estat solid, Apuntes de Química

¡Descarga estat solid y más Apuntes en PDF de Química solo en Docsity!

ESTADO SÓLIDO

Parte 1

Química General

D

epartament de

Q

uímica

I norgànica

ESTAT SÒLID (Part 1)

TEMA 5 i 6

Química general.

T-

ESTAT SÒLID

Tema

Sòlids

metàl·lics.

Estructures.

Teoria

de

bandes: conductors, semiconductors i aïllants.

Tema

Sòlids

amb

xarxes

covalents.

Sòlids

moleculars.

Tema

Sòlids

iònics.

Aspectes

estructurals.

L’energia

d’enllaç

en

els

sòlids

iònics:

energia

reticular i cicle de Born-Haber. Polarització d’ions.

Anem a dedicar 3 temes a l’estat sòlid:

Química General

T-

Com podem reconèixer els distints tipus de sòlids?

Metàl·lics:

interaccionen metalls.

Iònics:

interaccionen un metall (EP) i un no metall (EN).

Covalents:

Interaccionen no metalls o semimetalls.

Moleculars:

Interaccionen molècules o àtoms units per

forces intermoleculars.

Química General

5

Les característiques dels sòlids estan determinades pel tipus d’enllaç que presenten. No obstant hem deconsiderar: -No hi ha una separació definida entre enllaç iònic i covalent.-Quan l’enllaç covalent predomina, és comú esperar que els compostos existeixen com molècules discretes (formant sòlidsmoleculars); però hi ha excepcions com els sòlids en xarxes covalents: diamant , grafit, SiO

2

... que tenen alts PF i no són

conductors.-Quan l’enllaç iònic predomina, les substàncies són sòlids tridimensionals, presenten alts PF i es dissolen en aigua; són sòlids iònics.

Començaremestudiant els

sòlids

metàl·lics.

Química General

7

Estructura cristal·lina

Difracció de raigs X de

monocristall

A través de l’estudi de la difracció de raigs X per als sòlids cristal·lins, és possible obtenirinformació precisa sobre la disposició relativa dels àtoms en els sòlids, es a dir conèixerl’estructura dels sòlids.Mitjançant un procés de tractament de dades, s’obtenen figures on queden localitzats elsàtoms i es poden conèixer distancies interatòmiques (que ens permeten determinar elsradis atòmics ) i angles d’enllaç.

Així, quan s’obté un nou compost al

laboratori, s’intenta aplicar aquesta tècnica

ja que permet una caracterització més completa del compost; però, el principal problema és disposar d’un monocristall de qualitat adequada per aplicar la difracció de

RX.

Difractrometre de raigs X de monocristall

Química General

8

Xarxes i cel·la unitat

Xarxa cristal·lina és un ordenament infinit de punts en l’espai, en el qualcada punt té idèntic entorn.

Estructura cristal·lina és l’ordenament periòdic d’àtoms en un cristall.

Cada cristall deriva d’un

bloc de construcció

bàsic (“taulell”) que es

repeteix en totes les direccions de l’espai. Aquest bloc de construcciós’anomena

cel·la

unitat;

aquesta

és

la

cel·la

més

xicoteta

capaç

de

reproduir el cristall complet.

Índex de coordinació és el número d’àtoms veïns més pròxims querodegen a un determinat àtom.

Anem a definir alguns conceptes que ens van aajudar a comprendre com es descriu l’estructura

d’un sòlid cristal·lí.

Cel·la més

xicoteta que es repeteix en tot el

cristall.

El cristall es construeix perrepetició de lacel·la unitat en

totes les direccions.

Química General

10

Empaquetaments en dos

dimensions (2D: capa)

Podem imaginar dos tipus d’empaquetament d’esferes rígides: el quadrat i el hexagonal. Enel quadrat cada esfera es rodeja de quatre esferes en el mateix plànol i en el hexagonal desis. El hexagonal és per tant més compacte (deixa menys espai buit).

QUADRAT

HEXAGONAL

COMPACTE

Per a veure quins són els

empaquetaments que millor aprofiten

l’espai començarem examinant què

ocorre en una capa d’esferes.

Química General

11

Empaquetament no compacte: estructura cúbica simple (cs)

empaquetament

bidimensional

empaquetaments

tridimensionals

Anem a veure com es forma l’empaquetament

menys compacte (amb menor I.C.).

