CRISTALOQUÍMICA

   La cristaloquímica estudia las propiedades químicas especiales que los cristales adquieren según el tipo de elemento que está presente en la red y las clasificaciones respecto de las mismas. Trata de predecir la estructura del cristal de una composición química dada bajo ciertas condiciones del ambiente y modelar sus posibles transformaciones de fases.

 Cada nudo de la red de un cristal está ocupado por un átomo, ion, grupo iónico o moléculas que se mantienen unidos por distintos tipos de enlaces químicos con diferentes resistencias. Cada nudo representa la posición de equilibrio que sólo se alcanza totalmente en la temperatura cero, las partículas oscilan constantemente de manera que a mayor temperatura más se agitan y pueden distorsionar la red destruirla. Cuando ocurre se pasa del estado sólido al líquido.

Edificios iónicos

Características del enlace iónico
El enlace iónico es debido a fuerzas de atracción electrostática y no direccional entre iones de signo opuesto producidos por transferencia de electrones entre átomos de elementos de elevada diferencia de electronegatividad.
Como hemos indicado anteriormente, siempre que se forma un enlace, (del tipo que sea), se produce una liberación de energía, es decir, que el nivel de energía de los átomos unidos es menor que el de los átomos por separado.
En el caso de los compuestos iónicos se tiene que formar una red cristalina para que se produzca esa liberación de energía como ahora veremos en un ejemplo. Vamos a analizar la formación de NaCl a partir de los átomos libres de Na y Cl en estado gaseoso:
Na (g) + Cl2 (g) à Na+ (g) + Cl‑ (g) à ( Na+Cl‑)n (s)

El NaCl es un sólido en el que 6 iones Cl-‑ rodean a un ion Na+ y a su vez cada ion Cl‑ es rodeado por 6 iones Na+ formando una red tridimensional en la que la relación es 1:1, es decir, un ion sodio por cada ion cloro:

Aunque muchas veces se indique que los metales tienden a perder electrones, este fenómeno es siempre energéticamente desfavorable al igual que la aceptación de electrones por parte de los no metales, (salvo en el caso de algunos halógenos).
Desde el punto de vista energético este proceso es desfavorable ya que hay que aportar 148 KJ/mol, (aporte de energía necesario para que los átomos se ionizaran en estado gaseoso). No obstante, la formación de la red cristalina libera gran cantidad de energía por la atracción electrostática que ahora sufren los iones.
Imaginemos los iones Cl‑ y Na+ infinitamente separados en estado gas y que se van acercando para formar el enlace. En un principio se libera energía por la atracción de los iones, pero cuando éstos están muy cerca, empiezan a tener importancia las repulsiones entre los electrones y entre los núcleos de los iones, por lo tanto existe una distancia interiónica para la que la energía potencial electrostática pasa por un mínimo y, en consecuencia, se libera la máxima energía.
  Sin embargo la formación de la red cristalina libera una cantidad de energía mucho mayor debido a que un ion Cl‑ es atraído por más de un ion Na+ y viceversa. En el caso de NaCl, la energía liberada al pasar de iones gaseosos a la red cristalina, (energía reticular), es de ‑790 KJ/mol (mayor que la calculada para dos iones aislados que era de – 580,4 KJ/mol). En definitiva, la energía necesaria para la ionización (que es de 148 KJ/mol), se ve compensada con la que se libera al formarse el cristal (‑790 KJ/mol).
  Todos aquellos elementos cuya energía de ionización se vea compensada suficientemente por la energía reticular, tendrán tendencia a formar este tipo de enlace. Esto ocurre únicamente cuando se combinan elementos muy electronegativos, (anfígenos y halógenos), de alta afinidad electrónica con elementos poco electronegativos, (alcalinos, alcalinotérreos), de bajo potencial de ionización.
   Ahora bien, no existe un enlace iónico puro (del 100 %), lo que quiere decir, que no hay una transferencia total de electrones del metal al no metal, habiendo siempre una parte de compartición de éstos entre los dos átomos enlazados.
La mayoría de las sales que provienen de oxoácidos son también de naturaleza iónica; el anión está formado por varios átomos y también forman redes cristalinas. Lo mismo le ocurre al catión amonio.
Los sólidos iónicos pueden cristalizar en varios tipos de redes. El que lo haga en un tipo u otro de red depende fundamentalmente del tamaño de los iones que la forman y de la carga que posean. Aquí tienes otras estructuras cristalinas diferentes de compuestos iónicos:

El cambio energético producido en la formación de un sólido iónico a partir de los elementos que lo constituyen, puede calcularse a partir del llamado ciclo de Born – Haber (que es un caso particular de la ley de Hess).

Propiedades de las sustancias iónicas

No contienen átomos sino iones y puesto que las fuerzas electrostáticas son muy fuertes, tendrán puntos de fusión y de ebullición muy altos.

En estado sólido no conducen la electricidad, ya que los iones tienen posiciones fijas y carecen de movilidad, pero, al fundirse o disolverse en agua, se desmorona la red cristalina quedando los iones en libertad, por lo que estos compuestos fundidos o disueltos conducen la electricidad.
Son sólidos muy duros porque las fuerzas electrostáticas que unen los iones son grandes, pero también son frágiles, ya que, al haber un ordenamiento tan perfecto en la red, pequeños desplazamientos de los iones hacen que las fuerzas que antes eran de atracción pasen a ser de repulsión, por lo que el sólido se rompe:
En general, los sólidos iónicos son solubles en disolventes polares y no en apolares, ya que, las moléculas del disolvente se colocan alrededor de los iones (orientando sus dipolos de forma adecuada), y éstos se separan de la red cristalina.

