Propiedades de los sólidos

La naturaleza de un sólido

Las moléculas de todas las sustancias se atraen unas a otras. Si las fuerzas de atracción entre las partículas (átomos y moléculas) son lo bastante fuertes, éstas quedaran sujetas fuertemente formando una red o patrón. Esto es lo que llamamos sólido. Es aparente que un sólido no puede fluir como un líquido; la única forma en que se pueden mover las partículas de un sólido es por vibración. Por eso, un sólido es una sustancia (porción de materia) que tiene una forma y volumen fijos (cuando la temperatura sea constante).

El estado sólido de los cuerpos se caracteriza porque la fuerza de cohesión molecular es mayor que la de expansión, de esto se derivan las siguientes propiedades:

Tienen forma definida. Las moléculas son rígidas, no fluyen, que sus desplazamientos son mínimos debido a que la fuerza de cohesión es mayor a la de expansión, y por eso la forma de los sólidos es siempre constante.

El volumen es constante. Las moléculas de los sólidos se encuentran unidas por fuertes fuerzas de atracción por lo que poseen movimientos vibracionales, en consecuencia, su volumen a temperatura ambiente es constante. Cuando la temperatura aumenta existe una pequeña variación de volumen, conocida como dilatación térmica.

Son incompresibles. Debido a que las moléculas se encuentran muy juntas, los espacios intermoleculares se han reducido al mínimo, no existe posibilidad de que los sólidos se compriman.

No se difunden. Esto se debe a que las moléculas no poseen movimiento de desplazamiento, su energía cinética es mínima, el movimiento es vibratorio alrededor de puntos fijos.

Cuando un sólido es expuesto al aumento de temperatura, o variaciones bruscas de presión, este puede volverse líquido, este cambio de estado se conoce como fusión.

Fusión

La fusión es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado sólido al estado líquido por la acción del calor.

El proceso de fusión es el mismo que el de fundición, pero este término se aplica generalmente a sustancias como los metales, que se licuan a altas temperaturas.

La temperatura en la que el sólido se convierte en líquido se conoce como punto de fusión; este valor es constante y específico en cada sustancia, el cambio de sólido a líquido no solo se da por aplicación de calor sino que también por la variación de presión.

Cuerpos puros

Temperatura de fusión / solidificación (°C)

Temperatura de ebullición / licuefacción (°C)

Agua 0 °C 100 °C

Ciclohexano 6 °C 81 °C

Mercurio -39 °C 357 °C

Hierro 1535 °C 2750 °C

Si las condiciones de presión exterior se mantienen constantes, el cambio de fase se verifica a una temperatura fija o punto de transición entre ambos estados, que se mantiene constante hasta que el sólido se ha fundido totalmente.

Estructura de los sólidos

Un sólido podría ser imaginado como un armazón de átomos, cada uno localizado en un pequeño espacio dentro del cual solo puede tener un ligero movimiento de vibración, y unido a su vecino por fuerzas de naturaleza eléctrica. Dichas fuerzas son las llamadas fuerzas de cohesión o enlaces, entre ellas se encuentran:

o Los enlaces de Van der Waals: se explican admitiendo que los núcleos (positivos) de

cada molécula atraen a los electrones (negativos) de las cortezas de otras moléculas.o El enlace iónico: uno de los átomos cede uno o varios electrones a otro, creándose así

partículas cargadas (iones) opuestamente, con una fuerza de atracción muy grande, lo que explica los puntos de fusión tan elevados de este tipo de compuestos.

o El enlace covalente: un átomo comparte uno o varios electrones con otro, lo cual le da

a la sustancia una dureza extraordinaria. o El enlace metálico: mantiene unido a los átomos de metales por medio de los cationes

con los electrones de valencia.

Tipos de Sólidos

La unión de los átomos según las fuerzas mencionadas, sobre todo las tres últimas, produce una ordenación regular de forma que las partículas ocupan los nudos de una red paralelepipédica (un poliedro de seis caras o hexaedro, en el que todas las caras son paralelogramos, y paralelas e iguales dos a dos. Este poliedro es un cuerpo geométrico cuyas caras son planas y encierran un volumen finito).

1) Si esta ordenación se manifiesta visiblemente como un poliedro, entonces se dice que el sólido está cristalizado.

2) Si las partículas están ordenadas, pero el exterior es irregular, entonces el sólido es cristalino.

3) Si en un cuerpo de apariencia sólida, la posición de los átomos carece de toda ordenación, más que llamarse estado sólido, se le denomina estado vítreo (cuerpos parecidos al vidrio respecto a sus propiedades).

Sistemas cristalinos

Las primeras teorías para explicar la estructura cristalina de los minerales, luego extendidas a los sólidos, fueron ideadas por los franceses Haüy y Bravais, y se basaban en la observación de las maneras de fragmentarse de los minerales.

Teoría de Bravais

Bravais propuso la teoría reticular según la cual las partículas de los cristales (iones, átomos y moléculas) deben estar colocadas en los nudos de una red paralelepipédica.

En 1912, el físico alemán Laue hizo pasar rayos X a través de cuerpos cristalizados recogiendo en una placa fotográfica la imagen resultante. Estos rayos sufren la difracción (dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo) y las interferencias como si atravesaran una red reticular de difracción. Por tanto los cristales deberán tener una estructura reticular (conocida también como red cristalina).

