Energía de red cristalina

Transcripción

1 ENLACE IÓNICO

2 Enlace iónico Un enlace iónico se refiere a la interacción electrostática entre cargas positivas y negativas (cationes y aniones). El enlace ocurre entre átomos con una marcada diferencia en electronegatividades.

3 Energía de red cristalina Ecuación de Born Landé U = N AAZ + Z e 2 4πε 0 d n N A (N) = Número de Avogadro d 0 = radio del catión mas radio del anión en picómetros pm (r + +r - ) Z = carga del anión o del catión A = constante de Madelung ε 0 = permitividad en el vacío e = carga fundamental del electrón n = Factor de Landé

4 Ecuación de Born-Landé Na + r Cl - Ecuación de Coulomb Red de NaCl

5 Red teórica unidimensional Atractiva Repulsiva d 0 2d0 Atractiva 3d 0 La energía de red será 2*2ln 2 (1.386) veces más grande que la atracción entre un carga (+) y una ( ).

6 Red tridimensional Si se consideran las fuerzas atractivas y repulsivas en una red, hay una constante que multiplicada por la fuerza describe las interacciones de la red. Constante de Madelung (A) Lattice = Arreglo cristalino CN (coordination number) = átomos que rodean al ión (catión, anión)

7 considerando la energía repulsiva de los electrones de capas llenas (core) E repulsión = 1 NB 4πε 0 d n U = E coulomb + E repulsión = 1 NAZ + Z e 2 4πε 0 d + 1 NB 4πε 0 d n U = 1 NAZ + Z e 2 4πε 0 d + NB d n

8 En equilibrio; d=d 0 du dd 0 = 0 du = 1 NAZ + Z e 2 dd 0 4πε 0 (d 0 ) 2 + NB d 0 n+1 = 0 B = NAZ +Z e 2 d 0 n 1 4πε 0 n Ecuación de Born-Landé U = NAZ +Z e 2 4πε 0 d n

9 Ecuación de Kapustinskii Z c = Carga del catión Z a = Carga del anión r c = radio del catión (pm) r a = radio del anión (pm) m = Número de iones en la fórmula

10 Calculo de la energía de red del NaCl por el método de Born -Haber Energía de formación (-) Energía de atomización Na g Na(s) - H at = -92 KJ/mol (-) Energía de disociación Cl g 1 2 Cl 2 (g) - H dis = -121 KJ/mol (-) Energía de ionización 1e + Na + g Na(g) -EI = -496 KJ/mol (-) Afinidad electrónica Cl g Cl g + 1 e AE = 349 KJ/mol Energía de red (U 0 ) Na + g + Cl g NaCl(s) U 0 = -771 KJ/mol

11 Ciclo de Born Haber Na + (g) + Cl (g) -EI = -496 KJ/mol Cl (g) + Na (s) - H dis = -121 KJ/mol Na (s) + ½ Cl 2 (g) AE = 349 KJ/mol U 0 = -771 KJ/mol Na (g) + Cl (g) H f = -411 KJ/mol Cl (g) + Na (s) - H at = -92 KJ/mol NaCl (s)

12 Carácter iónico o covalente de un enlace L. Pauling estimó el caracter de un enlace entre dos átomos (A y B) con la relación de electronegatividades de los átomos. Carácter Iónico = 1 e 1 4 (χ A χ B ) *El tipo de enlace está estudiado para sólidos generalmente

13 Dif. de electronegatividad Triangulo de Ketelaar CsF Iónico Cs Metálico Covalente F 2 Electronegatividad

14 Son sólidos que forman redes cristalinas cuyos enlaces tienen características de covalentes, iónicos e incluso un poco de metálicos. Generalidades: Tienen puntos de fusión altos No conducen la corriente eléctrica en estado sólido, son aislantes Son malos conductores de calor Frágiles Resistentes a la compresión mas que a la tensión Poco reactivos Pueden ser transparentes Nota: Hay excepciones para cada una de estas generalidades, por lo que es importante tomarlas sólo como una característica que pueden o no tener los materiales cerámicos.

15 Mismo elemento Combinación de elementos Enlaces covalentes Mezcla de enlaces covalentes y iónicos Ejemplos: Diamante (C) Grafito (C) Azufre (S) Fósforo (P) Ejemplos: Cuarzo (SiO 2 ) Magnetita (Fe 2 O 3 ) Calcita (CaCO 3 ) Rubí (Al 2 O 3 : Cr)

16 Estructura tridimensional de enlaces covalentes Cada carbono se rodea de 4 átomos de carbono unidos fuertemente. Alta conducción térmica (fonones) Alta dureza No conduce la corriente eléctrica (aislante) Estable químicamente Incoloro Estructura bidimensional de enlaces covalentes Cada carbono se une a 3 átomos de carbono fuertemente. Conduce la corriente eléctrica y térmica (electrones) Sólido blando, capaz de formar láminas. Buen conductor térmico

17 , componentes conductores en resistores (Bi 2 Ru 2 O 7 ), Electrodos para hornos de fusión (SnO 2 ), Ladrillos para hornos (SiO 2 ), Capacitores de chips (PbMgNb 2 O 7 )., cintas grabadoras ( -Fe 2 O 3 ), Magnetos permanentes en altavoces (BaFe 12 O 19 ), Fibras ópticas (SiO 2 dopado), Pantallas fluorescentes para microscópios electrónicos ((ZnS,CdS dopado)., Abrasivos para pulir (SiC), Componentes de motor (Si 3 N 4 )., Paquetes para circuitos integrados (Al 2 O 3 y AlN), Vidrio pyrex (SiO 2 con impurezas de boro).

