Experimento # 1

Estructuras Iónicas

Integrantes:

Resumen

En esta experiencia tuvo como objetivo principal usar las representaciones tridimensionales para visualizar los diferentes tipos de agujeros típicos (tridimensionales, tetraédricos y octaédricos) y los principales empaquetamientos (simple, cubico y hexagonal). En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los elementos que se repiten son átomos o iones enlazados entre sí, de manera que generalmente no se distinguen unidades aisladas; estos enlaces proporcionan la estabilidad y dureza del material. En los materiales orgánicos se distinguen claramente unidades moleculares aisladas, caracterizadas por uniones atómicas muy débiles, dentro del cristal. Son materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.

La estructura cristalina describe la ordenación de átomos o moléculas en un cristal. La estructura de muchos sólidos se puede describir considerando que proceden de empaquetar (o, lo que es lo mismo, colocar lo más próximas posible) esferas. Estas esferas representan a los átomos, iones o moléculas sencillas, que forman la estructura del sólido. Es un sistema muy sencillo que da resultados razonablemente buenos. (En línea)

Palabras claves

Celda Tridimensionales Estructuras inorgánicas Empaquetamiento Hexagonal Empaquetamiento Cubico Empaquetamiento simple Simetría

Objetivos

Usar representaciones tridimensionales para visualizar los diferentes tipos de agujeros típicos (trigonales, tetraédricos y octaédricos) y los principales tipos de

empaquetamientos (simples, cubico y hexagonal) que presentan las estructuras cristalinas.

Marco TeóricoLa estructura de los cristales representa la disposición más estable de los iones, los factores que la determinan: Tamaño de los iones, Condición de neutralidad.La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y se empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de

repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.Según callister, (2007)1 “Una estructura cristalina es el modo en que los átomos o iones están ordenados en el espacio en los materiales cristalinos”.Los sólidos pueden clasificarse:1.- Por su ordenación:1a. Sólidos amorfos: tienen una estructura desordenada. Sus átomos o moléculas se colocan de manera aleatoria (Ejemplo: el vidrio)1b. Sólidos cristalinos: Están constituidos por una ordenación tridimensional de unidades muy bien definida, formando cristales.2.- Por su composición y enlace: 1a. Sólidos moleculares: están formados por moléculas1b. Sólidos covalentes no moleculares:Con enlaces localizados (diamante, SiO2)Con enlaces deslocalizados (metales)1c. Sólidos Iónicos (NaCl). La estructura de muchos sólidos se puede describir considerando que proceden de empaquetar (o, lo que es lo mismo, colocar lo más próximas posible) esferas. “Estas esferas representan a los átomos, iones o moléculas sencillas, que forman la estructura del sólido. Es un sistema muy sencillo que da resultados razonablemente buenos”. (“Universidad de Virginia”, 2003)2

“Según la posición de los átomos en los vértices de la celda unitaria de la red cristalina existen:a) Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad.

b) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de la celda. c) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. d) Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más”. (Villalba, s.f)3

El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, donde las correlaciones internas son mayores. Esto se refleja en sus propiedades antrópicas y discontinuas. Suelen aparecer como entidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando están bien formados. No obstante, su morfología externa no es suficiente para evaluar la denominada cristalinidad de un material.

La esfera de coordinación primaria en un complejo está formada por los ligandos que se encuentran directamente unidos al centro metálico.El número de ligandos de la esfera de coordinación primaria se conoce como número de coordinación”.

Materiales y reactivos

Tabla # 1. Materiales

Materiales Descripción

1. bolsa de esferas de poliestireno

30 mm dediámetro

Octaedro de papel grueso

--------------

Tetraedro de papelgrueso

--------------

1.bolsa de canicas Representarlos hoyos

1. pistola parasilicón

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Cilindros de silicón

Cinta Adhesiva ---------------

tijera ---------------

Fase Experimental

Resultados

Cuando las estructuras están formadas por dos o más tipos de átomos unidos por enlace iónico, puro o combinado con otros (que es lo más frecuente), los poliedros de coordinación estarán en función de la relación de sus radios. Además, existen ciertos principios generales

que regulan esta coordinación entre iones que son las denominadas Reglas de Pauling. 

