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8/18/2019 Sólidos Iónicos y Metálicos
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TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS
QUÍMICA
8/18/2019 Sólidos Iónicos y Metálicos
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2
Contenidos del Tema 3
1.
Estados de agregación de la materia.
2. Sólidos metálicos.
3. Sólidos iónicos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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3/54
3
Bibliografía
•
R. Chang. FUNDAMENTOS DE QUÍMICA, McGraw-Hill/Interamericana,México 2011 –
Capítulo 1. “El estudio del cambio”. (Apartados 1.3, 1.4).
– Capítulo 7. “Enlace químico I: conceptos básicos”. (Apartados 7.2, 7.3).
– Capítulo 9. “Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos. (Apartados 9.2, 9.4).
•
M.D. Reboiras. QUÍMICA, LA CIENCIA BÁSICA, Thomson, Madrid 2006. –
Capítulo 1. “La materia, sus propiedades y medida”. (Apartados 1.1, 1.2).
–
Capítulo 3. “Los compuestos químicos”. (Apartados 3.1, 3.2).
– Capítulo 10. “Enlace químico I: conceptos básicos”. (Apartado 10.3).
– Capítulo 11. “Enlace químico II: aspectos adicionales”. (Apartado 11.11)
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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4
1.
Estados de agregación de la materia.
1.1. Cambios de estado.
1.2. Fuerzas entre partículas.
1.3. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
1. Estados de agregación de la materia.
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5
1. Estados de agregación de la materia.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Elementos Materia¿Cómo pasamos de los
átomos de loselementos a la materia
que conocemos?...
! Mediante el enlace
químico y las fuerzasintermoleculares
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6
1. Estados de agregación de la materia.
Estados físicos de la Materia
La Materia se puede presentar en tres estados físicos (Sólido, Líquido, Gas) quedifieren entre sí en propiedades observables a simple vista.
El cambio de un estado a otro se puede conseguir por efecto de la temperatura ode la presión.
Estado Sólido Estado Líquido Estado Gaseoso
Cambios de estado causados por la temperatura a presión constante.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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1. Estados de agregación de la materia. Ejemplo.
Sólido(hielo)
Líquido(agua)
Gas(vapor )
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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GASES LÍQUIDOS SÓLIDOS
Sin forma definida.Llenan totalmente el recipiente.
Sin forma definida.Se adaptan al recipiente. Con forma definida.
Compresibles.
Volumen en función de la presión.
Poco compresibles.Volumen definido con pocadependencia de la presión.
Incompresibles.Volumen definido sin dependenciade la presión.
Densidad baja(!O2 = 1,31 kg/m3 a 25ºC, 1atm)
Densidad alta.(!H2O = 1000 kg/m3 a 25ºC, 1atm)
Densidad alta.(! Al = 2700 kg/m3 a 25ºC, 1atm)
Fluidos. Fluidos. No son fluidos.
Difunden rápidamente. Difunden en otros líquidos.Difunden muy lentamente en otrossólidos.
Partículas desordenadas. Partículas con orden próximo. Partículas muy ordenadas.
Partículas lejanas.Mucho espacio vacío. Partículas cercanas. Partículas muy cercanas.
Partículas con movimientorápido y aleatorio. Partículas con movimiento aleatorio. Partículas con movimiento vibratorio.
Características de los tres estados de la materia.
1. Estados de agregación de la materia.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
8/18/2019 Sólidos Iónicos y Metálicos
9/549TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Los cambios de estado son cambios físicos pues un substancia
cambia su apariencia física pero no su composición.
1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado.
Gas
Líquido
Sólido
SublimaciónDeposiciónDesublimación Sublimación inversa
EvaporaciónEbullición
Condensación
Fusión Congelación
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1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado.
Zona E: el gas se calienta.
Zona D: a una temperaturadeterminada (Tebullición), el líquidopasa a gas de manera progresiva.
Zona C: el líquido se calienta.
Zona B: a una temperaturadeterminada (Tfusión), el sólido pasaa líquido de manera progresiva.
Zona A: el sólido se calienta.
Variación de la temperatura de un sólido al calentarlo (a P constante)
Tfusión
Tebullición
Sólido
Sólido y Líquido
Líquido
Líquido y Gas
Gas
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Funcionamiento del “Baño María”
En el caso particular del agua, la transición de líquidoa gas se produce a 100ºC (a P = 1 atm).