Así se confirmo la teoría de Bravais, al mismo tiempo que se demostró la naturaleza de la luz. Estas fotografías se llaman of lauegramas y permiten conocer perfectamente la distribución de las partículas del cristal así como sus distancias.

Red cristalina

De la confirmación de la teoría de Bravais, se concluyo que los cristales tienen en verdad, estructura reticular en forma de red paralelepipédica, y esta estructura se llama retículo cristalino o red cristalina.

Celda unitaria

Cada red puede considerarse formada por un paralelepípedo fundamental que se repite indefinidamente en las tres direcciones del espacio y que tiene una partícula en cada vértice. A este paralelepípedo se llama celda unitaria, que viene a ser como la célula de los cuerpos cristalinos.

Elementos de un cristal

Al ser cuerpos geométricos, los cristales poseen elementos:

Reales: Aquellos de fácil observación y medición, dan la forma geométrica al cristal.

Caras: superficies planas que limitan al cristal. Aristas: líneas formadas por la intersección de dos caras. Vértices: puntos formados por la unión de aristas. Ángulo diedro: ángulo formado por dos caras. Ángulo poliedro: ángulo formado por tres caras.

Imaginarios: aunque no son visibles, determinan las propiedades y comportamientos de los cuerpos paralelepipédicos, en este caso, las redes cristalinas.

Centro de simetría: punto ubicado en el centro del cristal. Plano de simetría: plano que divide al cristal en dos partes iguales. Ejes de simetría: líneas rectas que pasan por el centro de simetría.

Estructuras cristalinas

Tomando en cuenta los elementos de los que depende la forma del cristal, las redes cristalinas pueden poseer diferentes estructuras tales como:

Unidad fundamental Sistemas de aristas

Ejes Tipo de ángulos Ejemplo

Cúbicas 3 ejes iguales Todos ángulos rectos

NaCl

Tetragonales 2 ejes iguales Todos ángulos rectos

SnO₂

Rómbicas 3 ejes desiguales Todos ángulos rectos

BaSO₄

Monoclínicas 3 ejes desiguales 2 rectos y 1 diferente

KClO₃

Triclínicas 3 ejes desiguales Sin ángulos rectos CuSO₄

Hexagonales 3 ejes iguales, 3 ejes desiguales ∡120o entre ejes SiO₂

Características de los sólidos cristalinos

Además según los nodos que ocupan en la red cristalina, los cristales dependen del enlace entre sus átomos y moléculas, por eso existen diferentes tipos de sólidos cristalinos.

Iónicos: se caracterizan porque sus redes cristalinas están formadas por cationes y aniones unidos por fuerzas electrostáticas (ClNa). Tienen puntos de fusión elevados, son solubles en agua y conducen la electricidad cuando se encuentra en una disolución acuosa.

Cristales iónicos: NaCl, CaF₂, K₂S, MgO

Moleculares: las unidades que se repiten en la red cristalina son átomos o moléculas neutras (I2). Tienen bajos puntos de fusión, son solubles en disolventes no polares y no conducen la electricidad.

Cristales moleculares: I₂, SO₂, HF, NH₃

Covalentes: los átomos que forman la red se unen mediante enlaces covalentes y no forman moléculas discretas (diamante). Tienen puntos de fusión muy elevados, son insolubles en la mayoría de los disolventes comunes y no son conductores.

Cristales covalentes: diamante, grafito

Metálicos: formados por cationes metálicos rodeados de electrones móviles (Fe, Na). Tienen puntos de fusión elevados, son insolubles en el agua y la mayoría de los disolventes orgánicos y son buenos conductores.

Cristales metálicos: AL, Cu, Ca, Pb, Zn, Na

Fusión a nivel molecular

Recordando que el cambio de estado sólido a líquido se llama fusión, se puede observar que la fusión afecta la estructura cristalina del sólido, destruyéndola obligando al sólido a cambiar de estado.

A nivel molecular la fusión se produce como consecuencia del derrumbamiento de la estructura cristalina. El incremento de temperatura da lugar a un aumento en la amplitud de las vibraciones de las partículas en la red, que termina por romper los enlaces y producir la fusión. Una vez que se alcanza la energía de vibración correspondiente a la temperatura de fusión, el calor recibido se emplea en romper nuevos enlaces, de ahí que se mantenga constante la temperatura durante el proceso.

Bibliografía

Información consultada de:

I. Química Curso Preuniversitario Francisco Valls-Javier Ascacibar-Constantino Marcos

II. Química General Tomo 2 Armendáris Editorial DIMAXI S.A.

III. Química general e inorgánica Héctor Fernández Serventi Losada S.A. Buenos AiresIV. Física y Química Canals Francesc Argos Vergara Barcelona

Imágenes extraídas de:

Química Curso Preuniversitario Francisco Valls-Javier Ascacibar-Constantino Marcos http://www.google.com/imghp?hl=es http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiageneral/ggcap02b.htm http://www.agapea.com/Quimica-General-cn491p1i.htm http://www.slideshare.net/pacocuestal/estructuras-de-solidos http://www.agapea.com/libros/QUiMICA-LA-CIENCIA-BaSICA-isbn-8497323475-i.htm