No obstante, la materia no es totalmente ordenada o desordenada (cristalina o no cristalina) y nos encontramos una gradación continua del orden en que está organizada esta materia (grados de cristalinidad), en donde los extremos serían materiales con estructura atómica perfectamente ordenada (cristalinos) y completamente desordenada (amorfos).

Coordinación de los iones:

Cuando las estructuras están formadas por dos o más tipos de átomos unidos por enlace iónico, puro o combinado con otros (que es lo más frecuente), los poliedros de coordinación estarán en función de la relación de sus radios. Los principios generales que regulan esta coordinación entre iones son las denominadas Reglas de Pauling: 

La primera regla de Pauling establece que en una estructura cristalina iónica, la distancia catión-anión es la suma de los radios de los dos iones y el número de coordinación está determinado por la relación de los radios del catión con respecto al anión.

La segunda regla de Pauling o Principio de la valencia electrostática  determina que en una estructura de coordinación estable, la fuerza total

Estructuras Iónicas

Seguir las instrucciones del profesor y construir los diferentes empaquetamientos.

Localizar los diferentes tipos de huecos octaédricos y tetraédricos.

de los enlaces de valencia que unen al catión con los aniones que lo rodean es igual a la carga del catión. La fuerza relativa de cualquier enlace en una estructura iónica puede determinarse dividiendo la carga total de un ión entre el número de vecinos más próximos a los cuales está unido.

La tercera regla de Pauling dicta que la existencia de aristas y en especial de caras comunes entre poliedros hace disminuir la estabilidad de las estructuras coordinadas.La cuarta regla de Pauling determina que en un cristal que contiene diferentes cationes los que tienen gran valencia y pequeño número de coordinación tienden a no compartir entre sí elementos poliédricos.

La quinta regla de Pauling o Ley de la parsimonia establece que el número de partículas estructurales diferentes dentro de una estructura tiende a un límite. (En línea)

Discusión

Cuando los metales se solidifican a partir de un estado líquido, los átomos se organizan en varias configuraciones ordenadas, llamados cristales. El grupo más pequeño de átomos que muestra la estructura de red características de un metal particular se conoce como celda unitaria. “La celda es la unidad más pequeña de la estructura que se repite y que lleva toda la información necesaria

para construir sin ambigüedad una red infinita”. (Housecroft & Sharpe, 2006)

Un sólido cristalino puede representarse por medio de un arreglo tridimensional de puntos conocidos como red cristalina. Cada punto de la red se conoce como punto de red, y representa un entorno idéntico dentro del sólido.Cada celda unitaria puede describirse mediante las longitudes de las aristas de la celda y por los ángulos entre las aristas.Los tres arreglos atómicos básicos son Cúbica primitiva, Cúbica centrada en el cuerpo y Cúbica centrada en las caras.

Cúbica primitiva: es cuando los puntos de red se encuentran sólo en las esquinas.

Cúbica Compacta: Se trata de un empaquetado ABC en el que la tercera capa cubre los huecos de la primera que no han sido cubiertos por la segunda. La red basada en el ECC es una red cúbica centrada en las caras. (BROWN, T. L)

Cúbica Compacta Hexagonal: Se trata de un empaquetado ABA en el que la tercera capa ocupa exactamente la misma posición que la primera, constituyendo las estructuras más compactas o densas posibles.Es una estructura característica de muchos metales como el oro, plata, plomo y entre otros.

Estos son algunos de los metales que utilizan cada uno de estos arreglos:

1. cubico centrado en el cuerpo: hierro alfa, cromo, molibdeno, tantalio, tungsteno y vanadio.

2. Cúbico centrado en la cara: hierro gama, aluminio, cobre, níquel, plomo, plata, oro, platino.

3. Hexagonal Compacto: berilio, cadmio, cobalto, magnesio, titanio alfa, zinc y circonio.

Los empaquetados cúbicos y hexagonal poseen una característica muy importante:

"la disposición regular de sus posiciones atómicas determina la existencia de posiciones interatómicas con un número de coordinación fijo y determinado".

Así, según los intersticios que surgen de las secuencias compactas de empaquetamiento (cúbico compacto o hexagonal compacto), que aparecen, fundamentalmente, en coordinación tetraédrica (coordinación 4) y octaédrica (coordinación 6), estén ocupados total o parcialmente por cationes, se originarán diferentes tipos de estructuras básicas. En una red cúbica de caras centradas originada por un  empaquetado cúbico compacto, las posiciones interatómicas pueden ser:

Posición octaédrica (NC=6): La posición central de la celda, al igual que las posiciones medias en las aristas del cubo, está rodeada por

seis átomos que forman los vértices de un octaedro.