Mientras el agua se evapora, la temperatura no sube.
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Evaporación ! Ebullición
La evaporación es un fenómeno de superfície que tiene lugar a cualquier temperatura y estárelacionada con la presión de vapor (pV).
La presión de vapor (pV) se define como la presión ejercida por un vapor en equilibrio
dinámico con su líquido en un recipiente cerrado. Los líquidos volátiles presentan presionesde vapor elevadas a temperatura ambiente y poca interacción entre las partículas del líquido.
La ebullición se da en toda la masa del líquido y sólo tiene lugar a la temperatura deebullición (a una presión definida). La temperatura de ebullición es la temperatura a la cualla presión de vapor iguala la presión externa.
Si la presión externa es 1 atm, la temperatura de ebullición se conoce como punto deebullición.
1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Evaporación
Presión de vapor
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Gas
Líquido
Sólido
Temperatura Fuerzas entre partículas
Agua: -10ºC ! sólido20ºC ! líquido140ºC ! gas
A 25ºC: oxígeno ! gasagua ! líquidomercurio ! líquidoaluminio ! sólidosal ! sólidodiamante ! sólido
+
-
-
+
1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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Sustancia Punto de fusión (oC) Punto de ebullición (oC) Estado de agregación
a Tambiente (25ºC)
Oxígeno -218 -183 Gas
Amoníaco -178 -33 Gas
Etanol(alcohol etílico)
-114 78 Líquido
Agua 0 100 Líquido
Mercurio -39 357 Líquido Aluminio 658 2600 Sólido
Cloruro de sodio(sal común)
808 1465 Sólido
Puntos de fusión y ebullición de algunas sustancias
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas.
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Estado FísicoVelocidad
Temperatura
Intensidad de lasfuerzas entre
partículasSólido ideal Nula Muy alta
Sólido real Baja Altas
Líquido Intermedia Intermedias
Gas real Alta Bajas
Gas ideal Muy alta Nulas
Relación entre estado físico, intensidad de las fuerzas entre partículas y
temperatura (velocidad de las partículas).
1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Elementos
Materia
Sustancias Metálicas
Sustancias Iónicas
Sustancias Covalentes
Sustancias MolecularesMoléculas
En l a c e m
e t á l i c o
Enlace
covalente
Fuerzas
Intermoleculares
Enlace
iónicoIones
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Classificació de les substàncies
Tipos desustancias
Partículasintegrantes
Tipo de interacciónentre partículas
Estado deagregación
a Tambiente
Ejemplos
Iónicas Iones Enlace iónico SólidoNaCl,KBr,
NaHCO3
Metálicas Cationes ye- de valencia
Enlace metálico Sólido(excepto Hg)
Cu,
Fe, Au, Ag,
alcalinos
Covalentes Átomos Enlace covalente Sólido
SiO2,C(d) (diamante),
C(g)
grafito,BN,SiC
Moleculares
Moléculas
Átomos
(gases nobles)
Fuerzas de van der WaalsEnlace de hidrógeno
Depende
Br 2, Ar,CO2,agua,
c. orgánicos
1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas.
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Sólido cristalino Sólido amorfo
RED CRISTALINA
Orden lejano, periodicidad
Temperatura de fusióndefinida
Anisotropía
1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.
Orden próximo únicamente
Intervalo de fusión
Isotropía
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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Redes cristalinas
Cada tipo de red cristalinase puede definir con unacelda unidad que se repiteperiódicamente.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.
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Sólido cristalino Sólido amorfo
1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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Tipo de sólidoTipo de unión enla red cristalina Ejemplos Propiedades generales más destacadas
Sólidos iónicos(aniones o cationes en
los nodos de la red)E. Iónico NaCl, K2SO4 NH4l
Duros. Puntos de fusión y ebullición altos con un
amplio intervalo líquido.
No conducen la corriente eléctrica pero sí conducen
fundidos o en disolución.Solubles en líquidos polares.
Sólidos metálicos(iones positivos enlos nodos de la red)
E. Metálico Ag, bronce, Fe
Dureza variable.Dúctiles, maleables, tenaces.
Puntos de fusión y ebullición altos.
Conduce muy bien la electricidad.Solubles en otros metales líquidos o fundidos.
Sólidos covalentes
(molécula gigantecon átomos en losnodos de la red)
E. Covalente C(d), BN, SiC
Muy duros. Puntos de fusión y ebullición muy altos.
