Estructuras de red

Definir la estructura reticular

Si te acercas a cualquier material hasta la escala atómica, verás que los átomos están dispuestos de forma ordenada. Imagina la carcasa de un edificio. Esta disposición de los átomos es generalmente una repetición de una disposición básica de átomos. Esta "unidad", que puede constituir toda la estructura del material si se repite un número suficiente de veces, se denomina estructura reticular del material.

Tipos de estructuras reticulares

Los átomos o iones de una red pueden disponerse de múltiples maneras en una geometría tridimensional.

Estructura reticular cúbica centrada en la cara (FCC)

Se trata de una red cúbica, con un átomo o ion en cada una de las 4 esquinas del cubo, más un átomo en el centro de cada una de las 6 caras del cubo. De ahí el nombre de estructura de red cúbica centrada en las caras.

Estructura reticular cúbica centrada en el cuerpo

Como puedes deducir por el nombre, esta red es una red cúbica con un átomo o ion en el centro del cubo. Todas las esquinas tienen un átomo o ion, pero no las caras.

Fig. 2: Entramado cúbico centrado en el cuerpo[1], Golart, CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons

Estructura reticular hexagonal más compacta

Ahora bien, puede que el nombre de esta estructura reticular no pinte una imagen en tu cabeza de inmediato. Esta red no es cúbica como las dos anteriores. La red puede dividirse en tres capas, y las capas superior e inferior tienen átomos dispuestos de forma hexagonal. La capa intermedia tiene 3 átomos que se intercalan entre las dos capas, y los átomos encajan perfectamente en los huecos de los átomos de las dos capas.

Imagina que colocas 7 manzanas como la capa superior o inferior de esta celosía. Ahora intenta apilar 3 manzanas encima de estas manzanas: ¿cómo lo harías? Las colocarías en los huecos, que es precisamente como están dispuestos los átomos en esta red.

Ejemplos de estructuras reticulares

Ahora que conocemos la disposición que pueden tener los átomos de un compuesto, veamos algunos ejemplos de estas estructuras reticulares.

Entramado iónico gigante

Tal vez recuerdes de nuestros artículos sobre Enlace que el enlace iónico se produce mediante la transferencia de electrones de los metales a los no metales. Esto hace que los metales se carguen al perder electrones, formando iones cargados positivamente (cationes). Los no metales, en cambio, se cargan negativamente al ganar electrones. El enlace iónico, por tanto, implica la formación de fuertes fuerzas electrostáticas entre iones de carga opuesta en una estructura reticular.

Estos compuestos pueden disponerse en redes iónicas gigantes llamadas cristales iónicos. Se denominan "gigantes" porque están formados por un gran número de iones iguales dispuestos en un patrón repetitivo.

Un ejemplo de red iónica gigante es el cloruro sódico, NaCl. En la red del cloruro sódico, los iones ^Na+ y los iones ^Cl- se atraen entre sí en direcciones opuestas. Los iones se empaquetan en forma cúbica, siendo los iones negativos de mayor tamaño que los positivos.

Fig. 3: Diagrama de una red iónica gigante de NaCl. Originales de StudySmarter

Otro ejemplo de red iónica gigante es el óxido de magnesio, MgO. De forma similar a la red del NaCl, los iones Mg2+ y los iones O2- se atraen entre sí en su red. Y también similar a la red del NaCl, están empaquetados juntos en una red cúbica. Los iones negativos del Oxígeno son mayores que los positivos del Magnesio.

Fig. 4: Estructura reticular del óxido de magnesio, MgO | Embibe

Entramados covalentes

Otro tipo importante de enlace es el enlace covalente. El enlace covalente sólo tiene lugar entre no metales.

Hay dos tipos de estructuras que pueden contener enlace covalente: las estructuras covalentes gigantes y las estructuras covalentes simples. La diferencia entre ellas es que la atracción electrostática que mantiene unidas las estructuras gigantes es más fuerte que la atracción electrostática que mantiene unidas las estructuras simples.

Moléculas simples

Algunos ejemplos de entramados moleculares simples serían el yodo, el buckminsterfullereno (_C60) y el hielo.

El buckminsterfullereno (C60) es un alótropo del carbono, lo que significa que sus moléculas sólo están formadas por átomos de carbono. Hay un total de 60 átomos de carbono en el buckminsterfullereno (_C60), que están dispuestos en 20 anillos hexagonales y 12 anillos pentagonales. Estos anillos forman una estructura esférica.

Fig.5: Diagrama que representa el buckminsterfullereno (C60). Originales de StudySmarter

Cuando el agua se congela, las moléculas de H2O se organizan en una estructura reticular cristalina. ¿Sabías que el agua se expande cuando se congela? Eso se debe a que las moléculas de agua tienen más espacio entre ellas cuando se disponen en una estructura cristalina que en estado líquido. Los círculos rojos son átomos de oxígeno y los amarillos son átomos de hidrógeno.

