TEMA 4: SOLIDOS IONICOS

1 TEMA 4: SOLIDOS IONICOS Introducci n. Estructuras de los cristales i nicos. Radios i nicos. Energ a reticular. Propiedades de los compuestos i nicos. Introducci n. Cuando un elemento muy electronegativo reacciona con otro muy electropositivo, generalmente se forma un compuesto s lido i nico. El elemento electropositivo transfiere sus electrones de valencia (se oxida) al elemento electronegativo (se reduce) y se forman iones positivos (cationes) y negativos (aniones).

2 En una gran mayor a de ocasiones, los iones as formados adquieren una configuraci n electr nica estable de gas noble. Un s lido i nico se considera formado por cationes y aniones mantenidos unidos por la acci n de fuerzas electrost ticas. Para que esto ocurra debe de darse dos condiciones: - Un Potencial de ionizaci n, I, para formar el cati n: M(g) M(g)+ + 1 e-- Una Afinidad Electr nica, AE, para formar el ani n: X(g) + 1 e- X(g)- Los elementos de los grupos 1 y 2 y los elementos de transici n en bajo estado de oxidaci n pierden uno, dos o tres electrones sin gran consumo de energ a.

3 Por otra parte, los elementos de los grupos 17, 16 y 15 aceptan uno, dos o tres electrones sin gran consumo de energ a. Estructura de los cristales i nicos. Como sucede en cualquier s lido cristalino, los cationes y aniones de un s lido i nico se disponen ordenadamente en una red cristalina. 1 Puesto que las fuerzas que mantienen unidos a los iones son de naturaleza electrost tica, la red cristalina formada debe cumplir con ciertos requisitos o reglas b sicas. - Cada cati n debe agrupar a su alrededor (preferiblemente en contacto) el m ximo n mero posible de aniones; por otra parte, cada ani n debe hacer lo propio con los cationes (m ximo n mero coordinaci n posible para ambos iones).

4 - La separaci n entre iones de la misma carga debe ser la m xima posible, compatibiliz ndola con la m nima separaci n factible entre iones de diferente carga (optimizaci n de las fuerzas de atracci n-repulsi n electrost ticas). - En todo caso debe respetarse la neutralidad el ctrica de la estructura; es decir, la proporci n de cationes y aniones debe ser la correspondiente a la estequiometr a del compuesto (NaCl, CaF2, Cs2O, etc.) El modelo de empaquetamiento compacto de esferas trabaja con capas compactas de esferas dispuestas unas sobre otras.

5 Este modelo es muy til y eficaz para sistematizar y clasificar las estructuras m s corrientes y usuales de los s lidos i nicos. Una secuencia de capas origina una red de celda elemental hexagonal, empaquetamiento hexagonal compacto (ehc). Una secuencia se corresponde con una celda elemental c bica centrada en las caras, empaquetamiento c bico compacto (ecc). En ambos tipos de empaquetamiento cada esfera posee un n mero de coordinaci n igual a 12.

6 En ambos tipos de empaquetamiento existe dos tipos de huecos, octa drico (espacio vac o que queda entre seis tomos) y tetra drico (espacio vac o que queda entre cuatro tomos). Por cada N tomos de una estructura de empaquetamiento compacto existen N huecos octa dricos y 2N tetra dricos. Existen otros tipos de empaquetamiento que utilizan tambi n el espacio con una alta eficiencia. La estructura c bica centrada en el cuerpo (cc) posee punto reticulares en el centro y v rtices de un cubo, y el n mero de coordinaci n para cada tomo es 8.

7 La estructura c bica primitiva (P) , los tomos ocupan los v rtices de un cubo como puntos reticulares, y su n mero de coordinaci n es seis. Estructuras caracter sticas de s lidos i nicos tipos MX y MX2. Estructura del cloruro s dico. - La estructura del NaCl se basa en una disposici n ecc de aniones Cl-, voluminosos, en la que los cationes ocupan todos los huecos octa dricos. - Cada uno de los iones est rodeado por un octaedro de seis iones contrarios. Por tanto, el n mero de coordinaci n de cada ion es 6, y se dice que es una estructura de coordinaci n (6,6).

8 - Para establecer el n mero de iones que hay de cada tipo en una celda elemental, se debe tener en cuenta que: a) Interior. Un ion del interior de la celda pertenece completamente a ella y cuenta como 1. 2b) Caras. Un ion situado en una cara es compartido por dos celdas y contribuye con a la celda en cuesti n. c) Aristas. Un ion situado en una arista es compartido por cuatro celdas y, por tanto, contribuye con . d) V rtices. Un ion de un v rtice es compartido por las ocho celdas que tienen ese v rtice com n, por lo que contribuye con 1/8.

9 Estructura del cloruro de cesio. - Esta estructura es menos corriente que la anterior, y se encuentra en CsCl, CsBr y CsI, as como en algunos compuestos formados por iones de radios semejantes a stos, entre los que se encuentra el NH4Cl. - La estructura del CsCl tiene una celda elemental c bica en la que cada punto reticular est ocupado por un ion haluro y el cati n met lico se sit a en el centro de la celda (o viceversa). - El n mero de coordinaci n de ambos tipos de iones es 8, pues sus radios son tan semejantes que es posible esta forma de empaquetamiento (8,8), muy favorable energ ticamente, con numerosos iones contrarios adyacentes a un ion determinado.

10 Estructura de la esfalerita. - La estructura de la esfalerita (ZnS) blenda de cinc, se basa en una red ccc expandida de aniones, pero ahora los cationes ocupan uno de los huecos tetra dricos. - Cada ion est rodeado de cuatro vecinos, coordinaci n (4,4). Estructuras de la fluorita y antifluorita. - La estructura de la fluorita (CaF2), tambi n se basa en una red ccc expandida de iones. En ella, los aniones (de los que hay el doble que de cationes) ocupan los dos tipos de huecos tetra dricos.