Estructuras y redes cristalinas

En el fascinante mundo de la química del estado sólido, uno de los conceptos fundamentales es la estructura cristalina. Comprender las estructuras cristalinas es esencial para cualquier persona que se adentre en la química y la física de los sólidos. Las estructuras cristalinas definen la disposición ordenada de átomos, iones o moléculas en una sustancia cristalina y afectan significativamente las propiedades físicas de la sustancia.

Introducción a los cristales

Un cristal es un material sólido cuyos átomos están dispuestos en un patrón altamente ordenado y repetitivo que abarca las tres dimensiones espaciales. La unidad de repetición en esta estructura ordenada se conoce como la celda unitaria, la parte más pequeña de la red cristalina que, al repetirse, recrea toda la estructura cristalina.

El estudio de la formación de cristales y redes cristalinas cae bajo el campo de la cristalografía, que utiliza una variedad de técnicas para determinar la disposición de los átomos dentro de un sólido.

Celdas unitarias y redes

Una celda unitaria se define por sus parámetros de red, que son las longitudes de los bordes de la celda y los ángulos entre ellos. Los ejemplos más simples de una celda unitaria son aquellos de la red cúbica, donde los ángulos entre los bordes son de 90 grados y la longitud de cada borde es igual.

Tipo de malla              | Longitud de bordes | ángulo interaxial
Cubo simple                | a = b = c          | α = β = γ = 90°
Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) | a = b = c | α = β = γ = 90°
Cúbica centrada en las caras (FCC) | a = b = c | α = β = γ = 90°
    

Diferentes materiales pueden cristalizar en diferentes sistemas de redes, que se clasifican en siete sistemas cristalinos:

- Cubo
- Cuadrilátero
- Ortorrómbico
- Hexagonal
- Romboide
- Monoclínico
- Triclínico
    

Siete sistemas cristalinos

Cada uno de estos sistemas cristalinos tiene sus propias características distintivas:

• Cúbico: Caracterizado por tres ejes perpendiculares de igual longitud. Ejemplo: cloruro de sodio (NaCl).

     Oh Oh
    O------O 
    | O-----O
     Oh Oh
              

• Tetragonal: Similar a un cubo pero con un eje más largo. Ejemplo: estaño blanco (Sn).

     Oh Oh
    O------O 
    | O-----O
     Oh Oh
              

• Ortorrómbico: Los tres ejes son de diferentes longitudes. Ejemplo: Azufre (S).

     Oh Oh
    O------O 
    | O-----O
     Oh Oh
              

• Hexagonal: Dos ejes de igual longitud a 120° y un tercer eje perpendicular al plano de los otros dos. Ejemplo: grafito.

       Oh Oh
      Oh Oh
     O-------O 
     | O-----O
      Oh Oh
              

• Romboidal: También llamado triangular. Todos los ejes son de igual longitud y todos los ángulos son iguales pero no de 90°. Ejemplo: Calcita (CaCO₃).

       Oh Oh
      Oh Oh
     O------O 
     | O----O
      Oh Oh
              

• Monoclínico: Ejes de longitud desigual, con dos ángulos a 90° y un ángulo ligeramente diferente. Ejemplo: yeso (CaSO₄·2H₂O).

     Oh Oh
    Oh Oh
   O-------O 
   | O-----O
    Oh Oh
              

• Triclínico: El menos simétrico. Todos los lados y ángulos son diferentes. Ejemplo: Dicromato de potasio (K₂Cr₂O₇).

     Oh Oh
    Oh Oh
   O------O 
   | O----O
    Oh Oh
              

Empaquetamiento cercano en un cristal

En la naturaleza, muchas estructuras cristalinas se forman a través de un proceso llamado empaquetamiento cercano. El empaquetamiento cercano implica la disposición de esferas (que representan átomos) de tal manera que ocupen el máximo espacio posible con el menor volumen vacío.

Tipos de empaquetamiento cercano

• Empaquetamiento hexagonal compacto (HCP): Esta disposición puede representarse como un patrón repetitivo ABAB. Cada átomo está rodeado por 12 otros átomos. Ejemplo: Magnesio (Mg).

  Capa A: oooo
  Capa B:  ooo
  Capa A: oooo
              

• Cúbica centrada en las caras (FCC): Este sistema también se conoce como cúbica compacta (CCP) y sigue el patrón ABCABC. Esta es la estructura de muchos metales como el aluminio (Al).

  Capa A: oooo
  Capa B:  ooo
  Capa C: oooo
              

Estructuras cristalinas cúbicas

Muchos metales y aleaciones cotidianas cristalizan en estructuras cúbicas debido a su simetría y simplicidad.

Cubo simple (SC)

En la estructura cúbica simple, los átomos se encuentran en cada esquina del cubo. Tiene un primitivo cúbico (o red) de un átomo por celda unitaria.

Cubo centrado en el cuerpo (BCC)

En la estructura BCC, los átomos se encuentran en las ocho esquinas y un átomo en el centro del cubo. El hierro (Fe) es un ejemplo clásico de esto. Esta disposición proporciona un embalaje más efectivo que el cubo simple.

Cubo centrado en las caras (FCC)

En la estructura FCC, los átomos están ubicados en cada esquina y en el centro de todas las caras del cubo. Esta disposición le da una alta eficacia de embalaje y se encuentra en metales como el cobre (Cu).

Comprendiendo el Número de Coordinación y el Factor de Empaquetamiento Atómico

El número de coordinación es el número de vecinos más cercanos que rodean un átomo en una estructura cristalina. El factor de empaquetamiento atómico (APF) es la fracción del volumen en una estructura cristalina que está ocupada por átomos.

Estructuras cúbicas y sus propiedades

A continuación se presentan las propiedades de las estructuras cúbicas simples, centradas en el cuerpo y centradas en las caras:

Tipo de estructura         | Número de coordinación | Factor de empaquetamiento atómico
Cubo simple                | 6                      | 0.52
Cubo centrado en el cuerpo (BCC) | 8               | 0.68
Cubo centrado en las caras (FCC) | 12              | 0.74
    

Ilustración de estructuras cristalinas

Considere una estructura cúbica simple representada visualmente en una cuadrícula, donde hay un átomo en cada esquina del cubo:

,
,
,
,
,
    

En resumen, el estudio de estructuras cristalinas y redes proporciona una profunda comprensión de las propiedades físicas de los materiales, afectando todo, desde la conductividad eléctrica hasta la resistencia mecánica. La disposición ordenada de los átomos, la regularidad de las estructuras de red y la belleza de los sistemas cristalográficos juegan un papel clave en la definición de las características de los materiales que encontramos tanto en la naturaleza como en la industria.

Conclusión

Explorar las estructuras cristalinas y las redes es crucial para comprender el comportamiento químico y físico de los materiales. Desde cubos simples hasta polígonos complejos, cada disposición revela las complejidades y la belleza de la materia sólida. A medida que profundizamos en la química del estado sólido, estos conceptos fundamentales abren el camino hacia la innovación y el descubrimiento en la ciencia de materiales.

Comentarios