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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Difracción de rayos X


La difracción de rayos X (XRD) es una técnica altamente versátil que permite a los científicos determinar la estructura atómica y molecular de los cristales. Al medir el ángulo y la intensidad de los rayos X dispersados por los átomos dentro de un cristal, los investigadores pueden crear una imagen tridimensional de la densidad de electrones dentro del cristal. Esta información es crucial para comprender la estructura cristalina de los materiales, lo que a su vez afecta sus propiedades y aplicaciones potenciales.

Principios de la difracción de rayos X

La difracción de rayos X se basa en la interferencia constructiva de rayos X monocromáticos y una muestra cristalina. Estos rayos X se generan, se conducen a través de la muestra y luego los rayos dispersados son recogidos por un detector. El principio puede entenderse a partir de la ley de Bragg, que establece:

nλ = 2d sin θ

Donde:
n = orden de reflexión,
λ = longitud de onda del haz de rayos X incidente,
d = distancia entre planos en la red atómica,
θ = ángulo entre el haz de rayos X incidente y el plano del cristal.

Cuando los rayos X golpean la red cristalina, se difractan en direcciones específicas. La estructura cristalina puede determinarse analizando los puntos formados en este patrón de difracción.

Visión general del experimento de XRD

Realizar un experimento de difracción de rayos X involucra varios pasos importantes:

  1. Preparación de la muestra: La muestra debe estar en forma cristalina. Si no ocurre naturalmente, puede requerir técnicas de preparación cuidadosas como molienda o recristalización.
  2. Producción de rayos X: Los rayos X utilizados en la difracción se generan usando tubos de rayos X, radiación de sincrotrón u otras fuentes. La longitud de onda de estos rayos X está típicamente en el rango de 0.5–2.5 Å.
  3. Recolección de datos: La muestra se coloca en el camino del haz de rayos X, y los rayos difractados son recogidos por un detector. Esto crea un patrón de difracción, que es una serie de puntos que corresponden a la estructura atómica dentro del cristal.
  4. Análisis de datos: Los patrones de difracción se analizan usando software especializado para determinar los parámetros de la red cristalina y la disposición de los átomos dentro de la estructura.

Aplicaciones de la difracción de rayos X

La difracción de rayos X tiene una amplia gama de aplicaciones en química y ciencia de materiales:

  • Identificación de fases: La difracción de rayos X puede identificar las fases presentes en materiales cristalinos y puede distinguir entre diferentes formas cristalinas de la misma sustancia.
  • Determinación de estructuras cristalinas: Proporciona información detallada sobre el espaciado interatómico y la simetría de la estructura cristalina.
  • Análisis de tensión: XRD se usa para medir tensiones residuales en materiales, que pueden afectar sus propiedades mecánicas.
  • Análisis cuantitativo: Al examinar la intensidad de los rayos difractados, la difracción de rayos X puede usarse para determinar la concentración de una fase en una mezcla.

Ejemplo de cálculo usando la ley de Bragg

Veamos un ejemplo práctico usando la ley de Bragg. Supongamos que tenemos un cristal y queremos calcular el espaciamiento de planos d usando una reflexión de primer orden donde n = 1, longitud de onda λ = 1.54 Å y ángulo de reflexión θ = 15°.

Usando la ley de Bragg: nλ = 2d sinθ, podemos reorganizar para d:

d = nλ / (2 sinθ)

Ingrese los valores dados:
d = 1 × 1.54Å / (2 × sin 15°)
d = 1.54Å / 0.5176
d ≈ 2.975 Å

Visualización del patrón de difracción

Considere un ejemplo simple donde las posiciones de los átomos forman un patrón de difracción. En una red bidimensional, los átomos pueden considerarse en la intersección de líneas. El patrón de difracción formará una serie de posiciones donde las líneas se cruzan.

El SVG anterior muestra la disposición simple de átomos en una red cristalina que puede crear patrones de difracción específicos. Este patrón muestra el espaciado y la disposición específicos dentro del cristal, que pueden analizarse más a fondo.

Tipos de métodos de difracción de rayos X

Hay varios métodos disponibles para XRD, dependiendo de la muestra y los datos deseados:

  • XRD de cristal único: utilizado para determinar la estructura de un único cristal, proporcionando las coordenadas 3D exactas de los átomos.
  • XRD de polvo: Se utiliza cuando los cristales son demasiado pequeños o no están disponibles; analiza muchos pequeños cristales y proporciona información sobre la estructura general.
  • XRD de película delgada: Utilizado en ciencia de materiales para caracterizar películas delgadas y capas utilizadas en semiconductores y recubrimientos.

Contexto histórico y desarrollos

La difracción de rayos X fue observada por primera vez por Max von Laue en 1912. Su trabajo pionero allanó el camino para el desarrollo de la cristalografía de rayos X como una herramienta importante en química. El dúo padre-hijo Bragg, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg, desarrollaron aún más la técnica, por lo cual recibieron el Premio Nobel de Física en 1915. Desde entonces, XRD ha sido esencial en descubrimientos que van desde la estructura de doble hélice del ADN hasta compuestos inorgánicos complejos.

Limitaciones y desafíos

Aunque XRD es poderoso, todavía tiene sus limitaciones:

  • Estado de la muestra: La muestra debe ser cristalina; los materiales amorfos no producen patrones de difracción.
  • Estructuras complejas: Las estructuras altamente complejas pueden producir patrones superpuestos que son difíciles de desenredar.
  • Daño por radiación: Algunas muestras, especialmente los cristales orgánicos, pueden dañarse por la exposición prolongada a los rayos X.
  • Limitaciones de resolución: La resolución de la técnica puede no ser lo suficientemente alta para detectar detalles estructurales muy finos.

Conclusión

La difracción de rayos X es una técnica invaluable en el conjunto de herramientas analíticas para químicos y científicos de materiales, proporcionando profundos conocimientos sobre aspectos estructurales de los materiales cristalinos. A pesar de sus desafíos, esta técnica hace contribuciones importantes a nuestra comprensión de los materiales a nivel atómico, facilitando el progreso científico en muchos campos.

Se espera que estudios adicionales y desarrollos tecnológicos en técnicas de difracción de rayos X proporcionen información aún más detallada sobre las estructuras de materiales complejos en el futuro.


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