Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Estructuras Cristalinas


En química del estado sólido, las estructuras cristalinas representan el arreglo ordenado de átomos dentro de una sustancia. Comprender estas estructuras es importante para explicar muchas propiedades físicas de las sustancias, como la conductividad, el magnetismo y las propiedades ópticas. En química inorgánica, estas estructuras cristalinas son particularmente importantes porque ayudan a comprender la estructura y funcionalidad de metales, cerámicas, minerales y otros compuestos inorgánicos.

Conceptos básicos

Los sólidos cristalinos se definen por la disposición periódica de átomos, iones o moléculas en una red tridimensional. La unidad más pequeña de repetición de esta estructura se llama celda unitaria. El arreglo de las celdas unitarias forma todo el cristal, proporcionando información sobre la estructura y posibles propiedades del sólido.

Celda unitaria

La celda unitaria es el bloque de construcción de la estructura cristalina. Está definida por sus parámetros de red, que son las longitudes de los bordes de la celda (a, b, c) y los ángulos entre ellos (α, β, γ). Estas celdas se repiten en un patrón para llenar el espacio sin superposición.

A B

Tipos de celda unitaria

Existen varios tipos diferentes de celdas unitarias que forman la base de las estructuras cristalinas:

  • Cúbica simple (SC): Hay un átomo en cada esquina del cubo. La estructura cúbica simple es la más sencilla pero se ve raramente.
  • Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Similar a SC, pero con un átomo extra en el centro del cubo. Un ejemplo de esto es el hierro a bajas temperaturas.
  • Cúbica centrada en las caras (FCC): Hay un átomo localizado en cada esquina y el centro de todas las caras del cubo. Común en metales como aluminio, cobre y oro.
  • Hexagonal compacta (HCP): Los átomos están estrechamente empaquetados en una disposición hexagonal. Ejemplos incluyen magnesio y titanio.

Ejemplo de texto de una estructura cúbica simple

Estructura Cúbica Simple:
 
Átomo de la esquina
(0,0,0) -------------------*------------------- (A,0,0)
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
 ,
(0,0,a) -------------------*------------------- (a,0,a)

Sistema cristalino cúbico

El sistema cristalino cúbico es uno de los sistemas cristalinos más comunes e importantes. Tiene tres ejes iguales que se intersectan en ángulos de 90 grados. Dentro del sistema cúbico, tenemos tres tipos principales:

  • Cúbica simple (SC): Este sistema no es muy eficiente en la utilización del espacio. La eficiencia de empaquetamiento o la fracción de volumen llena por átomos es de aproximadamente el 52%.
  • Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): La eficiencia de empaquetamiento es mayor que en SC, alrededor de 68%, debido al átomo central.
  • Cúbica centrada en las caras (FCC): Esta es la más eficiente de los tipos cúbicos, con una eficiencia de empaquetamiento de aproximadamente el 74%.

Esta vista muestra una estructura cúbica centrada en el cuerpo, con los átomos en las esquinas coloreados en azul y el átomo central coloreado en rojo.

Sistema cristalino hexagonal

Otro sistema cristalino ampliamente estudiado es el sistema hexagonal, que tiene dos ejes iguales perpendiculares entre sí y un tercer eje de diferente longitud que los intersecta ambos a 90 grados. Su ejemplo tradicional es la estructura hexagonal compacta (HCP).

Ejemplo de texto de estructura hexagonal compacta

Capa superior:
 
átomo 1 átomo 2 átomo 3
 
  ,
   ,
 
capa inferior:
 
     átomo 4 átomo 5 átomo 6
  
      ,
       ,
  
(Vista de la base)

Número de coordinación

El número de coordinación es un concepto importante para entender las estructuras cristalinas. Se refiere al número de átomos vecinos más cercanos que rodean un átomo central. Varía con el tipo de estructura cristalina:

  • El número de coordinación para Sc es 6.
  • El número de coordinación para bcc es 8.
  • El número de coordinación para fcc y hcp es 12.

Visualización de estructuras cristalinas

Visualizar estructuras cristalinas puede ser todo un reto. Sin embargo, al analizar la simetría de la red y los patrones de repetición, se puede entender mejor la complejidad de estas estructuras. Aquí, la simetría conduce a propiedades únicas que impactan directamente en la funcionalidad del material.

Consideremos la estructura cúbica del diamante, en la cual los átomos de carbono están enlazados de manera covalente en una geometría tetraédrica.

Polimorfismo y alotropía

El polimorfismo se refiere a la capacidad de una sustancia para existir en más de una estructura cristalina. Este fenómeno es importante en ciencia de materiales y tiene un impacto en propiedades físicas, como el punto de fusión y la solubilidad. La alotropía es un concepto similar, pero está restringido a entidades elementales.

Un ejemplo clásico de esto es el carbono, que puede formar grafito o diamante dependiendo de su enlace y estructura. El grafito tiene una estructura de capas con fuerzas débiles entre las capas, mientras que el diamante tiene una estructura enlazada tetraédricamente resultando en dureza.

Aplicaciones de las estructuras cristalinas

Entender las estructuras cristalinas es importante en muchas aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, la industria de los semiconductores depende en gran medida del conocimiento de las estructuras cristalinas para el desarrollo de materiales como el silicio y el arseniuro de galio. De igual manera, la industria farmacéutica evalúa las estructuras cristalinas para el diseño y la fabricación de medicamentos.

El descubrimiento de nuevas estructuras cristalinas está impulsando innovaciones en la ciencia de materiales, conduciendo al desarrollo de superconductores, catalizadores y materiales estructurales novedosos con propiedades avanzadas.

Conclusión

En resumen, las estructuras cristalinas en la química del estado sólido son fundamentales para entender una amplia gama de propiedades físicas y aplicaciones tecnológicas. Al analizar la disposición geométrica de los átomos y la simetría resultante, los científicos pueden predecir y optimizar las propiedades físicas necesarias para usos específicos.


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