Química: el estudio del cambio. Química: el estudio del cambio. Química: el estudio del cambio 1.0 INTRODUCCIÓN AL ESTADO SÓLIDO. Material?

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1 Química: el estudio del cambio 1.0 INTRODUCCIÓN AL ESTADO SÓLIDO. La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa*. Materia Mezcla Separación por métodos físicos Sustancia pura Mezcla Homogénea Mezcla Heterogénea Compuesto Elemento Propiedades físicas * Chang, R. Química, 9a. Ed., McGraw-Hill, 2007, pág.. 4 Química: el estudio del cambio Química; es el estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella. La química del estado sólido se ocupa de la síntesis, estructura y propiedades de los sólidos* * Atkins, et al, pág. 588 Química: el estudio del cambio La materia es todo lo que ocupa espacio y tiene masa*. Material? Es toda aquella sustancia (elemento o, más comúnmente, compuesto químico) que tiene un uso o una aplicación definida en base a sus propiedades físicas, sea eléctrica, magnética, óptica, térmica o mecánica o química (reactividad). 1

2 Introducción al estado sólido Química Propiedades a nivel molecular Ciencia de materiales Ingeniería de materiales Física Propiedades microestructurales Relación propiedades -estructura Diseño o proyección de estructuras, procesos y aplicaciones. Introducción al estado sólido Química de materiales; Poliméricos Estructurales Funcionales Cerámicos Arcillas Vidrios Refractarios Cementos Abrasivos Electro-cerámicos Ferro-eléctricos Piezo- Termo- Materiales petreos Perovskitas Magnéticas Electrónicas Fotónicas Zeolitas Catálisis Malla molecular Biocerámicos Hidroxiapatita Fosfato cálcico (Poroso) Introducción al estado sólido Química de materiales (Usos y perspectivas) Comunicaciones (fibras, láser) Energía (baterías, celdas) Transportación (superconductores) Construcción (materiales estructurados) Robótica Ambientales Sensores magnéticos Salud Informática y comunicación Magneto-óptica Fotónica Nanociencia Qué es el estado sólido? Estados de agregación de la materia (ocupa volumen y tiene masa). Plasma Gas Líquido Sólido Condensado Bose Einstein " Sólidos y líquidos son estados condensados de la materia 2

3 Qué es el estado sólido? Propiedades características de los gases, líquidos y sólidos Estado de la materia Gas Líquido Solido Volumen/forma Adopta el volumen y la forma de su contenedor. Tiene un volumen definido pero adopta la forma de su contenedor Tiene volumen y forma definida Densidad Baja Alta Alta Compresibilidad Muy compresible Ligeramente Virtualmente incompresible Movimiento de moléculas Libre Se deslizan entre si Vibra en posiciones fijas Qué es el estado sólido? Fuerzas intramoleculares Vs Fuerzas intermoleculares Fuerzas intra- e intermoleculares Fuerzas intramoleculares (iónico) El enlace iónico o electrovalente es la unión de átomos que resulta de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo; % Carácter iónico (Pauling) Energía reticular (Born Lande, Madelung) Ciclo de Bohr Haber Ley de Hess Reglas de Fajans % C.I. 100 * 1 exp 0.25 * 2 P 3

4 Fuerzas intramoleculares (covalencia) Efecto; Estérico Inductivos Resonancia Hiperconjugación. S.--Y. Liu (2011), J. Chil. Chem. Soc., 56, 535 Ión - ion Ión - dipolo Tipo de fuerza Ión dipolo inducido Dipolo dipolo (Keeson) Dipolo dipolo inducido (Debye) Dipolo inducido dipolo inducido Dipolo instantáneo - dipolo inducido (de dispersión o de London) Puente de hidrógeno Electrostática (Coulomb) Fzas de Van der Waals Tipo de fuerza Ión - ion Ión - dipolo Ión dipolo inducido Dipolo dipolo (Keeson) Dipolo dipolo inducido (Debye) Dipolo inducido dipolo inducido Factor responsable Red cristalina (Energía Reticular) Entalpía de solubilidad Entalpía de solubilidad Momento dipolar Momento dipolar y polarizabilidad Polarizabilidad (dipolo dipolo) H 2 O (s) (puente de hidrógeno) Dipolo instantáneo - dipolo inducido (de dispersión o de London) E Puente de hidrógeno Keeson r E Polarizabilidad Interacc H - - átomos muy electronegativos r r Deby e ELondon 6 6 I 2 + H 2 O (dipolo dipolo inducido) 4

5 Qué tipo de interacciones están presentes en el solido? Gas T ebull ( C) Helio -269 Neón -246 Argón -186 kriptón -152 Xenón -108 Radón -62 Moléculas monoatómicas Estado solido metálico Qué es un metal? Son elementos químicos que son; Maleables (se trabajan bien en hojas) Dúctiles (se pueden convertir en alambres delgados) Conductores eléctricos ( mar de electrones ) Color (brillo) característico Electropositivos El enlace es; Poco direccional, lo que explica la tendencia de los átomos de un metal a rodearse del mayor número posible de otros átomos. Empaquetamiento compacto : empaquetamientos en los que los átomos ocupan el volumen total más pequeño, dejando el mínimo espacio vacío. (alta densidad) Sustancia Tsubl. ( C) Hielo seco (CO 2 ) -78 I 2 15 Naftaleno (C 10 H 8 ) 20 Alcanfor (C 10 H 16 O) 25 Cafeína 178 Hielo seco, CO 2 (Tsubl; -78 C) CO2_150K.cif A. Simon, K. Peters (1980), Acta Cryst. B, 36,