No conducen la corriente eléctrica.Insolubles en disolventes polares y no polares.
Sólidos moleculares(moléculas en losnodos de la red,
átomos en el casode los gases nobles)
F. van der Waalso
E. de hidrógeno
Compuestosorgánicos
no iónicos, H2O,
Br 2, Ar, CO2
Blandos, puntos de fusión y ebullición bajos.
No conducen la corriente eléctrica.
Los apolares son solubles en líquidos polares.
Los polares son solubles en líquidos polares.
1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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2. Enlace metálico.
2.1. Modelos.
2.2. Fuerza de enlace.
2.3. Empaquetamientos.
2.4. Propiedades
2.4.1. Puntos de fusión y ebullición.2.4.2. Conductividad eléctrica.
2.4.3. Densidad.
2.4.4. Propiedades mecánicas. Dureza.2.4.5. Otras propiedades.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
2. Enlace metálico.
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El ENLACE METÁLICO se da únicamente entre elementos metálicos (los más
abundantes en la tabla periódica).En este tipo de enlace, se comparten electrones entre TODOS los átomosmetálicos que componen la sustancia.
Existen dos modelos diferentes para ilustrar el enlace metálico:
• El Modelo del mar de electrones (o nube de electrones).
• El modelo derivado de la Teoría de bandas (o de orbitales moleculares).
2. Enlace metálico. Modelos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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• Modelo del mar de electrones:
Todos los átomos están ionizados por pérdida dee- de valencia.Los cationes metálicos permanecen fijos formandouna red cristalina y los electrones estándeslocalizados a su alrededor formando una nube.
La nube de electrones rodea los cationes y realizaun doble efecto: atrae los cationes por la diferenciade carga y apantalla la repulsión entre cationes.
- Como existe una red cristalina, este enlace da lugar asustancias sólidas (excepto Hg).- Como los electrones son móviles, los metalesconducen la electricidad.- El desplazamiento de los cationes no afectagravemente al enlace pues los electrones son móviles yse pueden reorganizar. Por eso los metales son dúctiles y maleables.
2. Enlace metálico. Modelos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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• Modelo de la Teoría de bandas.
El modelo del mar de electrones no explica ladiferencia de conductividad eléctrica de losmetales. Para una explicación adecuada esnecesario otro modelo.
El modelo de la Teoría de bandas considera quelos orbitales atómicos de elementos metálicosvecinos se combinan entre sí para dar lugar anuevos niveles electrónicos.Cuando se unen suficientes átomos, se formanniveles de energía (o bandas de energía).
2. Enlace metálico. Modelos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Para el caso del litio:- La mitad inferior está llena de electrones (banda de valencia).- La mitad superior no tiene electrones (banda de conducción).- La promoción de electrones de una banda a otra por una diferencia de potencial permitela conducción de la electricidad.- La promoción de electrones debida a la radiación electromagnética permite el efecto
fotoeléctrico.
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Bandas de valencia y de conducción para metales, semiconductores y aislantes.
2. Enlace metálico. Modelos.
Bandas devalencia
Bandas deconducción
"E
"E
Metal AislanteSemiconductor
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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2. Enlace metálico. Modelos.
Bandas de valencia y de conducción para carbono, silicio, germanio y estaño.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
La diferencia de energías entre bandas, explica el diferente comportamiento delos elementos del mismo grupo.
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¿De qué depende la fuerza del enlace metálico?a. Del número de electrones de valencia que intervienen en el enlace.
- La fuerza del enlace aumenta a medida que aumenta el número deelectrones compartidos.
b.
Del tamaño de los cationes.- La fuerza del enlace disminuye al aumentar el radio atómico porque
crece la distancia media entre la nube de electrones y el centro delcatión y, en consecuencia, disminuye la fuerza electrostática entreellos.
- ¿Qué metal tendrá un enlace más fuerte?• Mg ó Ca• Al ó Na
2. Enlace metálico. Fuerza de enlace.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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2. Enlace metálico. Empaquetamientos.
Algunas propiedades de los metales
dependen del empaquetamiento delos cationes en la red cristalina.
Existen diferentes maneras de formarla red cristalina pero predominan losíndices de coordinación elevados
(nº de cationes adyacentes a uncatión determinado).
