Un sólido cristalino es un tipo de sólido cuya estructura tridimensional fundamental consiste en un patrón muy regular de átomos o moléculas, formando una red cristalina. La mayoría de los sólidos son sólidos cristalinos, y las diferentes disposiciones de átomos y moléculas dentro de ellos pueden cambiar sus propiedades y apariencia.
¿Qué es un sólido?
Un sólido es un estado de la materia en el que la sustancia mantiene su forma y mantiene un volumen constante. Esto hace que un sólido se distinga de los líquidos o gases; los líquidos mantienen un volumen constante pero toman la forma de su recipiente, y los gases toman la forma y volumen de su recipiente.
Los átomos y las moléculas de un sólido pueden estar dispuestos en un patrón regular, convirtiéndolo en un sólido cristalino, o sin patrón, convirtiéndolo en un sólido amorfo.
Estructura cristalina
Los átomos o moléculas de un cristal forman un patrón periódico o repetitivo en las tres dimensiones. Esto hace que la estructura interna de un cristal
altamente organizado. Los átomos o moléculas constituyentes del cristal se mantienen unidos mediante enlaces. El tipo de enlace que los mantiene unidos, iónico, covalente, molecular o metálico, depende de la composición del cristal.La unidad más pequeña del patrón estructural se llama celda unitaria. Un cristal se compone de estas celdas unitarias idénticas repetidas una y otra vez en las tres dimensiones. Esta celda es el componente más fundamental de la estructura del cristal y determina algunas de sus propiedades. También determina el patrón que ve un científico cuando mira el cristal mediante difracción de rayos X, lo que puede ayudarlo a identificar la estructura y composición del cristal.
Las posiciones de los átomos o moléculas que forman la celda unitaria se denominan puntos reticulares.
Cristalización y cambios de fase
Cuando un líquido se enfría hasta su punto de congelación, se vuelve sólido en un proceso llamado precipitación. Cuando una sustancia se precipita en una estructura cristalina regular, se denomina cristalización.
La cristalización comienza con un proceso llamado nucleación: los átomos o moléculas se agrupan. Cuando esos grupos son lo suficientemente estables y lo suficientemente grandes, comienza el crecimiento de cristales. A veces, la nucleación puede iniciarse más fácilmente mediante el uso de cristales de semillas (grupos prefabricados) o una superficie rugosa, que fomenta la formación de grupos.
Un material atómico o molecular dado puede formar múltiples estructuras cristalinas. La estructura en la que cristaliza el material dependerá de ciertos parámetros durante el proceso de cristalización, incluida la temperatura, la presión y la presencia de impurezas.
Tipos de sólidos cristalinos
Existen cuatro tipos principales de sólidos cristalinos: iónicos, red covalente, metálicos y moleculares. Se distinguen entre sí en función de los átomos o moléculas de los que están hechos y de cómo esos átomos o moléculas se unen entre sí.
El patrón repetitivo en la estructura de los cristales iónicos está formado por cationes con carga positiva y aniones con carga negativa. Estos iones pueden ser átomos o moléculas. Los cristales iónicos suelen ser frágiles, con altos puntos de fusión.
Como sólidos, no conducen electricidad, pero pueden conducirla como líquidos. Pueden estar formados por átomos o moléculas, siempre que estén cargados. Un ejemplo común de un sólido iónico sería el cloruro de sodio (NaCl), conocido como sal de mesa.
Los cristales de red covalente, a veces simplemente llamados cristales de red, se mantienen unidos por enlaces covalentes entre sus átomos constituyentes. (Tenga en cuenta que los cristales de red covalente son sólidos atómicos, lo que significa que no pueden estar hechos de moléculas). Son sólidos muy duros, tienen puntos de fusión altos y no conducen bien la electricidad. Los ejemplos comunes de sólidos de la red covalente son el diamante y el cuarzo.
