Física del estado sólido

Amorfo (del griego, prefijo a, negación, y la palabra morfo, forma; literalmente, sin forma.) es una de las estructuras que pueden adoptar los materiales en estado líquido y enestado gaseoso.

Mientras que los materiales cristalinos y, en menor medida, los semicristalinos presentan un patrón regular y repetitivo de átomos o iones formado de estructuras tridimensionales periódicas, los materiales amorfos presentan un patrón uniformemente deformado o estructura cristalina retroactiva, es decir, no tienen un ordenamiento periódico. Algunos ejemplos son el vidrio y determinados materiales plásticos.

Solidos cristalinos y sólidos amorfos.

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Se denominan sólidos cristalinos aquellos en los que los átomos, iones o moléculas se repiten de forma ordenada y periódica en las tres direcciones. En los materiales amorfos no existe una distribución regular dentro del sólido. Los vidrios son sólidos amorfos.

Veamos un ejemplo de sólido cristalino y otro de sólido amorfo.

Se puede diferenciar un sólido cristalino de uno amorfo por el espectro de difracción de rayos X . Los sólidos cristalinos presentan picos de difracción muy agudos mientras que los amorfos dan espectrogramas con picos muy anchos.

Forman sólidos cristalinos, no solo los compuestos iónicos como la fluorita, CaF₂, sino también los sólidos covalentes 3D, como el diamante, los moleculares como azufre, o los metales.

Estructura y cambio de estado.

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Al calentar un sólido se produce normalmente un cambio de fase de sólido a líquido y/o a gas. Según como se comportan los sólidos en el cambio de fase podemos clasificarlos en tres grupos:

a) Mantienen la estructura en los tres estados de agregación. Un ejemplo de ello es el CO₂. Este comportamiento es frecuente entre los sólidos moleculares, que son la mayoría de los compuestos orgánicos y algunos compuestos inorgánicos tales como I₂ o SO₂.

b) Modifican la estructura, al cambiar de estado. Así, AlCl₃ en estado sólido tiene una estructura en capas, donde cada Al está rodeado por seis cloros. En fase gas existen moléculas Al₂Cl₆ donde dos unidades AlCl₂ se unen a través de dos átomos de Cl puente.

c) Compuestos que descomponen al calentar. Ejemplo CaCO₃, que al calentar descompone a CO₂ y CaO antes de fundir.

Tipos de sólidos

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La gran mayoría de los elementos y compuestos químicos, especialmente los compuestos inorgánicos, son sólidos en condiciones normales. Existe una relación bastante directa entre el tipo de enlace y la estructura del sólido.

La siguiente figura muestra ejemplos de diferentes tipos de sólidos.

Resulta muy difícil resumir en una única tabla la gran variedad estructural existente. Dado que existen numerosos compuestos con enlaces intermedios entre covalente/iónico/metálico resulta útil hacer una clasificación de los sólidos en base a razones estructurales.

Clasificación por geometría.

Sólidos moleculares. Están formados por unidades discretas, moléculas, que contienen átomos de uno o varios elementos unidos por enlaces covalentes. En el cristal la moléculas se empaquetan entre sí mediante fuerzas de Van der Waals, generalmente relativamente débiles. La mayoría de los sólidos orgánicos son moleculares, por ejemplo naftaleno. Algunos elementos no metálicos forman sólidos moleculares. Como ejemplo tenemos azufre, una variedad de carbonofullereno y yodo. Mas adelante veremos otros ejemplos de sólidos inorgánicos moleculares.

Sólidos 1D. Un ejemplo de sólido con estructura en cadenas es selenio. Los enlaces entre los átomos se orientan en una dirección formando cadenas que se empaquetan en el cristal mediante fuerzas de Van der Waals. Sólidos de este tipo son poco frecuentes. Podemos incluir dentro de este grupo algunos compuestos iónicos tales como un silicato de fórmula K₂ZnSi₂O₆. La estructura de este silicato consiste en cadenas de tetraedros SiO₄ que comparten dos vértices. Las cadenas con carga negativa, se apilan en el cristal con los cationes K y Zn compensando las cargas, se sitúan entre las cadenas.

Sólidos 2D. Se caracterizan por tener enlaces entre átomos dirigidos en dos de las tres direcciones, formando capas. El ejemplo frecuentemente mencionado de sólido con estructura en capas, es el grafito con enlaces covalentes puros. Esta estructura también la adoptan compuestos con enlace intermedio entre ionico y covalente como AlCl₃. Lo característico de estos sólidos es la existencia de distancias cortas en dos direcciones, dentro de las capas, y apreciablemente mayores en la tercera dirección, entre capas. Este tipo de estructuras no es frecuente entre los compuestos orgánicos.

Sólidos 3D. Los enlaces se orientan en las tres direcciones del espacio. Dentro de este grupo encontramos tanto compuestos covalentes como iónicos y metálicos. La diferencia entre ellos está en el modo de empaquetamiento de los átomos o iones en la red, lo que se refleja en el I.C. de los átomos o iones.

Un ejemplo de solido covalente tridimensional es carbono diamante o tambien carburo de silicio.

Los ejemplos de sólidos tridimensionales iónicos o metálicos se pueden encontrar en sólidos iónicos. o redes metálicasse encuentran mas adelante.