Cada red se puede definir con unacelda unidad que se repi te
periódicamente. Las principales son:- Cúbica centrada en el cuerpo-
Cúbica centrada en las caras- Hexagonal.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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30TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
2. Enlace metálico. Empaquetamientos.
Estructura
Cúbicacentrada en el cuerpo
(body-centered cube)
Cúbicacentrada en las caras
(face-centered cube)
Hexagonal compacta
(hexagonal close packing )
Celda unidad
Siglas bcc fcc hcp
IC 8 12 12
Nº de átomospor celda unidad
2 4 2
Espacio vacío 32% 26% 26%
Ejemplos
Fe, Ba,alcalinos (Li, Na, K,!),
Grupo 5 (V, !),Grupo 6 (Cr , Mo, W).
Ca, Sr, Al, Pb, Rh, Ir,Grupo 10 (Ni, Pd, Pt),
Grupo 11 (Cu, Ag, Au).
Be, Mg, Zn, Co, Cd,Tc, Re, Ru, Os,
Grupo 3 (Sc, I, La, Ac),Grupo 4 (Ti, Zr,!).
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31TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
2. Enlace metálico. Empaquetamientos.
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2. Enlace metálico. Empaquetamientos.
Solamente los empaquetamientos hexagonal y cúbico centrado en las caras son
compactos (74% de ocupación).La diferencia entre ellos estriba en la ordenación relativa de las capas de cationes.
Esta ordenacióngenera una celda hcp
Esta ordenacióngenera una celda fcc
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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2. Enlace metálico. Propiedades. Puntos de fusión y de ebullición.
Puntos de fusión y de ebullición.
•
Son muy variados debido al gran número de metales diferentes.•
Los puntos de fusión varían desde los -39 ºC (Hg) hasta los 3410 ºC (W).• Los puntos de ebullición van de 357 ºC (Hg) hasta 5660 ºC (W).
•
Para los elementos representativos, aumentan con el número de e- de valencia ya medida que disminuye el radio de los cationes.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14180 Li
1347
1280 Be
2970 98 Na
883
649 Mg
1090
660 Al
2467 64
K
774
838
Ca
1484
1539
Sc
2832
1660
Ti
3287
1890
V
3380
1857
Cr
2672
1244
Mn
1962
1535
Fe
2750
1495
Co
2870
1453
Ni
2732
1083
Cu
2567
420
Zn
907
30
Ga
2403
937
Ge
2830
39 Rb
688
770 Sr
1384
1523 Y
3337
1852 Zr
4377
2468 Nb
4742
2617 Mo
4612
2172 Tc
4877
2310 Ru
3900
1966 Rh
3727
1552 Pd
3140
962 Ag
2212
321 Cd
765
157 In
2080
232 Sn
2270
29 Cs
678
725 Ba
1640
920 La
3454
2227 Hf
4602
2996 Ta
5425
3410 W
5660
3180 Re
5627
3045 Os
5027
2410 Ir
4130
1772 Pt
3827
1064 Au
2807
-39 Hg
357
303 Tl
1457
327 Pb
1740
Puntos de fusión (arriba) y de ebullición (abajo) de los metales.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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Conductividad eléctrica
•
La plata es el mejor conductor, seguida del cobre, del oro y del aluminio.• A menor temperatura la conducción es mejor porque los cationes oscilanmenos y facilitan el paso de los electrones.
2. Enlace metálico. Propiedades. Conductividad eléctrica.
IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB IIB IIIA IVA
Li
9,5
Be
3,8
Na 4,9
Mg 4,4
Al 2,7
K 7,5
Ca 3,4
Sc 55
Ti 40
V 20
Cr 12,7
Mn 144
Fe 10
Co 6
Ni 7,2
Cu 1,72
Zn6,0
Ga 14
Ge -
Rb 13,3
Sr 13,3
Y 60
Zr 43,3
Nb 15,2
Mo 5,5
Tc 22
Ru 7,1
Rh 4,3
Pd 10,8
Ag 1,63
Cd 7
In 8
Sn 11,5
Cs 21
Ba 34
La 61,5
Hf 34
Ta 13,5
W 5,4
Re 18
Os 8,1
Ir 4,7
Pt 10,6
Au 2,2
Hg 96
Tl 15
Pb 21
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Resistividad eléctrica de los metales. (10-8 # m)
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Densidad • En general, al ser sólidos compactos pueden llegar a ser muy densos.