Hay que tener en cuenta que, no todas las sustancias que en disolución dan iones son sustancias iónicas; también lo hacen algunas sustancias covalentes polares como HCl o H2SO4.

Edificios covalentes

Enlaces de las sustancias covalentes
Las sustancias covalentes son gigantescas agrupaciones de átomos unidos por enlaces covalentes formando sólidos con redes tridimensionales. Dichos átomos deben tener una electronegatividad elevada, junto con la capacidad de tener tres o cuatro electrones enlazantes para formar fuertes enlaces covalentes. Se puede considerar a todo el sólido como una gran molécula.
Ejemplos de estas sustancias son el carbono diamante, el cuarzo (dióxido de silicio), el carburo de Silicio, etc.

Propiedades de las sustancias covalentes
Como los átomos están unidos por fuertes enlaces covalentes muy estables, no es de extrañar que, estos sólidos sean extremadamente duros, tengan puntos de fusión muy altos y sean virtualmente insolubles; sólo se disuelvan en compuestos que reaccionen químicamente con ellos. Tienen escasa conductividad eléctrica debido a la gran localización de los electrones en las regiones donde se encuentran los enlaces covalentes que hacen que sean incapaces de moverse libremente por la acción de un campo eléctrico externo.
Estructura cristalina de algunas sustancias covalentes:
a) Cuarzo: El cuarzo es una estructura particular de cristalizar el dióxido de silicio. Cada átomo de Si se encuentra enlazado con 4 de O y a su vez cada O está unido a dos Si mediante enlaces covalentes polares, formando una red de gran número de átomos, (SiO2).

b) Carbono diamante: En el carbono diamante, los átomos de carbono se unen para formar un retículo cristalino de dimensiones infinitas, en la que cada uno de ellos se une a otros cuatro mediante enlaces covalentes puros formando estructuras tetraédricas. Esto explica su elevada dureza, su baja reactividad, su nula conductividad eléctrica y su casi infusibilidad.

c) Carbono grafito: Es otra estructura cristalina del carbono. Mientras que el carbono diamante es una red tridimensional, el grafito es un sólido con redes en forma de capa. Contiene agrupaciones de átomos de carbono unidos por enlaces covalentes puros, de dimensiones infinitas, pero en dos direcciones. De los cuatro electrones que tiene cada uno de los átomos de carbono, tres se utilizan para unirlo con un enlace covalente puro a otros tres en un mismo plano formando estructuras hexagonales de seis átomos, y el cuarto electrón está deslocalizado entre los planos tratando de unirlos. En virtud de esta estructura, el carbono grafito es conductor de la electricidad y del calor, carece de la dureza del diamante y se exfolia fácilmente, es decir, se puede laminar.

Edificios metálicos

 
La gran mayoría de los elementos conocidos son metálicos. Todos ellos son conductores del calor y de la electricidad. Se caracterizan por tener pocos electrones en su última capa y

bajo potencial de ionización.
   Los compuestos formados entre los metales se llaman aleaciones y no obedecen, generalmente a las reglas de la estequiometría; así, el cobre disuelve al cinc en cantidades que pueden variar desde la traza hasta el 38'4%. Cualquier aleación de estos dos elementos entre esos dos porcentajes recibe el nombre de latón, y como no posee una composición definida se le clasifica como una simple disolución, aunque sus iones estén unidos por fuertes enlaces metálicos.
Todavía hoy no se conoce un modelo que explique de forma convincente como se unen los átomos de los metales. Estudios de rayos X confirman que en la red cristalina existen iones. Sin embargo debe descartarse el modelo de enlace iónico porque ello supondría la transferencia de electrones lo cual no es lógico en átomos iguales. Por otra parte el enlace covalente también queda descartado ya que en este caso los e‑ estarían localizados y los metales no conducirían la electricidad lo que no es cierto.
Para explicar los hechos existen dos teorías:

El modelo del gas de electrones
Es el modelo más sencillo basado en la intuición más que en conocimientos científicos rigurosos y está sustentado en las siguientes hipótesis:
Los átomos metálicos pierden sus electrones de la capa de valencia quedándose cargados positivamente.
Los cationes forman una red tridimensional ordenada y compacta cuya estructura depende en gran medida del tamaño de los cationes del metal.
Los electrones de valencia liberados ya no pertenecen a cada ión sino a toda la red cristalina, rodeando a los cationes como si fuesen un gas de electrones, neutralizando la carga positiva.
El gas de electrones se mueve libremente dentro de la red cristalina de cationes y no puede escapar de ella debido a la atracción electrostática con los cationes.
es decir, el modelo sugiere que los electrones de valencia están totalmente libres y deslocalizados, formando una nube electrónica que interacciona simultáneamente con muchos cationes. Esto explicaría la presencia de iones y la conductividad eléctrica de los metales. Por lo tanto, al hablar de un metal como el Fe, habría que hablar de una gran macromolécula Fen.

