Fuerzas intermoleculares, no los enlaces covalentes que mantienen sus moléculas individuales juntas. Por ende, los solidos moleculares son relativamente solubles, como podrá haber adivinado debido a como se utiliza la azúcar en tantas bebidas.

Finalmente, para disolver solidos iónicos, los enlaces iónicos entre los átomos o moléculas deben ser quebradas, la cual el agua puede lograr fácilmente. Cada átomo o molécula dentro de un solido iónico lleva una carga, y las moléculas de agua también llevan una carga debido a la polaridad (¿vea nuestro módulo Propiedades y Comportamiento del Agua para mas información). Como resultado, las cargas negativas dentro del agua son atraídas por los iones cargados positivamente, y los cambios positivos dentro del agua son atraídos por los iones negativos. Esto permite que las moléculas de agua disuelvan solidos iónicos separando las partes cambiando las interacciones iónicas favorables en los cristales solidos con interacciones iónicas favorables entre los iones individuales y las moléculas de agua. Por ende, la mayoría de las sales son relativamente solubles en el agua.

Tanto la sal como la azúcar son bien solubles en agua, pero debido a las diferencias entre solidos iónicos (sal) y solidos moleculares (azúcar), agua con sal se comporta de manera diferente en comparación al agua con azúcar (recuerde el experimento del foco de luz de la sección anterior). Cuando la sal se disuelve en agua los iones cargados positivamente (Na⁺) y negativamente (Cl^-) que componen los solidos se separan, creando una solución liquida de partículas cargadas. Estas partículas cargadas pueden recoger electrones y transferirlos por la solución, efectivamente conduciendo electricidad. Cuando las sales como es amonio y el sulfato se disuelven, los enlaces iónicos entre los iones se quiebran, pero los enlaces covalentes manteniendo juntos los iones individuales complejos permanecen intactos. Por otro lado, cuando la azúcar se disuelve, cada molécula individual de sacarosa se separa, cada molécula individual de sacarosa se separa de su vecino, pero las moléculas en si permanecen intactas sin ningún cambio, entonces no conducen electricidad.

Densidad

La densidad, definida como la cantidad de masa que existe en cierto volumen (vea nuestro módulo acerca de la densidad para mas información), es otra propiedad importante que depende en la estructura y la composición de la estructura de un sólido. Es importante aclarar que, aunque describimos los diferentes tupos de solidos cristalinos como tener ciertas características estructurales, existe una variación significativa dentro de cada tipo también. Por ejemplo, los solidos metálicos no todos comparten un arreglo similar de átomos. Los átomos y moléculas que forman cristales pueden empacarse en diferentes maneras, la cual afecta la densidad (Figura 9). Imagínese un jarrón de canicas ordenadas, con cada espacio entre las canicas en la fila de abajo llenado con una canica en la fila de arriba. Este arreglo empacado tan cercanamente lleva a una densidad bien alta. El oro toma aproximadamente este tipo de arreglo, resultando en su alta densidad de 19.3 gramos por centímetro cúbico, ahora imagínese otro jarrón con canicas que aun están ordenados, pero cada canica esta directamente arriba de uno en vez de en el espacio. Este tipo de arreglo deja mas espacio vacío en el jarrón debido a que esos espacios no son llenados, entonces el jarrón es el mismo tamaño que el primer jarrón, no puede almacenar la misma cantidad de canicas y es menos denso. El litio, el cual es el metal menos denso a 0.534 gramos por centímetro cúbico, es un ejemplo de este tipo de arreglo.

Mientras que las propiedades de solidos pueden parecer triviales al principio, las características únicas de diferentes solidos influyen casi todo aspecto de vida de mas de una manera. Los relojes finos y de manera incremental, otros aparatos electrónicos utilizan cristales de zafiro en vez de vidrio debido al enlace de red fuerte que hace que el zafiro sea muy fuerte (de hecho, es la tercera sustancia mas dura que conocemos) y es resistente a rayar. La estructura molecular peculiar del hielo resulta en ser menos denso que el agua liquida, y se puede decir que sin esta propiedad, la vida en el planeta Tierra nunca hubiese existido. En un nivel menos existencial, significa que podemos ir a patinar en el hielo de lagunas congeladas en el invierno, aunque no se haya congelado completamente. Desarrollando nuevos materiales solidos con propiedades especificas, como semiconductores eléctricos y superconductores, es un área activa de la investigación con muchas aplicaciones potenciales. Pero los solidos no son las únicas sustancias con propiedades útiles y entretenidas, como veremos en los próximos módulos acerca de líquidos y gases