•
Los metales alcalinos tienen densidades bajas, cercanas a 1 g"cm-3 (empaquetamiento bcc).
• Algunos metales de transición son muy densos (W 19,35 g"cm-3).•
La densidad aumenta con el período y el grupo aunque hay excepcionesdebidas a la variación del radio de los elementos de los períodos 5 y 6.
2. Enlace metálico. Propiedades. Densidad.
IA
IIA
IIIB
IVB
VB
VIB
VIIB
VIII
IB
IIB
IIIA
IVA
Li
0,53 Be
1,85
Na 0,97
Mg 1,74
Al 2,70
K
0,86
Ca
1,55
Sc
3
Ti
4,51
V
6,1
Cr
7,19
Mn
7,43
Fe
7,86
Co
8,9
Ni
8,9
Cu
8,96
Zn7,14
Ga
5,91
Ge
5,32
Rb
1,53 Sr
2,6 Y
4,47 Zr
6,49 Nb
8,4 Mo
10,2 Tc
11,5 Ru
12,2 Rh
12,4 Pd
12,0 Ag
10,5 Cd
8,65 In
7,31 Sn
7,30
Cs 1,90
Ba 3,5
La 6,17
Hf 13,1
Ta 16,6
W 19,3
Re 21,0
Os 22,6
Ir 22,5
Pt 21,4
Au 19,3
Hg 13,6
Tl 11,85
Pb 11,4
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.Densidad de los metales (g"cm-3)
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36
Propiedades mecánicas: dureza
Los metales son dúctiles (se pueden hilar) y maleables (se pueden laminar). Estaspropiedades se deben a que es posible el desplazamiento de los cationes .
La dureza varía bastante entre los elementos:- Los alcalinos presentan enlaces débiles (pocos electrones de valencia).-
Elementos con más electrones de valencia pueden ser muy duros (Ti, W, Fe!).
2. Enlace metálico. Propiedades. Propiedades mecánicas. Dureza.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
8/18/2019 Sólidos Iónicos y Metálicos
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37
IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB IIB IIIA IVA
Li
0,6
Be
5,5
Na 0,5
Mg 2,5
Al 2,75
K
0,4
Ca
1,75
Sc
-
Ti
6,0
V
7,0
Cr
8,5
Mn
6,0 Fe
4,0 Co
5,0 Ni
4,0 Cu
3,0 Zn2,5 Ga
1,5
Ge
6,0
Rb 0,3
Sr 1,5
Y -
Zr 5,0
Nb 6,0
Mo 5,5
Tc -
Ru 6,5
Rh 6,0
Pd 4,75
Ag 2,5
Cd 2,0
In 1,2
Sn 1,5
Cs
0,2
Ba
1,25
La
-
Hf
5,5
Ta
6,5
W
7,5
Re
7,0 Os
7,0 Ir
6,5 Pt
3,5
Au
2,5 Hg
-
Tl
1,2 Pb
1,5
Dureza de los metales. Escala de Mohs (de 1 a 10).
G.V. Samsonov (Ed.) in Handbook of the physicochemical properties of the elements, IFI-Plenum, New York, USA, 1968.
2. Enlace metálico. Propiedades. Propiedades mecánicas. Dureza.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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• Conducción del calor . Los metales son buenos conductores, la transferencia
de energía (mediante choques entre partículas) es fácil debido a los electronesmóviles.
• Brillo. Dada la variedad de niveles electrónicos (bandas), los metales puedenabsorber y emitir radiación electromagnética cuando son excitados, por eso
son brillantes. El oro y el cobre absorben parte de la radiación azul y por esoson dorados.
• Emisión de electrones. Los electrones se pueden arrancar fácilmente porefecto del calor (efecto termoiónico) y por la luz (efecto fotoeléctrico).
• Solubilidad. Los metales sólo son solubles en otros metales fundidos olíquidos (Hg).
2. Enlace metálico. Propiedades. Otras propiedades
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3. Enlace iónico.
3.1. Iones.
3.2. Redes cristalinas.
3.3. Fuerza de enlace.
3.4. Propiedades.
3.4.1. Puntos de fusión y ebullición y densidad3.4.2. Propiedades mecánicas.
3.4.3. Solubilidad
3.4.4. Conductividad eléctrica y térmica3.4.5. Excepciones.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
3. Enlace iónico.
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El ENLACE IÓNICO se fundamenta en la unión de iones de signo
contrario que se atraen por fuerzas electrostáticas.