La teoría de bandas

La teoría de bandas está basada en la mecánica cuántica y procede de la teoría de los orbitales moleculares (TOM). En esta teoría, se considera el enlace metálico como un caso extremo del enlace covalente, en el que los electrones de valencia son compartidos de forma conjunta y simultánea por todos los cationes. Desaparecen los orbitales atómicos y se forman orbitales moleculares con energías muy parecidas, tan próximas entre ellas que todos en conjunto ocupan lo que se franja de denomina una “banda de energía”.
Aunque los electrones van llenando los orbitales moleculares en orden creciente de energía, estas son tan próximas que pueden ocupar cualquier posición dentro de la banda.
La banda ocupada por los orbitales moleculares con los electrones de valencia se llama banda de valencia, mientras que la banda formada por los orbitales moleculares vacíos se llama banda de conducción. A veces, ambas bandas se solapan energéticamente hablando.
Este modelo explica bastante bien el comportamiento eléctrico no solo de las sustancias conductoras sino también de las semiconductoras y las aislantes.
En los metales, sustancias conductoras, la banda de valencia se solapa energéticamente con la banda de conducción que está vacía, disponiendo de orbitales moleculares vacíos que pueden ocupar con un mínimo aporte de energía, es decir, que los electrones están casi libres pudiendo conducir la corriente eléctrica.
En los semiconductores y en los aislantes, la banda de valencia no se solapa con la de conducción. Hay una zona intermedia llamada banda prohibida.
En los semiconductores, como el Silicio o el Germanio, la anchura de la banda prohibida no es muy grande y los electrones con suficiente energía cinética pueden pasar a la banda de conducción, por esa razón, los semiconductores conducen la electricidad mejor en caliente. Sin embargo, en los aislantes, la banda prohibida es tan ancha que ningún electrón puede saltarla. La banda de conducción está siempre vacía.

Propiedades de las sustancias metálicas

Las propiedades de las sustancias metálicas difieren mucho de unas a otras, pero vamos a hablar en general de todas ellas:
1.-Densidad: El empaquetamiento compacto de los iones en la red cristalina metálica hace que las densidades de los metales sean altas en general, aunque hay mucha diversidad y excepciones, por ejemplo, los metales alcalinos y el plomo son muy blandos, mientras que el osmio y el platino son muy duros. Todos son sólidos excepto el Mercurio, el Cesio y el Francio que son líquidos.
2.-Puntos de fusión y ebullición: En general el enlace metálico mantiene los iones fuertemente unidos dado que la mayoría poseen puntos de fusión y de ebullición muy altos, aunque hay grandes variaciones, desde el cesio, (29ºC), hasta el platino que es casi infusible.Los puntos de fusión y ebullición dependen en gran medida de dos factores:
    a) del tamaño: A medida que el tamaño del ion es mayor, el punto de ebullición disminuye.
    b) del número de electrones cedidos por cada átomo: A medida que el número de electrones cedidos por cada átomo sea mayor, el punto de fusión será más alto.
3.-Conductividad eléctrica y térmica: Son buenos conductores eléctricos, ya que los electrones de la nube electrónica se pueden mover con total libertad. Por la misma razón, si los metales se calientan, los electrones adquieren mayor energía cinética que se va trasladando por todo el metal.
4.-Propiedades mecánicas: Son dúctiles (se pueden hacer hilos por estiramiento) y maleables (se pueden laminar) debido a la naturaleza de las fuerzas que mantienen unido al sólido, es decir, que siempre que la separación entre los cationes no sea muy grande, la nube electrónica los mantendrá unidos).

5.-Brillo: Debido a la movilidad de electrones, son capaces de absorber y después remitir prácticamente todas las longitudes de onda de la luz visible, por eso en general tienen un color negruzco y opaco; el cobre y el oro no remiten una parte de la radiación azul que reciben y por eso tienen un color amarillento.


Edificios moleculares

Entre las moléculas covalentes se establecen fuerzas de atracción eléctrica, cuya intensidad depende de la naturaleza de las mismas.
Vamos a diferenciar entre atracciones de dos tipos:


 a) Fuerzas de Van der Waals: Fueron postuladas por este científico en 1873, y a pesar de que son mil veces menores que un enlace covalente, sin ellas no se podría explicar la licuación de determinados gases formados por moléculas no polares.
Las fuerzas de Van der Waals, son fuerzas débiles de atracción entre dipolos que pueden ser inducidos o permanentes.
El primer caso se produce entre sustancias no polares como el N2, O2, etc. e incluso entre átomos: He, Ne, etc. Si bajamos mucho la temperatura, los electrones de dichas sustancias pierden energía cinética, y entonces, es posible, que en un instante determinado exista más densidad de carga electrónica en un extremo de la molécula que en otro, creándose un dipolo inducido. Si ésto ocurre en moléculas (o átomos) contiguos, puede hacer que se atraigan formando uniones entre ellas, pudiéndose llegar a la licuación de dichos gases. A medida que el átomo o la molécula sea más grande, este dipolo inducido será más fácil de crear.
En el segundo caso, si las moléculas ya son polares, los dipolos se orientan para atraerse con el polo de signo contrario de la molécula vecina, existiendo fuerzas de atracción entre ellas. Aunque estas fuerzas siguen siendo débiles, son mayores que las del primer caso en las que el dipolo tiene que ser inducido.


