tema3xestructura de los solidos
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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
7Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones
sólidos cristalinos: imagen de la superficie de un cristal de níquel
8Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones
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
Cristales líquidos (2)
� 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
10Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones
Cristales líquidos (3)
� Ejemplos de moléculas de cristales líquidos:
11Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones
Cristales líquidos (4)
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. Redes atómico-moleculares
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
Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 151515
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. Redes atómico-moleculares
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)
Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 181818
(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
20Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones
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
Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 25Ref.: Petrucci
Cuando se comparan sustancias de PM semejante, las fuerzas dipolo-dipolopueden producir diferencias importantes en las propiedades.
Fuerzas de Van der Waals. Comparativa
Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 26Ref.: Petrucci
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
31Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones
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
34Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11Ref.: Atkins-Jones
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
Química Inorgánica - ETSI Curso 10/11 353535
� 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