Estructura y Propiedades de los Materiales: Enlaces Químicos y Fuerzas Intermoleculares

Geometría de los Cristales Iónicos

Las principales consideraciones que regulan la geometría de los cristales iónicos son:

• Cada catión debe agruparse a su alrededor (preferiblemente en contacto) con el máximo número posible de aniones y viceversa.
• La separación entre iones de la misma carga debe ser la máxima posible compatible con la mínima separación entre iones de signo contrario (optimización de las fuerzas de atracción-repulsión electrostáticas).
• Siempre debe respetarse la neutralidad eléctrica de la estructura; es decir, la proporción de cationes y aniones debe ser la correspondiente a la estequiométrica del compuesto.

Modelo de Empaquetamiento de Aniones

• Estructura basada en empaquetamiento simple de aniones.
• Estructuras basadas en empaquetamientos compactos.
  • Estructura con empaquetamiento cúbico compacto
  • Estructuras con empaquetamiento hexagonal compacto
• Otras estructuras basadas en empaquetamientos no compactos.

Energía de Red

La energía de red o reticular es la que se desprende en la formación de un mol de compuesto iónico a partir de sus iones en estado gaseoso. Surge una fórmula que deduce que es directamente proporcional a las cargas de los iones e inversamente proporcional a la distancia interiónica.

Propiedades de los Compuestos Iónicos

Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por iones de carga opuesta unidos por fuerzas electrostáticas. Este tipo de atracción determina las propiedades observadas. Si la atracción electrostática es fuerte, se forman sólidos cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor, como en el caso de NaCl, el punto de fusión también es menor y, en general, son solubles en agua e insolubles en líquidos no polares como el benceno.

Propiedades de los Compuestos Iónicos

1. Puntos de fusión y ebullición elevados.
2. Sólidos duros y quebradizos.
3. Baja conductividad eléctrica y térmica en estado sólido.

Solubilidad de los Compuestos Iónicos

Los disolventes polares hacen disminuir las fuerzas atractivas al interponerse las moléculas del disolvente entre los iones. Cada ion se rodea de moléculas de disolvente (solvatación). La solubilidad disminuye si aumenta la carga de los iones. Así, las sustancias formadas por metales del grupo IIA (alcalinotérreos) son menos solubles que las formadas por metales del grupo IA (alcalinos).

Electrolisis de los Compuestos Iónicos

Cuando un sólido iónico se disuelve en agua, sus iones componentes pueden moverse bajo la influencia de fuerzas eléctricas. Si estas son de signo opuesto, será posible entonces separar los aniones de los cationes presentes en la disolución. Esta separación de sustancias por medio de la electricidad es lo que Faraday denominó electrólisis.

Propiedades de los Metales

Los metales se caracterizan por tener una serie de propiedades físicas comunes: son sólidos en condiciones normales, brillo metálico, densidades altas, ductilidad y maleabilidad, buena conducción eléctrica y térmica, y capacidad para producir el efecto fotoeléctrico. La mayoría de los elementos metálicos presentan estructura cristalina; hay tres tipos de estructuras:

1. Empaquetamiento cúbico compacto
2. Empaquetamiento hexagonal más compacto
3. Empaquetamiento cúbico centrado en el cuerpo

Enlace Metálico: Teoría del Mar de Electrones

La estructura del metal puede considerarse formada por un conjunto de iones positivos fuertemente empaquetados y rodeados de los electrones de valencia que forman una especie de fluido electrónico llamado mar de electrones. Estos electrones se mueven fácilmente por el metal, lo que explica su gran conductividad eléctrica y térmica. Los iones que forman la red metálica son iguales, por lo que se mueven por todas las posiciones con facilidad. Esto explica la ductilidad y la maleabilidad de los metales frente a la fragilidad de los compuestos iónicos.

Teoría de las Bandas de Energía

La conductividad eléctrica se produce al aplicar un potencial eléctrico que aumenta la energía cinética media de los electrones. Esto hace que los electrones pasen a niveles de energía superiores, siempre que haya niveles vacantes. A los niveles energéticos o bandas, llenos o semilleros, se les llama banda de valencia, y a la banda vacía se le llama banda de conducción.