Posición triangular (NC=3): Cada tres átomos contiguos determinan un triángulo equilátero cuyo centro es una posición de coordinación 3. Por su parte, en la red hexagonal originada por un  empaquetado hexagonal compacto, las posiciones interatómicas pueden ser:

Posición octaédrica (NC=6): Los lugares octaédricos están situados entre dos triángulos de direcciones opuestas, cada uno formado por tres átomos situados en uno de los pisos del empaquetado.

Empaquetado hexagonal compacto:

Posición tetraédrica (NC=4): Las posiciones tetraédricas existen entre dos pares de átomos en direcciones perpendiculares entre sí y situados cada par en un piso del empaquetado. También aparecen estas posiciones en el centro del tetraedro regular formado por tres átomos de un piso y el tangente a ellos situado en el piso inmediato. Posición triangular (NC=3): Cada tres átomos contiguos determinan un triángulo equilátero cuyo centro es una posición de coordinación 3. 

Estructuras derivadas de la estructura cúbicade caras centradas.

Las posiciones octaédricas, tetraédricas y triangulares

proporcionan regiones que pueden ser ocupadas por iones de carga opuesta a los que están situados en las posiciones atómicas normales del empaquetado, siempre que aquellos tengan el tamaño adecuado. (Juan M. Gutiérrez-Zorrilla)

Conclusión

Los lugares octaédricos están situados entre dos triángulos de direcciones opuestas, cada uno formado por tres átomos situados en uno de los pisos del empaquetado.

Las posiciones octaédricas, tetraédricas y triangulares proporcionan regiones que pueden ser ocupadas por iones de carga opuesta a los que están situados en las posiciones atómicas normales del empaquetado, siempre que aquellos tengan el tamaño adecuado.

En los metales las celdillas unidad de las estructuras cristalinas más comunes son: cúbica centrada en el cuerpo

(bcc), cúbica centrada en las caras ( fcc) y hexagonal compacta (hcp) que es una variación compacta de la estructura hexagonal simple. 

Bibliografía

1. Callister, W. (2007). Ciencia e ingeniería de los materiales 2. 2da edición. Editorial Reverté. Barcelona. Pág. 361.

2. Universidad de Virginia. (2003). Estructura Cristalina. Recuperado el 2 de septiembre de 2014. Disponible en: https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/472/45938/1/Documento12.pdf

3. Villalba, H. s.f. La estructura Cristalina. Recuperado el 2 de septiembre de 2014. Disponible en: https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/estructura-cristalina.pdf

4. Housecroft, C & Sharpe, A. (2006). Química Inorgánica. 2da

edición. PEARSON EDUCACIÓN, S.A., Madrid. Pág.132.

BROWN, T. L., cols. Química la ciencia central (décimo primera edición) Pearson educación, México, 2009.pag: 843

Estructuras cristalinas. Recuperado el 29 de agosto del 2014 de :http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras_cristalinas/estructura_cristalina2.html

Estructuras Cristalinas. Recuperado el 29 de agosto del 2014 de:https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/472/45938/1/Documento12.pdf

Solidos Iónicos. Recuperado el 29 de agosto del 2014 de :http://www.ehu.es/zorrilla/juanma/T8EIonico.pdf

Cuestionario¿Qué es una celda unitaria?

Es la porción más simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal.

¿Qué es el empaquetamiento hexagonal compacto?

Los átomos ocupan los vértices de un prisma hexagonal regular, los centros de las bases y los centros de los triángulos alternos en que puede descomponerse la sección intermedia del prisma. Las longitudes axiales de esta estructura son la arista de la base, a, y la altura del prisma.

¿Cuáles son los sietes sistemas cristalinos y elementos característicos ?

Sistema cristalino Elementos característicos

Cúbico Cuatro ejes ternarios

TetragonalUn eje cuaternario (o binario derivado)

OrtorrómbicoTres ejes binarios o tres planos de simetría

HexagonalUn eje senario (o ternario derivado)

Trigonal (o Romboédrica)

Un eje ternario

MonoclínicoUn eje binario o un plano de simetría

TriclínicoUn centro de simetría o bien ninguna simetría