  b) Enlaces por puente de hidrógeno: Para que se produzca un enlace de este tipo, deben cumplirse tres condiciones:
-El hidrógeno se une a un elemento muy electronegativo (F, Cl, O o N), con lo que, al ser la diferencia de electronegatividad elevada, se forma un enlace covalente muy polar, donde el hidrógeno es el que se carga positivamente.
-El elemento al que se une el hidrógeno debe tener pares de electrones que no formen parte del enlace covalente polar con el hidrógeno.
-La molécula debe ser polar, es decir, debe carecer de simetría que anule los dipolos creados.
Entonces, se produce una doble atracción de tipo electrostático entre los dipolos de moléculas contiguas, es decir, el polo positivo de una molécula con el negativo de otra y el polo positivo del dipolo de una molécula con los pares de electrones no enlazantes del elemento al que se une el hidrógeno, de otra molécula.

Este es el llamado enlace por puente de hidrógeno que es mucho más fuerte que las fuerzas de Van der Waals.

Hay que señalar también que los enlaces por puente de hidrógeno se pueden dar entre moléculas diferentes (intermoleculares) o dentro de una misma molécula si su geometría es la adecuada (intramoleculares).
Es importante que se entienda que tanto las fuerzas de Van der Waals como los enlaces por puente de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes, y de hecho, cuando calentamos una sustancia covalente, se rompen de forma relativamente fácil los enlaces intermoleculares pero nunca los enlaces covalentes que unen a los distintos átomos de la molécula. Por ejemplo, cuando hervimos agua, no obtenemos hidrógeno y oxígeno sino vapor de agua, es decir, se han roto los enlaces por puente de hidrógeno pero no los enlaces covalentes que unen a los átomos de hidrógeno con el de oxígeno.

Propiedades de las sustancias moleculares

A temperaturas bajas, todos estos compuestos se encuentran en estado sólido formando redes cristalinas muy débiles. La formación de estas redes se explica por las débiles fuerzas de Van der Waals que se originan por atracción electrostática entre dipolos, ya sean permanentes o inducidos. Los de las moléculas apolares son sólidos blandos (como por ejemplo los de yodo), mientras que los de las sustancias polares son algo más duros ya que las fuerzas que unen las moléculas son algo más grandes, por ejemplo en el hielo.
En general tienen puntos de fusión y ebullición muy bajos, y van aumentando en función de la mayor polaridad de las moléculas o del mayor peso molecular, ya que, de esta manera, al ser más fácil crear el dipolo, las uniones serán más fuertes.

  Las sustancias apolares no son conductoras de la corriente eléctrica ya que no poseen partículas cargadas que puedan quedar libres; sin embargo, las polares, al tener dipolos permanentes, pueden conducir, aunque poco, la electricidad.

Dichas sustancias suelen presentarse a temperatura ambiente y presión atmosférica como gases, aunque a medida que las fuerzas intermoleculares aumentan, pueden llegar a ser líquidos e incluso sólidos.
Cabe resaltar, también, que los líquidos covalentes polares, como el agua, tienden a ser muy buenos disolventes de las sustancias iónicas, pero la tendencia de las sustancias moleculares es a disolverse en disolventes apolares.

Edificios mixtos

En muchos casos una misma sustancia presenta una combinación de varios tipos de redes cristalinas, a menudo orientadas en planos o siguiendo un eje de simetría. En tales casos, la distribución de las redes y el predominio de una u otra determinará muchas propiedades de la sustancia, como la dureza o la conductividad eléctrica.

Un ejemplo típico de red mixta es el grafito, formado por átomos de carbono con enlace covalente muy fuerte distribuido en capas paralelas. Las conexiones entre las capas, sin embargo, son muy débiles, lo que permite separar láminas muy finas de este mineral con mucha facilidad.

En las láminas los átomos de C se unen mediante enlaces covalentes. mientras que las láminas se unen por enlaces moleculares. La debilidad del enlace que une las láminas hace que se puedan separar fácilmente y que la exfoliacion de este mineral sea perfecta.

depa.pquim.unam.mx/qg/eq.htm

www.icmm.csic.es/galeria/gal_si.html

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CRISTALOGRAFIA

La cristalografía es la ciencia que se dedica al estudio y resolución de estructuras cristalinas. La mayoría de los minerales adoptan formas cristalinas cuando se forman en condiciones favorables. La cristalografía es el estudio del crecimiento, la forma y la geometría de estos cristales.

La disposición de los átomos en un cristal puede conocerse por difracción de los rayos X.

Cuando las condiciones son favorables, cada elemento o compuesto químico tiende a cristalizarse en una forma definida y característica. Así, la sal tiende a formar cristales cúbicos, mientras que el granate, que a veces forma también cubos, se encuentra con más frecuencia en dodecaedros o triaquisoctaedros. A pesar de sus diferentes formas de cristalización, la sal y el granate cristalizan siempre en la misma clase y sistema.

En teoría son posibles treinta y dos clases cristalinas, pero sólo una docena incluye prácticamente a todos los minerales comunes y algunas clases nunca se han observado. Estas treinta y dos clases se agrupan en seis sistemas cristalinos, caracterizados por la longitud y posición de sus ejes. Los minerales de cada sistema comparten algunas características de simetría y forma cristalina, así como muchas propiedades ópticas importantes.