18 Vidrio (SiO 2 amorfo) El silicio al ser muy abundante en la corteza terrestre, forma una gran variedad de compuestos con el oxígeno, lo que se conoce como silicatos. En la forma cristalina del cuarzo, se utiliza de muchas maneras, desde aislante térmico y eléctrico hasta como fibra óptica. Cuarzo (SiO 2 ) Enstatita (MgSiO 3 )

19 Son sólidos que presentan un momento dipolar en la ausencia de un campo eléctrico. La dirección del momento dipolar puede ser cambiada imponiendo un campo eléctrico alterno. Son utilizados como capacitores. SrTiO 3

20 Son materiales que tienen una diferencia pequeña entre la banda de conducción y la banda de valencia. Para que los electrones puedan transportarse, se tienen que generar electrones o agujeros que permitan el paso de la corriente: Excitación de los electrones a la banda de conducción. Introducción de impurezas (dopantes). Sustitución de átomos en semiconductores no estequiométricos. El silicio es ocupado como semiconductor en los dispositivos electrónicos

21 Se obtienen semiconductores con diferentes características al agregar impurezas. Si tienen una deficiencia de electrones con respecto a la matriz se les conoce como de tipo p. Si tienen un incremento en el número de electrones de valencia con respecto a la matriz serán de tipo n.

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23 Componentes Cemento portland % Cemento puzolánico % Escoria de alto horno % Cemento aluminoso % CaO (cal): 68,92 66,97 50,38 41,72 SiO 2 (sílice): 21,10 24,56 34,54 7,14 Al 2 O 3 (alúmina): 7,17 1,84 13,90 14,21 Fe 2 O 3 (óxido férrico): 2,81 6,63 1,09 6,93 Total : 100,00 100,00 100,00 100,00

24 Trituración de las materias primas. Calentamiento a 1400 C. Formación de clinkers Molienda Se agrega yeso como regulador en la parte del fraguado. Materias Primas: CaCO 3 SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO Reacciones: CaCO3 CaO + CO 2 Formación de 3CaO SiO 2, 2CaO SiO 2, 3CaO Al 2 O 3, 2CaOFe 2 O 3. Se agrega CaSO 4 a la mezcla final Cemento Portland: 69% CaO 21% SiO 2 7.2% Al 2 O 3 2.8% Fe 2 O 3 Trazas de MgO

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26 CEMEX: Cemento Gris Portland Tradicional Cemento Blanco Bajo en yeso y óxido de hierro (Fe 2 O 3 ) Mortero Alto en óxido de calcio. Además: Cemento portland de bajo calor de hidratación (seco o semiseco) (contenido bajo de CaO y alto de Ca(OH) 2 ) De elevada resistencia inicial alto contenido de clinkers, silicatos de calcio. Resistente a los sulfatos bajo contenido en aluminatos de calcio. Con aire ocluido Con partículas que generan aire en el cemento (poroso)

27 El fraguado consiste en agregarle al cemento grava (o materiales que le den consistencia) y agua. A partir de esta mezcla se forma un material con cierta plasticidad que permite darle forma Conforme se forman nuevos compositos y se seca, esta se endurece tomando una forma de roca, lo que se conoce como concreto.

28 Si se tiene un alto contenido en CaO, el fraguado ocurre de manera exotérmica, es decir que se calienta mucho por la generación de Ca(OH) 2. Proceso inicial: Al mezclar el cemento y yeso con agua, se forma un compuesto conocido como ettringuita, el cual es el responsable del endurecimiento del cemento. 3 CaO Al 2 O CaSO H 2 O 3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 H 2 O

29 2 3CaO SiO2 + 6 H 2 O 3CaO 2SiO 2 H 2 O + 3 Ca OH 2 2 2CaO SiO2 + 4 H 2 O 3CaO 2SiO 2 H 2 O + Ca OH 2 3CaO Al 2 O 3 + Ca OH H 2 O 4CaO Al 2 O 3 13H 2 O 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 + 4Ca OH H 2 O 4CaO Al 2 O 3 13H 2 O + 4CaO Fe 2 O 3 13H 2 O Monosulfato: Compuesto del que se compone el cemento duro 2 3CaO Al 2 O 3 + 3CaO Al 2 O 3 3CaSO4 13H 2 O + 4H 2 O 2(3CaO Al 2 O 3 CaSO4 12H 2 O)

30 Si el cemento tiene como materia prima Ca(OH) 2 en su composición, éste puede reaccionar con el CO 2 para formar carbonato de calcio, el cual puede funcionar como parte de la mezcla dura del cemento. Generalmente utilizado en cementos tipo mortero. Ca OH 2 + CO 2 CaCO 3 + 2H 2 O