Tema3xEstructura de Los Solidos

Tema 3 Estructura de los Sólidos

Contenidos:

1. Introducción1. Introducción

� 1.1 Estado sólido, líquido y gaseoso.

� 1.2 Sólidos: clasificación por la estructura : cristalinos y amorfos. Cristales líquidos.

� 1.3 Sólidos: clasificación por el tipo de enlace : con e. covalente, con e. metálico y con e. iónico.

2. Redes covalentes

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 111

2. Redes covalentes

3. Redes atómico-moleculares

Características de gases, líquidos y sólidos

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 2Ref.: Whitten

Los tres estados de la materia: interpretación cinético-molecular

(fase ≠ estado)

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 3Ref.: Brown

Las fases condensadas (sólida o líquida) se forman cuando las fuerzas de atracción entre las partículas las acercan unas a otras.

Los tres estados físicos del agua

Ref.: Brown 4Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11

Clasificación de los sólidos por su estructura: sólidos cristalinos y sólidos amorfos

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 5Ref.: Gillespie

sólido cristalino

sólido amorfo

- Átomos o iones dispuestos de forma regular y períódica.- Forman cristales de caras planas y los ángulos que forman las caras tienen valores bien definidos.

- Átomos dispuestos al azar, distribución desordenada.

sólidos cristalinos y sólidos amorfos: ejemplos

6Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones

cuarzo vidrio

sólidos cristalinos: caras planas, ángulos definidos entre caras, y

estructura interna ordenada


sólidos cristalinos: imagen de la superficie de un cristal de níquel


Cristales líquidos (1)

� Características:• Tienen casi el grado de orden característico de los cristales sólidos peropueden fluir como líquidos.

• Son mesofases, intermedios entre sólidos y líquidos; sus propiedades pueden• Son mesofases, intermedios entre sólidos y líquidos; sus propiedades puedenmodificarse por acción de campos eléctricos y cambios en la temperatura.

9Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Petrucci


� Clases en función de la disposición de las moléculas:

(a) Fase nemática(de “hilo”) de un cristal líquido

(b) Fase esméctica (de “jabonoso”) de un cristal líquido

(c) Fase colestérica(de “colesterol”) de un cristal líquido



� Ejemplos de moléculas de cristales líquidos:



Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 12Ref.: Brown

líquido cristal líquido

(a) Molten cholesteryl benzoate at a temperature above 179 °C. In this temperature region the substanceis a clear liquid. Note that the printing on the surface of the beaker in back of the sample test tube isreadable. (b) Cholesteryl benzoate at a temperature between 179 °C and its melting point, 145 °C. In thistemperature interval cholesteryl benzoate exists as a milky liquid crystalline phase.

Clasificación de los sólidos cristalinos por el tipo de partículas del cristal y por los enlaces o interacciones

entre ellas: moleculares, covalentes, iónicos y metálicos

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 13Ref.: Whitten

Redes covalentesRef.: Brown

2. Redes covalentes

� Ejemplos: SiO2, C(diamante)

C diamante (vista celda unidad)

β-cristobalita (SiO2) (vista celda unidad)

SiO2, C(diamante)

� Propiedades: todas sólidas

comparar

C grafito (capas 2D) 14

C diamante(entramado 3D)

comparar

Tema 3 Estructura de los Sólidos (cont.)


3.1 Fuerzas intermoleculares� 3.1 Fuerzas intermoleculares

� 3.2 Ejemplos y clasificación de los cristales atómico-moleculares: sin enlace de H y con enlace de H

� 3.3 Propiedades de los cristales atómico-moleculares


moleculares

Redes atómicas Ejemplo: gases nobles

El He : - condensa a líquido a 4K- solidifica a 25 atm y 1K

16Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Housecroft y Rodgers

- solidifica a 25 atm y 1K

cristal de argon

Redes moleculares Ejemplo: el hielo

17Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11

Vista de la estructura lagunar del hielo

Ref.: Atkins

Tema 3 Estructura de los Sólidos


3.1 Fuerzas intermoleculares:

� Fuerzas de Van der Waals:� Fuerzas de Van der Waals:

• dipolo instantáneo – dipolo inducido (fuerzas de dispersión o de London)

• dipolo – dipolo (fuerzas de orientación o de Keesom)

• dipolo – dipolo inducido (fuerzas de inducción o de Debye)


(fuerzas de inducción o de Debye)

� Enlace de hidrógeno. Importancia. El H2O

� Fuerzas ión-dipolo

Fuerzas de London (1). Origen

molécula apolar

dipolo instantáneo(desplazamiento momentáneo de la carga)

dipolo inducido

(a) Situación promedio. Una molécula no polar tiene distribución de carga simétrica.(b) Situación en un instante determinado. Un desplazamiento de la carga electrónica produce un dipolo instantáneo con una separación parcial de carga.