Elementos de simetría

Las celdas fundamentales de un cristal presentan elementos de simetría, que son:
-Eje de simetría: es una línea imaginaria que pasa a través del cristal, alrededor de la cual, al realizar éste un giro completo, repite dos o más veces el mismo aspecto. Los ejes pueden ser: monarios, si giran el motivo una vez (360º); binarios, si lo giran dos veces (180º); ternarios, si lo giran tres veces (120º); cuaternarios, si lo giran cuatro veces (90º); o senarios, si giran el motivo seis veces (60º).
-Plano de simetría: es un plano imaginario que divide el cristal en dos mitades simétricas especulares, como el reflejo en un espejo, dentro de la celda. Puede haber múltiples planos de simetría. Se representa con la letra m.
-Centro de simetría: es un punto dentro de la celda que, al unirlo con cualquiera de la superficie, repite al otro lado del centro y a la misma distancia un punto similar.
-Sistemas cristalinos: todas la redes cristalinas, al igual que los cristales, que son una consecuencia de las redes, presentan elementos de simetría. Si se clasifican los 230 grupos espaciales según los elementos de simetría que poseen, se obtienen 32 clases de simetría (cada una de las cuales reúne todas las formas cristalinas que poseen los mismos elementos de simetría) es decir, regular o cúbico, tetragonal, hexagonal, romboedrico rombico, monoclínico y triclínico.
-Hábito cristalino: es el aspecto que presenta un cristal como consecuencia del diferente desarrollo de sus caras.
-Hábito acicular: cristales con gran desarrollo de caras verticales. Tienen aspecto de agujas.
-Hábito honojoso: cristales con aspecto de hojas por el gran desarrollo de las caras horizontales.

Las Redes de Bravais.

Las Redes de Bravais o celdas unitarias, son paralelepípedos que constituyen la menor subdivisión de una red cristalina que conserva las características generales de toda la retícula, de modo que por simple traslación del mismo, puede reconstruirse el sólido cristalino completo.
En función de los parámetros de la celda unitaria, longitudes de sus lados y ángulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos.
Ahora bien, para determinar completamente la estructura cristalina elemental de un sólido, además de definir la forma geométrica de la red, es necesario establecer las posiciones en la celda de los átomos o moléculas que forman el sólido cristalino; lo que se denominan puntos reticulares. Las alternativas son las siguientes:
-P: Celda primitiva o simple en la que los puntos reticulares son sólo los vértices del paralelepípedo.
-F: Celda centrada en las cara, que tiene puntos reticulares en las caras, además de en los vértices. Si sólo tienen puntos reticulares en las bases, se designan con las letras A, B o C según sean las caras que tienen los dos puntos reticulares.
-I: Celda centrada en el cuerpo que tiene un punto reticular en el centro de la celda, además de los vértices.
-R: Primitiva con ejes iguales y ángulos iguales ó hexagonal doblemente centrada en el cuerpo, además de los vértices.
Combinando los 7 sistemas cristalinos con las disposiciones de los puntos de red mencionados, se obtendrían 28 redes cristalinas posibles. En realidad, como puede demostrarse, sólo existen 14 configuraciones básicas, pudiéndose el resto obtener a partir de ellas. Estas estructuras se denominan redes de Bravais.

LOS MINERALES

Los minerales son sólidos homogéneos, inorgánicos y que se presentan de forma natural. Su estructura atómica es ordenada y su composición química es definida o varía dentro de ciertos límites, por lo que poseen propiedades físicas y características determinadas. Es decir, generalmente tienen la estructura de un sólido cristalino.
Su estructura da como resultado el desarrollo de superficies planas conocidas como caras. Si el mineral ha sido capaz de crecer sin interferencia, las caras pueden intersecarse para producir formas geométricas características, conocidas como cristales.
Los minerales pueden transformarse por cristalización a partir de fluidos o por transformaciones en estado sólido. El primer caso incluye el enfriamiento de materiales fundidos de origen magmático, la evaporacón a partir de una disolución acuosa y la sublimación de vapores. En el segundo caso, las transformaciones se producen por cambios en las condiciones ambientales, básicamente presión y tempetatura.
Las rocas son la asociación de uno(yeso, caliza) o varios minerales(granito) que conservan sus propiedades individuales.

Las rocas según su origen se clasifican en:

1-Magmáticas o Ígneas
Se forman a partir del enfriamiento del magma procedente del interior de la Tierra, de la parte fluida del manto denominada Astenosfera. El magma puede enfriarse tanto dentro como fuera de la corteza terrestre, lo que produce rocas con diferentes tipos de texturas.
a) Granulada: cuando el magma se enfría lentamente, y cada mineral cristaliza formando granos visibles con tamaños semejantes.
b) Porfídica: cuando el magma se enfría en distintos tiempos, primero lentamente y luego con más rapidez.
c) Vítrea o porosa: cuando el magma se enfría con gran rapidez, por lo que no se forman cristales o éstos son microscópicos, quedando una masa amorfa, a veces con aspecto de vidrio. Algunas rocas volcánicas tienen textura espumosa o porosa debido a un enfriamiento rápido con salida de gases con gran presión( como la obsidiana).