El yodo es otra molécula simple cuyas moléculas se disponen en una red cristalina. Las moléculas de yodo se disponen en una red cúbica cara-céntrica. Una red cúbica cara-céntrica es un cubo de moléculas con otras moléculas en el centro de las caras del cubo.

Fig. 6: Celda unitaria del yodo, compartida bajo dominio público, Wikimedia commons

La red de yodo puede ser un poco difícil de visualizar incluso con una imagen. Mira la red desde arriba: verás que las moléculas de los lados derecho e izquierdo del cubo están alineadas de la misma manera, mientras que las del centro están alineadas al revés.

Estructuras covalentes gigantes

Ejemplos de entramados moleculares gigantes son el grafito, el diamante y el óxido de silicio (IV).

Fig. 7: Formas de las redes moleculares gigantes. Originales de StudySmarter

El grafito es un alótropo del carbono, es decir, está completamente formado por átomos de carbono. El grafito es una estructura covalente gigante porque en una sola molécula de grafito pueden existir millones de átomos de carbono. Los átomos de carbono se disponen en anillos hexagonales, y varios anillos se unen para formar una capa. El grafito está formado por varias de estas capas apiladas unas sobre otras.

Fig. 8: Estructura del grafito, compartida bajo dominio público, Wikimedia Commons.

Los enlaces que comparten los átomos de carbono de una capa son enlaces covalentes fuertes. Cada átomo de carbono establece 3 enlaces covalentes simples con otros 3 átomos de carbono. Existen fuerzas intermoleculares débiles entre las capas (mostradas por líneas de puntos en la figura). El grafito es un material único con algunas propiedades y usos muy interesantes, sobre los que puedes leer más en un artículo dedicado al grafito.

El diamante es otro alótropo del carbono, y una estructura covalente gigante. Tanto el diamante como el grafito están hechos completamente de carbono, pero tienen propiedades completamente distintas. Esto se debe a la diferencia en la estructura reticular de ambos compuestos. En el diamante, los átomos de carbono están dispuestos en una estructura tetraédrica. Cada átomo de carbono establece 4 enlaces covalentes simples con otros 4 átomos de carbono.

Fig. 9: Estructura del diamante | Los carbonos están dispuestos en una geometría tetraédrica | compartido bajo dominio público, Wikimedia Commons

¡Esta geometría tetraédrica hace del diamante el material más duro del mundo! Puedes leer más sobre el diamante en un artículo dedicado a él.

Otro ejemplo de estructura covalente gigante es el óxido de silicio (IV), también conocido como sílice. La sílice es el principal constituyente de la arena. La fórmula química de la sílice es _SiO2. Al igual que el diamante, los átomos de la sílice también están dispuestos en una geometría tetraédrica.

Fig. 10: Geometría tetraédrica del dióxido de silicio | Creado a partir de imágenes de Wikimedia commons compartidas bajo dominio público

Debido a la estructura tetraédrica, el óxido de silicio (IV) es muy duro. El sílice también se utiliza en la formación del vidrio.

Entramados metálicos

Cuando los átomos de los metales se empaquetan estrechamente, crean una forma regular que denominamos retícula metálica gigante.

Dentro de esta red, hay electrones libres en la capa exterior de los átomos metálicos. Estos electrones libres también se conocen como electrones "deslocalizados" y pueden desplazarse libremente por la estructura, permitiendo la formación de iones positivos. Esto hace que se produzca el Enlace Metálico.

Un ejemplo de red metálica es el calcio, cuyos iones tienen carga 2+. El cobre forma una red cúbica centrada en la cara (FCC). En una red FCC, hay un átomo en cada vértice del cubo y un átomo en el centro de cada cara del cubo. Los metales forman estructuras metálicas gigantes, ya que están formados por millones de átomos.

Características de las celosías

Entramados iónicos

Los entramados iónicos gigantes tienen puntos de fusión y ebullición muy altos debido a la fuerte atracción que mantiene unidos a los iones.

Conducen la electricidad, pero sólo cuando están disueltos o fundidos. Cuando las redes iónicas están en estado sólido, sus iones están fijos en posición y no pueden moverse, por lo que no conducen la electricidad.

Las redes iónicas gigantes son solubles en agua y disolventes polares; sin embargo, son insolubles en disolventes no polares. Los disolventes polares contienen átomos con una gran diferencia de electronegatividad. Los disolventes no polares contienen átomos con una diferencia de electronegatividad relativamente pequeña.

Entramados covalentes

Entramados covalentes simples:

Los entramados covalentes simples tienen puntos de fusión y ebullición bajos porque tienen Fuerzas Intermoleculares débiles entre las moléculas. Por tanto, sólo se necesita una pequeña cantidad de energía para romper la red.