NaCl: Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 = [Ne] 3s1 Na+: [Ne]Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 = [Ne] 3s2 3p5 Cl-: [Ne] 3s2 3p6= [Ar]
"
Los elementos metálicos forman cationes monoatómicos: Na+, Ca2+, Fe3+, ! " Los elementos no metálicos forman aniones monoatómicos pero también
pueden formar iones poliatómicos que pueden ser cationes o aniones:- Aniones monoatómicos: Cl-, O2-, N3-.! - Aniones poliatómicos: SO42-, NO3-, H2PO4-, ! - Cationes poliatómicos: NO2
+, NH4+, ClO+, !
3. Enlace iónico. Iones.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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3. Enlace iónico. Redes cristalinas.
La disposición de cationes y aniones da lugar a REDES CRISTALINAS.
Las más frecuentes y características son:- Tipo cloruro de cesio.- Tipo cloruro de sodio.- Tipo blenda de zinc (o esfalerita)
Cloruro de sodio
Cloruro de cesio
Blenda de zinc
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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3. Enlace iónico. Redes cristalinas.
El tipo de RED CRISTALINA depende de la relación entre los radios de
los cationes y los aniones (aunque hay excepciones).
Compuestos de Estequiometría AB
Relación de radios IC Estructura tipo Ejemplos
0.225< r+ / r-
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1,23CsF
1,08RbF
0,98KF
0,82RbCl
0,76RbBr
0,73KCl0,83CsCl
0,52CuCl0,69RbI0,83CsBr
0,5CuBr0,68KBr0,83TICl
0,47ZnS0,62KI0,77CsI
0,43CuI0,53NaCl0,77TIBr
0,2BeS0,43NaI0,67TII
r + / r - Sustanciar + / r - Sustanciar + / r - Sustancia
Estructura tipo ZnS(blenda)Estructura tipo NaClEstructura tipo CsCl
Relación entre radios y estructuras de los sólidos iónicos AB
0.225< r+ / r-
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¿De qué depende la fuerza del enlace iónico?Para que el enlace tenga lugar, los átomos de metal deben perderelectrones (energía relacionada con el potencial de ionización, PI) y losátomos de no metal deben ganar electrones (energía relacionada con laafinidad electrónica, AE).
Pero PI y AE se definen para átomos en estado gaseoso.
Para poder analizar las energías que intervienen en un enlace iónicoutilizamos un ciclo termodinámico: el ciclo de Born-Haber.
3. Enlace iónico. Fuerza de enlace.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
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El ciclo de Born-Haber da el balance energético en la formación de un enlaceiónico. Consta de 3 etapas:
A.
formación de átomos gaseosos a partir de las sustancias elementalesB. ionización de átomos en fase gasC. formación de la red cristalina
1/2Cl2 + Na(s)(g) NaCl(s)
Cl(g) + Na(g) Cl-(g) Na+(g)+
U
PI + AE
1/2D +
Hof
Hs
Hof = entalpía de formación, energía implicada en la transformación de las substancias elementales enun sólido iónico.D = energía de disociación del enlace covalente Cl-Cl.
Hs = entalpía de sublimación, energía implicada en cambiar de estado sólido a gas.PI = potencial de ionización.AE = afinidad electrónicaU = energía reticular
A)
B)
C)
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3. Enlace iónico. Fuerza de enlace.
Hof (NaCl(s))= Hs + " D + PI + AE + U
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)n
11(
d
eZNZ AU
2
21!=
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3. Enlace iónico. Fuerza de enlace.
Hof (NaCl(s))= Hs + " D + PI + AE + U = 109 + (244/2) + 496 -348 -790 = -411kJ
Como era de esperar, cuanto más pequeño sea elpotencial de ionización y más negativa sea laafinidad electrónica del no metal, más fácilmentese formará el compuesto iónico.
Es importante recordar que el proceso de ionización sehace más desfavorable a medida que se forman máscargas (potenciales de ionización sucesivos).
Aparece un término nuevo: la Energía reticular
(U) que es la que estabiliza el compuesto.