2-Sedimentarias
Se forman a partir de materiales que proceden de la erosión de otras rocas. Estos materiales son transportados y depositados en el fondo de ríos o mares en capas o estratos. Una vez sedimentados, los materiales sufren un proceso de litificación o diagénesis. El proceso consiste en la compactación (cambio de volumen) y la cementación de sedimentos y, en muchos casos, en la recristalización o metasomatismo (cambio de un mineral en otro: la caliza en dolomía) de materiales hasta formar la roca. Por ejemplo, el carbón.

3-Metamórficas
Se forman a partir de otras rocas, sobre todo sedimentarias, cuando sufren procesos de transformación química producidos por la acción de agentes geológicos externos como la presión, la temperatura o la combinación de ambos factores. Por tanto, el tipo de roca depende del mineral que se transforma y del grado de transformación que ha sufrido.


Propiedades de los minerales

Hay minerales que son extraídos y utilizados para aprovechar sus componentes químicos porque las propiedades de éstos son útiles para la industria. El estudio de las propiedades características de los minerales nos permite identificarlos y clasificarlos. Una vez conocidas las propiedades de un mineral, podemos saber de cual se trata usando guías o llaves dicotómicas.
Entre las características básicas que debemos conocer de un mineral se encuentran las siguientes: Químicas: disolución, reacción con ácidos…
Físicas: - Densidad
-Mecánicas: dureza y tenacidad (fragilidad, ductilidad, maleabilidad, plasticidad) y tipo de rotura. -Ópticas: brillo, color visible, color de la raya, refringencia, luminiscencia.
-Eléctricas y magnéticas: conducción electricidad, piezoelectricidad, piroelectricidad, imantación.
-Otras: sabor, olor, radiactividad.
Las rocas nos permiten conocer la edad de la Tierra, para conocer la edad de la Tierra se utilizan diferentes métodos de datación, como el análisis radiactivo de restos de isótopos presentes en las rocas y el análisis magnético que tiene en cuenta las variaciones en la polarización magnética de las rocas. Una ayuda en la datación es el estudio de los fósiles que forman parte de algunas rocas.
Los fósiles nos permiten datar las rocas; es decir, saber en qué época empezaron a formarse. De una roca formada por nummulites podemos decir que empezó a formarse entre los periodos Paleoceno y Oligoceno, hace unos 56 millones de años aproximadamente.

La importancia de los minerales radica en sus múltiples aplicaciones en los diversos campos de la actividad humana. La industria moderna depende directa o indirectamente de los minerales; se usan para fabricar productos, desde herramientas y ordenadores hasta rascacielos. Algunos minerales se utilizan prácticamente tal como se extraen; por ejemplo el azufre, el talco, la sal de mesa, etc. Otros, en cambio, deben ser sometidos a diversos procesos para obtener el producto deseado, como el hierro, cobre, aluminio, estaño, etc.
Los minerales son un recurso natural de gran importancia para la economía de un país, muchos productos comerciales son minerales, o se obtienen a partir de un mineral. Muchos elementos de los minerales resultan esenciales para la vida, presentes en los organismos vivos en cantidades mínimas.
Algunos usos de los minerales son:

http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/publicaciones/publi_rocas/index_publi.htm
http://www.mineraltown.com/infocoleccionar/como_formacion_rocas_minerales.htm#Cycle

SÓLIDOS CRISTALINOS

En este tipo de sólidos los átomos, iones o moléculas constituyentes están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas, en las cuales las partículas ocupan posiciones definidas y sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vértices de la red en donde se hallan situadas. Por esta razón las sustancias sólidas poseen forma y volumen determinados.

La mayor parte de los sólidos presentes en la naturaleza son cristalinos, aun cuando en ocasiones esa estructura ordenada no se refleje en una forma geométrica regular apreciable a simple vista. Ello es debido a que con frecuencia están formados por un conjunto de pequeños cristales orientados de diferentes maneras, en una estructura policristalina. Los componentes elementales de una red cristalina pueden ser átomos, moléculas o iones, de ahí que no se pueda hablar en general de la molécula de un cristal, si no más bien de un retículo elemental o celdilla unidad, que se repite una y otra vez en una estructura periódica o red cristalina.

ENLACES EN LOS SÓLIDOS

Los sólidos cristalinos se clasifican en cuatro categorías, según los tipos de partículas que forman su retículo y los enlaces e interacciones que se presentan entre ellas. Estas cuatro categorías son: 1) sólidos moleculares, 2) sólidos covalentes, 3) sólidos iónicos y 4) sólidos metálicos. Algunas de sus características son:

¿Qué es una zona cristalina y qué una zona amorfa?

Todos los materiales sólidos pueden clasificarse de acuerdo a su estructura molecular en cristalinos y amorfos.

En los sólidos cristalinos, las moléculas se encuentran ordenadas en las tres dimensiones. Esto es lo que se llama ordenamiento periódico y lo pueden tener los sólidos cristalinos constituidos por moléculas pequeñas. En el caso de los polímeros, las cadenas son muy largas y fácilmente se enmarañan y a demás, en el estado fundido se mueven en un medio muy viscoso, así que no puede esperarse en ellos un orden tan perfecto, pero de todas maneras, algunos polímeros exhiben ordenamiento parcial en regiones llamadas cristalitos.