6 I 2 (Tsubl; 15 C) Naftaleno (Tsubl; 20 C) I.pdb J. Monteath Robertson, Proc. Roy. Soc. London A, 142 (847), 674 (1933) Douglas, B. E.; Ho, Sh-M. (2007). Structure and Chemistry of Crystalline Solids. Springer, p. 288 Alcanfor (Tsubl; 25 C) Cafeína (Tsubl; 178 C) cmpd_n.cif M. Brunelli, A. N. Fitchci, A. J. Mora, J. Solid State Chem., 163, 253 (2002) Ortep plot (50% ellipsoids) of 2 with atomic labeling scheme. caffeine1.cif G. D. Enright, et al., Crystal Growth & Design, 7 (8), 2007,

7 Cafeína (Tsubl; 178 C) Diagramas de Fases CO 2 Diagrama de fases del agua (H 2 O) y del hielo a altas presiones G. D. Enright, et al., Crystal Growth & Design, 7 (8), 2007, 1406 Ortep plot (50% ellipsoids) of 2 with atomic labeling scheme. Tomado de; José Luis Córdova Frunz, La química y la cocina (La ciencia para todos), FCE, 1996 ( sec_6.html) Tipos de interacción intermolecular Fuerzas de atracción intermolecular Tipo de fuerza Magnitud Relativa Iónico kj/mol Covalente kj/mol Factor responsable Red cristalina localizado LiF Ejem. C (diamante) Ión-dipolo Entalpía de solubilidad NaCl H 2 O Dipolo dipolo (Keeson) kcal Momento. dipolar H 2 O HCl Dipolo dipolo inducido (Debye) > 2 kcal Mom. Dipolar y polarizabilidad H 2 O I 2 Dipolo inducido dipolo inducido > 1 kcal Polarizabilidad N 2 liq Qué es el estado sólido? Propiedades características de los gases, líquidos y sólidos Estado de la materia Gas Líquido Solido Volumen/forma Adopta el volumen y la forma de su contenedor. Tiene un volumen definido pero adopta la forma de su contenedor Tiene volumen y forma definida Densidad Baja Alta Alta Compresibilidad Muy compresible Ligeramente Virtualmente incompresible Movimiento de moléculas Libre Se deslizan entre si Vibra en posiciones fijas Dipolo instantáneo - dipolo. inducido (de dispersión o de London) > 1 kcal Polarizabilidad He, Ne, H 2, N 2, O 2, O 3, CO 2 Puente de hidrógeno kcal Interacc H - - átomos muy electronegativos NH OH 2 7

8 Tipo de ordenamiento Cristalino Amorfo Tipo de enlace Iónico Covalente Redes covalentes o moleculares Metálico Tipo de ordenamiento Cristalinos Amorfos Características Poseen rigidez y orden de largo alcance ( 100 nm), es decir, las partículas que lo constituyen ocupan posiciones especificas Sus moléculas carecen de disposición definida, orden de corto alcance. Ejemplos Sales inorgánicas, metales, Vidrio, fosforo rojo, azufre amorfo Cristalinos, poseen rigidez y orden de largo alcance ( 100 nm), es decir, hay posiciones especificas de las partículas que lo constituyen. NaCl, Azúcar. Amorfos, redes con arreglo irregular a largo alcance. Vidrio, polietileno, nylon, fosforo rojo, azufre amorfo. Tipo de enlace Tipos de sólidos Iónicos Covalentes Redes covalentes o moleculares Metálicos Unidad estructural Iones negativos y positivos Redes infinitas bi o tridimensionales Moléculas Átomos metálicos con electrones deslocalizados Propiedades generales Duros, quebradizos, puntos de fusión alto, mala conductividad eléctrica como sólidos pero buena en solución o fundidos, a menudo solubles en agua Amplio intervalo de dureza y puntos de fusión, mala conductividad eléctrica, con algunas excepciones. Puntos de fusión y ebullición de bajos a moderados, blandos, mala conductividad eléctrica como sólidos y líquidos. Maleables, dúctiles, buena conductividad eléctrica y térmica, amplio intervalo de dureza y de puntos de fusión, brillo característico, alta densidad. 8

9 Tipo de enlace Tipos de sólidos Iónicos Covalentes Redes covalentes o moleculares Metálicos químico iónico covalente Fuerzas intermoleculares metálico Características Atracción Coulombica (electrostática) entre iones, energía cohesiva grande (2-4 ev/ átomo). localizado fuerte con estructuras de capa cerrada estables, energía cohesiva grande (4-7 ev/átomo). Fuerzas de dispersión, dipolo dipolo, dipolo dipolo inducido, dipolo ind. dipolo ind., dipolo inst. dipolo inducido y/o puente de hidrógeno. Atracción Coulombica entre iones (+) de la red y un gas ( ) de electrones de valencia (movimiento libre a través de la red). Energía cohesiva pequeña (1-4 ev). Tipos de cristales y propiedades generales Tipos de cristal Iónicos Covalentes Redes covalentes o moleculares Metálico Unidad estructural Iones negativos y positivos Redes infinitas bi o tridimensionales Moléculas Átomos metálicos Fuerza que mantiene unida a las unidades Atracción electrostática covalente Fzas de dispersión, dipolo-dipolo, puente de hidrogeno. químico Iónico Covalente Fzas intermoleculares Propiedades generales Duros, quebradizos,. Amplio intervalo de dureza. Blandos, mala conductividad.. metálico Metálico Maleables, dúctiles,. Ejemplos NaCl, LiF, MgO, CaCO 3 C(diam), SiO 2 (cuar zo) Ar, CO 2, I 2, H 2 O (s), C 12 H 22 O 11 (sacarosa) Na, Mg, Fe, Cu 9