U
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A = constante de Madelung (varía entre 1,6 y 25). Depende de la estructura.N = número de Avogadro = 6,023 1023 Z 1 i Z 2 = número de cargas del catión y del anión (con signo)e = carga del electrón = 1,602 x 10-19 C
d = distancia de equilibrio (distancia entre los centros de los iones adyacentes)n = constante (varía entre 5 y 11)
Teniendo en cuenta la expresión aproximada y considerando que cuanto másnegativa sea la energía reticular, más grande será la fuerza de enlace, podemosconcluir que el enlace será más fuerte:
a) cuando el producto de cargas sea mayor ,
b) cuando el radio de los iones sea menor .
U =
A·
N · Z 1· Z 2 ·e2
d (1!
1
n )"
constante·
Z 1· Z 2
d
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3. Enlace iónico. Fuerza de enlace.
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En general, el enlace iónico es un enlace fuerte debido a la interacción
electrostática que atrae los iones de carga diferente.o El enlace será más fuerte cuanto mayores sean las cargas y menores los iones.o Si estos parámetros son similares, será necesario considerar el factor de la
estructura (en función de la constante de Madelung).
Puntos de fusiónVarían desde aproximadamente 200ºC hasta 3000oC y, por tanto, son compuestossólidos a temperatura ambiente.
Puntos de ebulliciónSon altos y varían como los puntos de fusión. Algunas sustancias subliman o
descomponen antes de hervir.
DensidadSon sustancias densas (de 1 a 4 g"cm-3) pero menos de lo que se podría esperarpues a menudo se producen defectos en los cristales y aparecen huecos.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
3. Enlace iónico. Propiedades. Puntos de fusión y ebullición y densidad.
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Temperaturas de fusión y ebullición y densidades de algunas sustancias iónicas
SustanciaTfusión
(ºC)Tebullición
(ºC)Densidad
(g/cm3)Sustancia
Tfusión(ºC)
Tebullición (ºC)
Densidad(g/cm3)
NaF 988 1695 2,78 KF 846 1505 2,48
NaCl 801 1413 2,16 KCl 776 1500s 1,99
NaBr 755 1390 3,20 KBr 730 1435 2,75
NaI 651 1304 3,67 KI 686 1330 3,12
Na2O 1275s - 2,27 K2O 350d - 2,35
Na2S 1180 - 2,68 K2S 840 - 1,74
KNO3 334 400d 2,11 CaCl2 772 >1600 2,15KHSO4 214 d 2,20 CaO 2580 2850 3,35
CaSO4 1450 - 2,96 Ca(NO3)2 561 - 2,50
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
s: sublimad: descompone
3. Enlace iónico. Propiedades. Puntos de fusión y ebullición y densidad.
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Propiedades mecánicas
Los compuestos iónicos son duros y difíciles de rayar ya que el enlace esfuerte.
Pero también son frágiles porque si se mueven unas capas de iones sobreotras se enfrentan iones del mismo signo que se repelen y el cristal se
rompe.
TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
3. Enlace iónico. Propiedades. Propiedades mecánicas.
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51TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
Solubilidad
En general, los sólidos iónicos son solubles en disolventes polares (comoel agua) e insolubles en disolventes apolares. Los disolventes polaresrodean los iones y los separan de la red cristalina.
No obstante, hay compuestos iónicos que no se disuelven en agua (ejemplos: losóxidos de metales divalentes y trivalentes pues su enlace es muy fuerte, Tema 9).
Disolución deNaCl en agua.
3. Enlace iónico. Propiedades. Solubilidad.
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53TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.
3. Enlace iónico. Propiedades. Conductividad eléctrica y térmica.
Conductividad eléctrica
Los compuestos iónicos no conducen la electricidad en estado sólido porque laspartículas cargadas están inmóviles en la red cristalina.Sí conducen en estado líquido (si funden) o en disolución acuosa (si sedisuelven).
Conductividad térmica.Los compuestos iónicos no son buenos conductores del calor.
No conduce
Conduce
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Excepciones:
Existen compuestos iónicos que se desvían de las propiedadesgenerales.
Por ejemplo, las sales de aluminio a menudo presentan enlaces concarácter covalente y tienen propiedades intermedias entrecompuestos iónicos y covalentes
El corindón (Al2O3) es una de las substancias más duras (9 en la escala deMohs, sólo por debajo del diamante).
El AlCl3 al fundir no separa sus iones sino que forma moléculas (Al2Cl6) y, poreso, no conduce la electricidad en estado líquido.
3. Enlace iónico. Propiedades. Excepciones.