Una sola macromolécula no cabrá en uno de esos cristalitos, así que se dobla sobre ella misma y a demás puede extenderse a lo largo de varios cristalitos.

Se distinguen regiones de dos clases: las cristalinas, en la que las cadenas dobladas varias veces en zigzag están alineadas formando las agrupaciones llamadas cristalitos; y otras regiones amorfas, en la que las cadenas se enmarañan en un completo desorden.

La proporción o porcentaje de zonas cristalinas puede ser muy alta, como en el polietileno, en el nylon y en la celulosa.

En esos casos puede considerarse que el material contiene una sola fase, que es cristalina, aunque con muchos defectos.

En otros polímeros, como el PVC, el grado de cristalinidad es mucho menor y es más razonable considerarlo como sistemas de dos fases, una ordenada, cristalina, embebida en una matriz amorfa.

Finalmente hay otros polímeros totalmente amorfos, como es el caso del poliestireno atáctico.
El grado de cristalinidad de los polímeros, que por su estructura regular y por la flexibilidad de sus cadenas tienen mayor tendencia a cristalizar, depende de las condiciones de la cristalización. Si el polímero cristaliza a partir del material fundido, habrá más imperfecciones porque las cadenas se enredan y el medio es muy viscoso, lo cual dificulta el ordenamiento de ellas. En cambio, si el polímero cristaliza de una solución diluida, es posible obtener cristales aislados, con estructuras bien definidas como en el caso del polietileno, de donde se distinguen las llamadas lamelas formada por cadenas dobladas muchas veces sobre sí mismas.

En estos casos, si la solución contiene menos de 0,1 % de polímero, la posibilidad de que una misma cadena quede incorporada a varios cristales se reduce o se elimina.

La cristalización a partir del polímero fundido conduce a la situación descripta anteriormente, en la que se tendrán dos fases: cristalina y amorfa, con algunas cadenas participando en varios cristalitos, actuando como moléculas conectoras. También es frecuente que los cristalitos mismos se agrupen radicalmente a partir de un punto de nucleación y crezcan en él en forma radical, formando esferulitos.

Un enfriamiento muy rápido puede reducir considerablemente el grado de cristalinidad.
Los cristalitos también pueden agruparse de otras maneras, generando fibrillas; la formación de fibrillas en lugar de esferulitos, dependerá de factores tales como la flexibilidad de la cadena y las interacciones entre ellas, el peso molecular del polímero, la velocidad del enfriamiento y en muchos casos del tipo de esfuerzo del cual se somete al material durante el procesamiento.

Los cristales fibrilares pueden producirse en los procesos de inyección o de extrusión, o durante el proceso de estirado de algunos materiales que se emplean en la industria textil (nylon y poliésteres).

Diferencias con los sólidos cristalinos

La principal diferencia entre un sólido cristalino y un sólido amorfo es su estructura. En un sólido cristalino existe una ordenación de los átomos a largo alcance, mientras que en los sólidos amorfos no se puede predecir donde se encontrará el próximo átomo. En este hecho se basan los diferentes métodos de diferenciación entre ambos tipos de sólido, que en algunos casos no es fácil de establecer a simple vista. Dichos métodos de diferenciación incluyen:

Difracción

La difracción consiste en enviar un haz de radiación sobre el sólidos y tomar medidas a diferentes ángulos en un amplio rango angular, con el objetivo de deducir la disposición de los átomos en el sólido objeto de estudio. Los picos que aparecen en el diagrama de difracción (difractograma), corresponden a la diferencia constructiva del haz de radiación con un plano atómico, es decir, cuando se cumple la ley de Bragg (permite estudiar las direcciones en las que la difracción de rayos X sobre la superficie de un cristal produce interferencias constructivas).

Existen diferentes métodos de difracción, que dependen del tipo de sonda enviada hacia la muestra. Los tres tipos de sonda más utilizados en difracción son los rayos X, los de neutrones y los de electrones. Las diferencias entre ellos se establecen en la longitudes de onda y el mecanismo de interacción. De estos tres tipos de difracción, la más habitual para el estudio de los sólidos es la de rayos X.

En un sólido cristalino la disposición de sus átomos guarda una simetría. Por esa razón, su diagrama de difracción por rayos X muestra varios picos muy bien definidos a unos ángulos determinados. Con los datos de la intensidad y de la posición angular, así como las fórmulas de interacción entre rayos X y el sólido, se puede calcular la posición de los átomos en ese sólido.
En un sólido amorfo, los átomos están colocados al azar, debido a lo cual, en su diagrama de difracción se observan pocos picos, en general uno, que se caracteriza por una gran anchura angular. Analizando la anchura angular del pico junto con la intensidad y el tipo de interacción, se puede obtener la función de distribución radial, que da la distancia a primeros vecinos de encontrar un nuevo átomo.

Calorimetría

La calorimetría consiste en medir la cantidad de calor captado o cedido por el sólido estudiado en el momento de solidificación. En un sólido amorfo, la disposición irregular de sus átomos hace que posea una alta entropía (alto desorden) con respecto al sólido cristalino, que está perfectamente ordenado. A la hora de la cristalización, esta alta entropía hace que la variación de calor sea muy suave y por lo tanto esté muy extendido en un gran rango de temperaturas. Sin embargo, el calor específico del sólido cristalino durante la cristalización muestra un pico estrecho bien definido a una temperatura concreta, que corresponde a la temperatura de cristalización.