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 19Ref.: Petrucci

dipolo instantáneo con una separación parcial de carga.(c) Dipolo inducido. El dipolo instantáneo de la izda. induce una separación de carga en la molécula de la dcha. El resultado es una atracción dipolo-dipolo.

Están relacionadas con la Polarizabilidad: tendencia a que se produzca una separación de cargas en una molécula; depende del nº de e- y de la geometría.

Fuerzas de London (2a). Factores de que dependen: número de electrones (PM)

a) pentano (izda.): fluido móvilfluido móvil

b) pentadecano, C15H32

(centro): fluido viscoso

c) octadecano, C18H38

(dcha.): sólido ceroso


18 38

(dcha.): sólido ceroso

Fuerzas de London (2b). Factores de que dependen: número de electrones (PM)

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 21Ref.: Rayner-Canham

Fuerzas de London (3). Factores de que dependen: geometría molecular

La molécula alargada del pentano se polariza más fácilmente que la molécula compacta del neopentano

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Gillespiey Petrucci

22

Otras fuerzas de Van der Waals: fuerzas dipolo-dipolo y dipolo-dipolo inducido.

Origen

dipolo-dipolo dipolo-dipolo inducidodipolo-dipolo dipolo-dipolo inducido

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 23Ref.: Gillespie

Interacciones dipolo-dipolo inducido.Ejemplo

Parte de la red en estado sólido del clatrato del tris(β-hydroquinona) xenón

24Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Housecroft

Interacciones dipolo-dipolo.Cómo influyen en sustancias con PM semejantes

N2 NO O2

µ = 0 (apolar) µ = 0.153 D (polar) µ = 0 (apolar)

PM = 28 PM = 30 PM = 32

Punto de ebullición = 77,34 K Punto de ebullición = 121,39 K Punto de ebullición = 90,19K


Cuando se comparan sustancias de PM semejante, las fuerzas dipolo-dipolopueden producir diferencias importantes en las propiedades.

Fuerzas de Van der Waals. Comparativa


Cuando se comparan sustancias de PM muy diferentes, las fuerzas dedispersión son normalmente más importantes que las fuerzas dipolo-dipolo.

Fuerzas de Van der Waals y enlace de H

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 27Ref.: Rayner-Canham

Enlace de Hidrógeno

Un

28Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Gillespie y Atkins-Jones

Enlace de Hidrógeno. Tipos

simétrico

asimétrico

Hielo

29Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones, Housecroft, Brown

Enlace de Hidrógeno: interacción intermolecular fuerte

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11

Punto de ebullición de los hidruros moleculares de los Grupos 14, 15, 16 y 17.

Ref.: Petrucci 30

El agua.Singularidad en la densidad: el hielo tiene menor

densidad que el agua líquida


Hielo (en agua) “Témpanos de benceno” (en benceno)

El agua. Enlace de Hidrógeno

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11

alrededor de la molécula en el sólido en el líquido

32Ref.: Petrucci

A OºC: densidad H2O (l) = 1,00densidad H2O (s) = 0,92

A 50 ºC: aprox. el 50% de los enlaces de H aún subsiste

Cada molécula forma 4 puentes de H

Interacciones ión-dipolo

catión hidratado

anión hidratado

� Interacciones en el proceso de solvatación de un catión:

33Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Housecroft y Atkins-Jones

� Interacciones en el proceso de solvatación de un catión:(a) Interacciones ion-dipolo entre el ion Na+ y las moléculas de agua.(b) Enlaces covalentes coordinados de oxígeno a ion metálico.

� Cuando cristalizan las sales a partir de disoluciones acuosas pueden formarsehidratos. Ej.: Na2CO3·10H2O; CuSO4·5H2O.

Interacciones entre iones y moléculas.Comparativa de energías


Tema 3 Estructura de los Sólidos (cont.)

3. Redes atómico-moleculares (cont.)

3.2 Clasificación:

� Sólidos moleculares sin enlace de H� Sólidos moleculares con enlace de H

3.3 Propiedades:

� Son gases o líquidos a TPEA, pero hay muchas excepciones. Ejemplos:

� Sólidos: I , S , P , P O


� Sólidos: I2, S8, P4, P4O6

� Líquidos: H2O, Br2, CCl4, H2SO4

� Gases: Ar, O2, CO2, CH4, HCl, NH3

Cristales atómico-moleculares: comparativa entre interacciones no-direccionales y enlace de H

(a) Ar(s): con fuerzas intermoleculares no-direccionalesde Londonde London

(b) Hielo: con enlaces direccionales de hidrógeno

Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 36Ref.: Rodgers

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