S’obté una estructura

cúbica simple (cs)

apilant

capes d’empaquetament quadrat segons la

seqüència AAA….

El nº d’esferes per cel·la unitat = 1: [8(1/8)].

El I.C. de cada àtom = 6.

No és molt compacte, poc habitual en els metalls.

únicament la presenta un metall: el Po-

α

¡No és una estructura de

màxima densitat¡.

Aquestes tenen

I.C.=12.

Es mostren

els

contactesentre els

àtoms.

Per descriure l’estructura delscristalls hem de

treballar amb

patrons

tridimensionals.

Química general.

T-

Contingut de la cel·la unitat

en un sistema cúbic

1/8 d’àtomen 8 vèrtex

1/2 d’àtomen 6 cares

cúbica simple (cs)

cúbica centrada en el

cos (cc)

cúbica centrada en

les cares (ccc)

Interior: 1 cel·la

(1)

Cares : 2 cel·les

(1/2)

Arestes: 4 cel·les

(1/4)

Vèrtex : 8 cel·les

(1/8)

1/8 d’àtom en 8

vèrtex

1/8 d’àtomen 8 vèrtex

A més a més d’aquestes dos estructures cúbiques, hi ha un altra més compacta que és la cúbica centrada en lescares (ccc) que ve de l’empaquetament cúbic compacte

(ecc) que explicarem després.

Número d’àtoms per cel·la unitat?

8(1/8) = 1

1+8(1/8) = 2

8(1/8)+6(1/2) = 4

Centre cares

Química General

14

Contant l’ocupació de la xarxa

1/8 de átomo

cúbica centrada cos (cc): 2 àtoms.

cúbica centrada

cares (ccc): 4

àtoms.

cúbica simple

(cs): 1 àtom.

1/8 de át

8(1/8) = 1

1+8(1/8) = 2

8(1/8)+6(1/2) = 4

1

1/2 1/4 1/

Vèrtex

Centre cares

16

Buits en les estructures d’empaquetament compacte

Capa A

Capa B

t

o

o

Un

aspecte

important

i

característic

de

les

estructures

d’empaquetament

compacte

d’esferes

rígides,

és

l’existència de 2 tipus de buits o espais no ocupats. L’espai representat pels buits no està buit en un sòlid real, jaque la densitat electrònica no acaba tan bruscament com suggereix el model desferes rígides.Els tipus i distribució dels buits són importants per a moltes estructures incloses certes al·liàtges i moltscompostos iònics; aquestes es poden formar per disposicions d’empaquetament compacte on els àtoms o ionsaddicionals ocupen aquestos buits.En un model d’empaquetament compacte d’esferes hi ha dos tipus de buits:

tetraèdrics i octaèdrics

Tetraèdrics:

buits de la primera capa que

coincideixen amb boleta de la segon capa o

buits de la segona capa que coincideixen

amb boleta de la primera.

Octaèdrics:

buits de la primera i segon

capa.

t

Química General

T-

G.E. Rodgers "Química Inorgánica" Ed. McGraw Hill

Representació dels buits en les estructures d’empaquetament compacte

Química General

19

Empaquetaments compactes

hexagonalcompacte

ABABAB

cúbic centrat

cares

ABCABC

En el primer dels

politipus

, les esferes

de la 3ª capa

es

troben sobre els buits

de la 2ª capa quecoincideixen amb esfera de la 1ª, és adir

sobre els buitstetraèdrics.

Seqüència: ABAB... Dona lloc al ehc.

Es

diu així ja que la

cel·la unitat és

hexagonal.

En l’altre

politipus,

les

esferes de la 3ª

capa es situen damunt dels buitsde la 1ª i 2ª capa,és a dir

sobre els

buits octaèdrics

.

Seqüència:ABCABC....

Dona lloc al ecco ccc.

Es diu així

ja que la cel·la unitat és cúbica.

ehc

ecc, ccc

Química General

20

Empaquetament hexagonal compacte (ehc)

S’obté una estructura hexagonal compacta quan la projecció de la terceracapa

que

s’afegeix

coincideix

amb

la

primera

capa,

donant

lloc

a

una

seqüència ABABAB

…

nº d’esferes per cel·la unitat: 6

I.C. de cada àtom = 12. És un empaquetament de màxima densitat

A

B

A