Propiedades Físicas

Propiedades físicas de las estructuras cristalinas

Ahora sabemos que el estado de la materia es una propiedad física, y sabemos que podemos cambiar el estado de una sustancia calentándola. Las partículas de un sólido aumentarán su energía cinética, moviéndose cada vez más deprisa hasta que se suministre suficiente energía para romper algunos de los enlaces entre ellas. Esto ocurre a una determinada temperatura: el punto de fusión.

Pero las distintas sustancias tienen puntos de fusión muy diferentes. El cloruro sódico se funde a 800 °C, mientras que el cloro gaseoso permanece en estado líquido hasta -101,5 °C. Éste es sólo un ejemplo de sus diferentes propiedades físicas.

¿Cuál es la causa de estas diferencias? Para entenderlo, tenemos que examinar los distintos tipos de estructuras cristalinas, así como sus fuerzas y la forma en que se unen.

¿Qué es un cristal?

Estas fuerzas pueden ser intramoleculares, como los enlaces covalentes, metálicos o iónicos, o intermoleculares, como las fuerzas de van der Waals, las fuerzas dipolo-dipolo permanentes o los enlaces de hidrógeno. Nos interesan cuatro tipos diferentes de cristales:

• Cristales moleculares.
• Cristales covalentes gigantes.
• Cristales iónicos gigantes.
• Cristales metálicos gigantes

Cristales moleculares

Los cristalesmoleculares están formados por moléculas covalentes simples unidas por fuerzas intermoleculares. Aunque los fuertes enlaces co valentes dentro de cada molécula mantienen unidos a los átomos, las fuerzas intermoleculares entre moléculas son débiles y fáciles de superar. Esto hace que los cristales moleculares tengan puntos de fusión y ebullición bajos. También son blandos y se rompen con facilidad. Un ejemplo es el cloro, . Aunque cada molécula de cloro está formada por dos átomos de cloro unidos covalentemente, las únicas fuerzas entre las moléculas individuales de son débiles fuerzas de van der Waals. Éstas no requieren mucha energía para superarse, por lo que el cloro es un gas a temperatura ambiente.

Un cristal de cloro, formado por muchas moléculas de cloro. Cada molécula está formada por dos átomos de cloro unidos por un fuerte enlace covalente. Sin embargo, las únicas fuerzas entre las moléculas son fuerzas intermoleculares débiles.commons.wikimedia.org

Otro tipo de propiedad física es la conductividad. Los cristales moleculares no pueden conducir la electricidad: no hay partículas cargadas libres para moverse dentro de la estructura.

Cristales covalentes gigantes

Lasestructuras covalentes gigantes también se conocen como macromoléculas.

Al igual que los cristales moleculares, las macromoléculas contienen enlaces covalentes, pero en este caso todas las partículas del cristal son átomos unidos covalentemente entre sí. Como estos enlaces son tan fuertes, las macromoléculas son extremadamente duras y tienen puntos de fusión y ebullición elevados.

Un ejemplo es el diamante (explora más en Estructuras del carbono). El diamante está formado por átomos de carbono, cada uno unido a otros cuatro átomos mediante enlaces covalentes. Fundir el diamante implicaría romper estos enlaces extremadamente fuertes. De hecho, el diamante no se funde en absoluto bajo presión atmosférica.

Al igual que los cristales moleculares, los cristales covalentes gigantes no pueden conducir la electricidad, ya que no hay partículas cargadas libres para moverse dentro de la estructura.

Representación en 3D de un cristal de diamante.commons.wikimedia.org

Cristales metálicos gigantes

Cuando los metales se unen, forman cristales metálicos gigantes. Éstos consisten en una disposición reticular de iones metálicos cargados positivamente en un mar de electrones negativos deslocalizados. Existe una fuerte atracción electrostática entre los iones y los electrones, que mantiene unido el cristal. Esto confiere a los metales altos puntos de fusión y ebullición.

Como contienen un mar de electrones deslocalizados que se mueven libremente, los metales son capaces de conducir la electricidad. Ésta es una forma de distinguirlos de otras estructuras.

Enlace metálico. Existe una fuerte atracción electrostática entre los iones metálicos positivos y los electrones deslocalizados. commons.wikimedia.org

Cristales iónicos gigantes

Al igual que los metales, las redes iónicas contienen iones positivos. Pero en este caso, están unidos iónicamente a iones negativos con una fuerte atracción electrostática. De nuevo, esto hace que los compuestos iónicos sean duros y fuertes, con altos puntos de fusión y ebullición.

En estado sólido, los iones de los cristales iónicos se mantienen firmemente unidos en filas ordenadas. No pueden moverse de su posición y sólo vibran en el lugar. Sin embargo, cuando están fundidos o en disolución, los iones pueden moverse libremente y, por tanto, tienen carga. Por tanto, sólo los cristales iónicos fundidos o acuosos son buenos conductores de la electricidad.