No conducen la electricidad en ninguno de los estados: sólido, líquido o gaseoso, ya que no hay iones ni electrones deslocalizados que se desplacen por la estructura y transporten una carga.

Las redes covalentes simples son más solubles en disolventes no polares e insolubles en agua.

Entramados covalentes gigantes:

Los entramados covalentes gigantes tienen puntos de fusión y ebullición elevados, ya que se necesita una gran cantidad de energía para romper los fuertes enlaces entre las moléculas.

La mayoría de estos compuestos no pueden conducir la electricidad porque no hay electrones libres disponibles para transportar una carga. Sin embargo, el grafito puede conducir la electricidad porque tiene electrones deslocalizados.

Estos tipos de entramados son insolubles en agua, ya que no contienen iones.

Entramados metálicos

Los entramados metálicos gigantes tienen puntos de fusión y ebullición moderadamente altos debido a su fuerte enlace metálico.

Estas celosías pueden conducir la electricidad cuando son sólidas o líquidas, ya que los electrones libres están disponibles en ambos estados y pueden desplazarse por la estructura transportando una carga eléctrica.

Son insolubles en agua debido a que los enlaces metálicos son muy fuertes. Sin embargo, pueden ser solubles sólo en metales líquidos.

Parámetros reticulares

Ahora que ya conocemos los distintos tipos de estructuras reticulares y sus características, vamos a estudiar los parámetros reticulares, que describen la geometría de la celda unitaria de un cristal.

Fig. 12: Celda unitaria de un cubo simple con los parámetros de red marcados | Archana Tadimeti | StudySmarter Originals

Los parámetros reticulares de este cubo simple son a,b,c y los ángulos \( \alfa , \beta , \gamma ). Todos ellos se denominan colectivamente parámetros reticulares, que son los mismos para otros sistemas cúbicos como FCC o BCC.

Para los cúbicos simples, FCC y BCC, las dimensiones a,b y c son iguales, es decir, \(a=b=c\) y los ángulos entre ellas \( \alpha = \beta = \gamma = 90^ \circ \).

Constantes de red

Las constantes de red son únicas para cada cristal, dependiendo de la estructura de su celda unitaria. Por ejemplo, la constante de red a del Polonio es de 0,334 nm o 3,345 ^A°. ¿Cómo se ha obtenido?

Para entenderlo, veamos cómo se distribuyen los átomos de polonio en su red cúbica simple.

Fig. 13: Cristal cúbico simple | Cdang,Samuel Dupré,Daniele Pugliesi CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons[3]

Cada átomo de Po se sitúa en las esquinas del cubo. Como sabes, este cubo no está solo, sino rodeado tridimensionalmente por células unitarias. Por eso esta imagen representa sólo las partes del átomo (asumidas como esferas) que están dentro de esta celda unidad concreta, por lo que se dibuja como si los átomos estuvieran "troceados", cuyas partes sobrantes están con otras celdas unidad que rodean a ésta.

Volvamos ahora a la longitud de cada borde de esta celda unidad, representada por "a" . Cada átomo del borde tiene un radio "r". Por tanto, la longitud del borde, \(a = r + r = 2r \).

Ahora que tenemos claro que \( a = 2r\) , lo utilizaremos para calcular la constante de red del Polonio.

A partir de la tabla periódica, el radio atómico del polonio , \(r = 0,168\space nm \) . Por tanto, la constante de red del Polonio es \( 2 veces r = 2 veces 0,168 \espacio nm = 0,336 \espacio nm \) .

Ahora que hemos comprendido lo que es una constante de red, pasemos a algunos usos del estudio de las estructuras de red.

Usos de la estructura reticular

La estructura reticular que forman los átomos de un compuesto afecta a sus propiedades físicas, como la ductilidad y la maleabilidad. Cuando los átomos están dispuestos en una estructura reticular cúbica centrada en las caras, el compuesto presenta una gran ductilidad. Los compuestos con estructura reticular hcp presentan la menor deformabilidad. Los compuestos con estructura reticular bcc se sitúan entre los fcc y los hcp en cuanto a ductilidad y maleabilidad.

Las propiedades afectadas por las estructuras reticulares se utilizan en muchas aplicaciones de materiales. Por ejemplo, los átomos del grafito están dispuestos en una red hcp. Como los átomos están dispuestos con un desplazamiento respecto a los átomos de las capas superior e inferior, las capas pueden desplazarse entre sí con relativa facilidad. Esta propiedad del grafito se utiliza en los núcleos de los lápices: las capas pueden desplazarse y desprenderse fácilmente y depositarse sobre cualquier superficie, lo que permite "escribir" con un lápiz.