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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Química del estado sólido


La química del estado sólido es un campo amplio dentro de la química inorgánica que se centra en el estudio y comprensión de las propiedades, estructura y comportamiento de los sólidos. Este dominio se superpone considerablemente con la ciencia de materiales y tiene implicaciones de gran alcance en una variedad de avances tecnológicos, incluyendo electrónica, almacenamiento de energía y materiales estructurales.

Introducción al estado sólido

En química, el término "estado sólido" se refiere a un estado de la materia en el cual los átomos o iones están dispuestos en una red tridimensional bien ordenada. Este orden resulta en una forma y volumen definidos para la sustancia. El estado sólido se distingue de los estados líquido y gaseoso porque las partículas en él están compactamente empaquetadas, a menudo en un patrón repetido conocido como retículo cristalino.

El comportamiento y las propiedades de los sólidos están intrínsecamente ligados a esta estructura cristalina. Por ejemplo, el punto de fusión, la conductividad eléctrica, la resistencia mecánica y la expansión térmica de un sólido dependen de cómo sus átomos o iones están dispuestos y conectados entre sí.

Estructuras cristalinas

La estructura cristalina de los sólidos es el enfoque principal de la química del estado sólido. La estructura de un cristal describe la disposición de los átomos en un patrón regular y repetido. Comprender estas estructuras ayuda a predecir el comportamiento de las sustancias y a crear nuevos compuestos con propiedades específicas.

Celda unitaria

La unidad repetitiva más pequeña de un retículo cristalino se conoce como una celda unitaria. Las celdas unitarias son los bloques de construcción de la estructura cristalina, y su disposición geométrica determina las propiedades macroscópicas del cristal. Los tipos comunes de celdas unitarias incluyen:

  • Cubo primitivo (simple)
  • Cúbico centrado en el cuerpo (BCC)
  • Cúbico centrado en las caras (FCC)
  • Hexagonal compacto (HCP)

Eficiencia de empaquetamiento

La eficiencia de empaquetamiento se refiere a la fracción del volumen ocupado por las partículas en un cristal, en comparación con el volumen total del retículo. Esta eficiencia es importante para determinar la densidad y la estabilidad de la estructura cristalina. Por ejemplo, las disposiciones FCC y HCP ofrecen una mayor eficiencia de empaquetamiento (~74%) que BCC (~68%).

Enlace en sólidos

El enlace en sólidos define su resistencia mecánica, propiedades eléctricas y comportamiento térmico. Los tipos principales de enlace en sólidos son los siguientes:

  • Enlace iónico: se encuentra en compuestos como NaCl, donde iones con cargas opuestas forman una red cristalina a través de interacciones electrostáticas.
  • Enlace covalente: Ocurre en algunos elementos como semiconductores y el diamante donde los átomos comparten electrones.
  • Enlace metálico: Presente en metales como el cobre o el aluminio, se caracteriza por un mar de electrones deslocalizados alrededor de los iones positivos.
  • Fuerzas de Van der Waals: Presentes en cristales moleculares como los sólidos I_2, donde fuerzas intermoleculares débiles mantienen unidas a las moléculas.

Estos tipos de enlaces proporcionan propiedades únicas en los materiales. Por ejemplo, los sólidos iónicos suelen ser duros, frágiles y tener puntos de fusión altos, mientras que los materiales metálicos son maleables y excelentes conductores de electricidad.

Defectos en el cristal

Los cristales del mundo real a menudo contienen imperfecciones, aunque la naturaleza repetitiva ideal es predicha por modelos de retículo ideales. Estas imperfecciones, o defectos, pueden afectar significativamente las propiedades físicas del material.

Tipos de defectos

  • Defectos puntuales: Estos incluyen vacantes (átomos faltantes) e intersticiales (átomos adicionales ubicados en sitios no de retículo). Estos defectos pueden afectar propiedades como la conductividad iónica.
  • Defectos de línea (dislocaciones): Las dislocaciones son desviaciones de la periodicidad perfecta a lo largo de una línea en un cristal, que son importantes para determinar las propiedades mecánicas.
  • Defectos planare: Estos incluyen límites de grano y superficies que afectan propiedades físicas como la recristalización y fusión.

Propiedades electrónicas de los sólidos

Las propiedades electrónicas de un sólido están determinadas en gran medida por la naturaleza de la estructura de bandas, que resulta de la superposición de orbitales atómicos en el sólido. Esta superposición crea 'bandas' de niveles de energía, que se dividen en la banda de valencia y la banda de conducción.

Teoría de bandas

La teoría de bandas proporciona la base para comprender la conductividad eléctrica de diversos materiales. Los sólidos generalmente se clasifican en conductores, semiconductores e aislantes según la diferencia entre las bandas de valencia y conducción:

  • Conductores: En metales como el cobre, la banda de conducción está parcialmente llena, permitiendo que los electrones fluyan fácilmente.
  • Semiconductores: Materiales como el silicio tienen un pequeño hueco de energía que puede ser superado por la energía térmica, haciendo posible el flujo de corriente eléctrica controlada.
  • Aislantes: En materiales como el cuarzo, el gran hueco de banda impide el flujo de electrones en condiciones normales.
    
    
        
        
        banda de conducción
        banda de valencia
        hueco de banda

Propiedades magnéticas de los sólidos

Las propiedades magnéticas de los sólidos surgen del comportamiento y disposición de los electrones dentro del material. Estas propiedades pueden clasificarse en diferentes tipos:

  • Diamagnetismo: Débil repulsión de un campo magnético, observada en materiales donde todos los electrones están apareados.
  • Paramagnetismo: Atracción a un campo magnético observada en materiales que tienen electrones desapareados que se alinean con el campo externo.
  • Ferromagnetismo: La fuerte atracción y retención de propiedades magnéticas observada en el hierro, debido a espines electrónicos alineados.
  • Antiferromagnetismo: Con momentos magnéticos opuestos que se cancelan entre sí, común en compuestos como MnO.
  • Ferrimagnetismo: Similar al antiferromagnetismo pero con momentos magnéticos opuestos desiguales, resultando en magnetismo neto, a menudo visto en magnetita (Fe3O4).

Aplicaciones de la química del estado sólido

La química del estado sólido juega un papel fundamental en el desarrollo de muchas tecnologías con beneficios sociales:

  • Electrónica: Los semiconductores están en el corazón de los dispositivos electrónicos, ya sean computadoras o teléfonos inteligentes. Materiales como el Si y GaAs desempeñan un papel vital en la creación de componentes electrónicos eficientes y potentes.
  • Almacenamiento de energía: Los avances en la tecnología de baterías, particularmente en el caso de las baterías de iones de litio, dependen de la química del estado sólido para mejorar la capacidad de energía y el ciclo de vida.
  • Catalisis: Muchos catalizadores industriales son materiales sólidos, donde la comprensión de las estructuras superficiales y defectos es esencial para optimizar la reactividad química.
  • Materiales estructurales: El desarrollo de nuevas aleaciones y cerámicas con propiedades mecánicas mejoradas se basa en los principios de la química del estado sólido.

Conclusión

La química del estado sólido sirve como un puente entre la química y la ciencia de los materiales, proporcionando información sobre la estructura, propiedades y funcionalidad de las sustancias. A medida que la tecnología continúa evolucionando, el campo permanece a la vanguardia, permitiendo nuevas innovaciones y aplicaciones que protegen el avance de nuestra sociedad.


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