1. Conductores: Son los que tienen bandas vacías o semillenas y pueden hacer que los electrones salten a esas bandas.
2. Semiconductores: La diferencia de energía es pequeña; una excitación moderada basta para hacer pasar electrones de una banda a otra.
3. Aislantes: Si el incremento de energía es grande, la excitación necesaria no es accesible más que en condiciones extremas, y la sustancia no conduce, es un aislante.

Efecto de la Temperatura en la Conductividad

En los conductores, la conductividad decrece con el aumento de temperatura, porque al aumentar esta hacen que las vibraciones de los núcleos metálicos produzcan choques con los electrones y frenen su desplazamiento. En los semiconductores, la conductividad aumenta con la temperatura, pues es mayor el número de electrones que pueden pasar a la banda vacía al disponer de mayor energía para hacerlo.

Semiconductores p y n

Para obtener semiconductores a partir de aislantes, se debe sustituir átomos de un aislante por impurezas en una técnica conocida como dopaje del aislante. Si los orbitales de los átomos de las impurezas introducidas están llenos (de electrones), el semiconductor obtenido se denomina de tipo n. Por lo contrario, si están vacíos, son de tipo p.

1. Tipo n: Se añaden cantidades muy pequeñas de fósforo o arsénico al silicio cristalino; estos se incorporan a la propia estructura del silicio, y los orbitales de estos átomos contienen electrones que pueden pasar a la banda de conducción de los semiconductores.
2. Tipo p: Se añaden al silicio átomos de boro como dopaje; este roba un electrón al silicio, quedando un hueco positivo que puede llenarse con un electrón de un átomo de silicio contiguo y así a lo largo de todo el cristal.

Zona Prohibida y Rotura de un Aislador

La zona prohibida es la región de incremento de energía que, cuando es grande, la excitación necesaria no es accesible más que en condiciones extremas, y la sustancia no conduce, actuando como aislante. Únicamente si la diferencia de potencial es suficientemente elevada se consigue salvar la zona prohibida, y el material se hace conductor. Esto es lo que se llama ruptura del aislador.

Clases de Aleaciones

Las aleaciones se forman al fundir juntos dos o más metales. Se clasifican en los siguientes tipos:

• Simples mezclas
• Disoluciones sólidas
  • De sustitución
  • Intersticiales
• Compuestos o fases intermetálicas

Fuerzas de Van der Waals

Son fuerzas débiles y son las responsables de la atracción entre moléculas neutras y saturadas, lo que da lugar a los estados de agregación correspondientes (gas, líquido y sólido). Hay tres tipos:

• Fuerzas de dispersión o de London
• Fuerzas de orientación
• Fuerzas de inducción

Factores que Afectan la Intensidad de las Fuerzas de Van der Waals

Depende del tamaño molecular. Así, las moléculas grandes tienen los electrones más alejados y son más fáciles de polarizar. Por lo general, el tamaño va asociado con la masa molecular, lo que explica que las fuerzas de dispersión aumenten con la masa molecular.

Enlace por Puente de Hidrógeno

En compuestos hidrogenados, entre las moléculas, se forma un tipo especial de enlace, característico del átomo de hidrógeno, por lo que se llama puente de hidrógeno, en el cual el hidrógeno hace de punto de unión entre dos átomos muy electronegativos.

Moléculas Susceptibles al Enlace por Puente de Hidrógeno

Estos compuestos pueden formar asociaciones con otras moléculas que tengan un átomo dador de electrones, como cetonas, ésteres, amoníaco, etc. Este tipo de enlace tiene un papel muy importante en procesos biológicos, como las configuraciones de las moléculas biológicas fundamentales, como proteínas, ácidos nucleicos, etc., y que adoptan forma helicoidal.

Diferencia de Densidades entre el Hielo y el Agua Líquida

Para el caso del hielo, en el estado sólido, los enlaces se extienden a todo el cristal, estando rodeada cada molécula por otras cuatro, formando una geometría tetraédrica muy abierta. En el agua líquida, la estructura se deshace parcialmente, permitiendo un agrupamiento más compacto, lo que explica que el hielo tenga menor densidad que el agua.

Orden de Intensidad de Fuerzas Intermoleculares

Orden de menor a mayor intensidad de las fuerzas intermoleculares para F₂, Cl₂, N₂ y O₂:

• F₂ - 32
• Cl₂ - 70
• N₂ - 28
• O₂ - 64

Cl₂ < O₂ < F₂ < N₂. Cuanto más volumen, menor intensidad en las fuerzas intermoleculares.