Una red iónica. commons.wikimedia.org

Comparación de las propiedades de las estructuras

Volvamos a nuestros ejemplos. El cloruro de sodio, , tiene un punto de fusión muy alto. Ahora sabemos que esto se debe a que es un cristal iónico y sus partículas se mantienen en posición mediante fuertes enlaces iónicos. Para superarlos se necesita mucha energía. Debemos calentar mucho el cloruro sódico para que se funda. En cambio, el cloro sólido, , forma un cristal molecular. Sus moléculas se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares débiles que no requieren mucha energía para superarlas. Por tanto, el cloro tiene un punto de fusión mucho más bajo que el cloruro sódico.

Cloruro de sodio, NaCl. Las líneas representan los fuertes enlaces iónicos entre iones de carga opuesta. Compáralo con el cristal de cloro anterior, que sólo tiene fuerzas intermoleculares débiles entre sus partículas.commons.wikimedia.org

La siguiente tabla te ayudará a resumir las diferencias en las propiedades físicas entre los cuatro tipos de estructura cristalina que hemos aprendido.

Tabla comparativa de las propiedades físicas de las distintas estructuras cristalinas.StudySmarter Originals

Para más información sobre cualquiera de los tipos de enlace mencionados, consulta Enlace covalente y dativo, Enlace iónico y Enlace metálico.

Propiedades físicas del agua

Al igual que el cloro, el agua sólida forma un cristal molecular. Pero a diferencia del cloro, el agua es líquida a temperatura ambiente. Para entender por qué, comparémosla con otra molécula covalente simple, el amoníaco, . Ambas tienen masas relativas similares. Ambas son sólidos moleculares y también ambas forman enlaces de hidrógeno. Por tanto, podríamos predecir que tienen puntos de fusión similares. Seguramente experimentan fuerzas intermoleculares similares entre sus moléculas. Pero en realidad, el agua tiene un punto de fusión mucho más alto que el amoníaco. Necesita más energía para superar las fuerzas entre sus partículas. El agua también es menos densa como sólido que como líquido, lo que debes saber que no es habitual en ninguna sustancia. Veamos por qué. (Si no estás familiarizado con el enlace de hidrógeno, te recomendamos que consultes Fuerzas Intermoleculares antes de continuar).

Observa una molécula de agua. Contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Cada átomo de oxígeno tiene dos pares solitarios de electrones. Esto significa que el agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno: uno utilizando cada átomo de hidrógeno y otro utilizando cada uno de los pares solitarios de electrones del oxígeno.

Cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno. commons.wikimedia.org

Cuando el agua es un líquido, las moléculas están en constante movimiento. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se rompen y reforman constantemente. De hecho, no todas las moléculas tienen los cuatro enlaces de hidrógeno. Sin embargo, cuando el agua es hielo sólido, todas sus moléculas forman el máximo número posible de enlaces de hidrógeno. Esto las obliga a formar un entramado con todas las moléculas en una orientación determinada, lo que afecta a la densidad y a los puntos de fusión y ebullición del agua.

Densidad

El agua es menos densa como sólido que como líquido. Como hemos dicho antes, esto es inusual. Se debe a que la disposición y orientación de las moléculas de agua en su red sólida las separa ligeramente más que en un líquido.

Punto de fusión

El agua tiene un punto de fusión relativamente alto en comparación con otras moléculas covalentes simples de masa relativa similar. Esto se debe a que sus múltiples enlaces de hidrógeno entre moléculas requieren mucha energía para superarlos.

Enlace de hidrógeno en el hielo y el agua líquida. Observa que cada molécula de agua del hielo forma cuatro enlaces de hidrógeno. Esto separa las moléculas formando un entramado regular. commons.wikimedia.org

Si comparamos las estructuras del agua y del amoníaco, podemos explicar la diferencia observada en los puntos de fusión. El amoníaco sólo puede formar dos enlaces de hidrógeno: uno con el único par solitario de electrones de su átomo de nitrógeno y otro con uno de sus átomos de hidrógeno.

Enlace de hidrógeno entre moléculas de amoníaco. Observa que cada molécula puede formar un máximo de dos enlaces de hidrógeno. Originales de StudySmarter

Sin embargo, ahora sabemos que el agua puede formar cuatro enlaces de hidrógeno. Como el agua tiene el doble de enlaces de hidrógeno que el amoníaco, su punto de fusión es mucho más elevado. La siguiente tabla resume las diferencias entre estos dos compuestos.

Tabla comparativa entre el agua y el amoníaco. Originales de StudySmarter