Los cristales metálicos también son sólidos atómicos, hechos de átomos metálicos unidos por enlaces metálicos. Estos enlaces metálicos son los que le dan a los metales su maleabilidad y ductilidad, ya que permiten que los átomos de metal rueden y se deslicen entre sí sin romper el material. Los enlaces metálicos también permiten que los electrones de valencia se muevan libremente por todo el metal en un "mar de electrones", lo que los convierte en grandes conductores de electricidad. Su dureza y puntos de fusión varían ampliamente.
Los cristales moleculares están formados por moléculas enlazadas, a diferencia de los cristales metálicos y de red, que están formados por átomos enlazados. Los enlaces moleculares son relativamente débiles en comparación con los enlaces atómicos y pueden ser causados por una variedad de fuerzas intermoleculares, incluidas las fuerzas de dispersión y las fuerzas dipolo-dipolo.
Los enlaces de hidrógeno débiles mantienen unidos algunos cristales moleculares, como el hielo. Debido a que los cristales moleculares se mantienen unidos por enlaces tan débiles, sus puntos de fusión tienden a ser mucho más bajos, son peores conductores de calor y electricidad y son más blandos. Los ejemplos comunes de cristales moleculares incluyen hielo, hielo seco y cafeína.
Los sólidos formados por el Gases nobles también se consideran cristales moleculares a pesar de estar formados por átomos singulares; los átomos de gas noble están unidos por fuerzas similares a las que unen débilmente las moléculas en un cristal molecular, lo que les confiere propiedades muy similares.
Un policristal es un sólido que se compone de múltiples tipos de estructuras cristalinas, que a su vez se combinan en un patrón no periódico. El hielo de agua es un ejemplo de policristal, al igual que la mayoría de los metales, muchas cerámicas y rocas. La unidad más grande que consta de un patrón singular se llama grano, y un grano puede contener muchas celdas unitarias.
Conductividad en sólidos cristalinos
Un electrón en un sólido cristalino está limitado en la cantidad de energía que puede tener. Los posibles valores de energía que puede tener constituyen una "banda" pseudo-continua de energía, llamada banda de energía. Un electrón puede tomar cualquier valor de energía dentro de la banda, siempre que la banda no esté llena (hay un límite para la cantidad de electrones que puede contener una banda determinada).
Estas bandas, aunque se consideran continuas, son técnicamente discretas; simplemente contienen demasiados niveles de energía que están demasiado cerca para resolverse por separado.
Las bandas más importantes se denominan banda de conducción y banda de valencia: la banda de valencia es el rango de los niveles de energía más altos del material. en el que los electrones están presentes a la temperatura del cero absoluto, mientras que la banda de conducción es el rango más bajo de niveles que contienen estados.
En semiconductores y aisladores, estas bandas están separadas por un espacio de energía, llamado banda prohibida. En semimetales, se superponen. En los metales, esencialmente no hay distinción entre ellos.
Cuando un electrón está en la banda de conducción, tiene suficiente energía para moverse libremente por el material. Así es como estos materiales conducen la electricidad: a través del movimiento de electrones en sus bandas de conducción. Dado que la banda de valencia y la banda de conducción no tienen un espacio entre ellas en los metales, es fácil que los metales conduzcan la electricidad. Los materiales con una banda prohibida mayor tienden a ser aislantes; es difícil conseguir que un electrón tenga suficiente energía para saltar el espacio y entrar en la banda de conducción.
Sólidos amorfos
Otro tipo de sólido es un sólido amorfo, que no tiene un patrón periódico. Los átomos y moléculas dentro de los sólidos amorfos son en gran parte desestructurado. Debido a esto, comparten muchas similitudes con los líquidos y, de hecho, no tienen un punto de fusión establecido.
En cambio, debido a que las distancias entre los átomos o moléculas vecinos en la estructura varían, la energía térmica atraviesa el material de manera desigual. El material se derrite lentamente en un amplio rango de temperaturas.
Los ejemplos de sólidos amorfos incluyen caucho, vidrio y plástico. La obsidiana y el algodón de azúcar también son ejemplos de sólidos amorfos.