SOLIDOS AMORFOS

Los sólidos amorfos están formados por partículas que carecen de una estructura ordenada, formas y caras bien definidas. La estructura amorfa se presenta como un amontonamiento de subestructuras idénticas que siguen líneas quebradas al azar y el orden es de corto alcance.

Si un sólido se forma rápidamente (por ejemplo, cuando un líquido se enfría muy rápido), sus átomos o moléculas no tienen tiempo de alinearse por sí mismos y pueden quedar fijos en posiciones distintas a las de un cristal ordenado.

Muchos sólidos amorfos son mezclas de moléculas que no se pueden apilar bien. Entre los sólidos amorfos más conocidos destaca el vidrio.

El vidrio (SiO2) es un sólido amorfo con la estructura de un líquido. Técnicamente, un vidrio es un producto inorgánico de la fusión que se ha enfriado a una velocidad demasiado elevada para permitir la formación de cristales. Tiene las características de ser un material duro, frágil y transparente que se usa para la elaboración de ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos.


Entre los sólidos amorfos orgánicos hay una gran variedad de polímetros de los cuales tenemos como ejemplo el poliestireno que es un polímetro termoplástico que se obtiene de la polimerización del estireno. Propiedades de los sólidos amorfos

Las moléculas de los sólidos amorfos están distribuidas al azar y las propiedades físicas del sólido son idénticas en todas las direcciones (isotropía).

Las formas amorfas tienen una temperatura característica a la cual sus propiedades experimentan cambios importantes. Esta temperatura se conoce como temperatura de transición vítrea. La temperatura de transición a vidrio de un material amorfo puede reducirse añadiendo moléculas pequeñas, denominadas "plastificadores", que se adaptan entre las moléculas vítreas y les proporciona mayor movilidad.

Una consecuencia directa de la disposición irregular de las partículas en un sólido amorfo, es la diferencia de intensidad que toman las fuerzas intermoleculares entre las mismas, de ahí que la fusión se alcance a distintas temperaturas, según la proporción de las distintas partículas que forman la muestra. De ello se deduce que un sólido amorfo no tiene un punto de fusión definido, sino que dicha transformación acontece en un intervalo de temperatura. Cuando se calienta un sólido amorfo, la sustancia no manifiestan un punto de fusión, aunque se ablandan progresivamente aumentando su tendencia a deformarse. En contraste, la temperatura de fusión de un sólido cristalino es precisa y está bien definida.

En cuanto a sus propiedades elásticas, se puede afirmar que los sólidos amorfos manifiestan las propiedades de los cristales. Por ejemplo, al aplicar una carga a un material amorfo en un intervalo racionado de tiempo, la sustancia desarrollará una deformación pseudo-permanente, es decir, fluirá como si fuera un líquido de viscosidad muy alta.
Respecto al magnetismo, los metales amorfos presentan las propiedades magnéticas más notables, comportándose como materiales ferromagnéticos (aquellos en los que se produce un ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos en la misma dirección y sentido).

Aplicaciones

Debido a sus propiedades mecánicas, hay un gran número de sólidos amorfos que se emplean como materiales para la industria y la construcción.

Los óxidos amorfos, gracias a su transparencia, solidez y facilidad para darle forma en láminas grandes, se emplean profusamente como vidrio de ventana. Ciertos polímeros orgánicos, en virtud de su resistencia y peso ligero y fácil procesamiento, se emplean como materiales estructurales (plásticos). Existen semiconductores amorfos que se emplean en las memorias de ordenador y en células solares gracias a sus propiedades ópticas fotovoltaicas y en la facilidad para crear películas delgadas de gran superficie. Los metales amorfos se emplean en núcleos de transformadores gracias a su ferromagnetismo, bajas pérdidas y la posibilidad de formar cintas largas. El calcogenuro amorfo se emplea en xerografía en virtud de su fotoconductividad y la posibilidad de formar películas de gran área.

http://www.amazings.com/ciencia/noticias/010908d.html

INTRODUCCION A LOS SOLIDOS

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso.

Un cuerpo sólido es el estado de agregación de la materia que se caracteriza porque opone resistencia a cambios de forma y de volumen.

En química se estudia tanto la síntesis química como la estructura y las propiedades físicas (eléctricas, magnéticas, ópticas, térmicas y mecánicas) de los materiales sólidos, sean de base molecular, metálica, cristalina o cerámica. De esta forma, tiene un solapamiento intenso con la física del estado sólido, la mineralogía, la cristalografía, la cerámica, la metalurgia, la termodinámica, la ciencia de materiales y la electrónica.

Los sólidos pueden ser CRISTALINOS o AMORFOS. Un sólido cristalino es un sólido cuyos átomos, iones o moléculas, están ordenados en arreglos bien definidos. Estos sólidos suelen tener superficies planas o caras que forman ángulos definidos unos con otros. Los conjuntos ordenados de partículas son los que producen estas caras y también provocan que los sólidos tengan formas muy regulares. El cuarzo y el diamante son ejemplos de sólidos cristalinos.

Un sólido amorfo, es un sólido cuyas partículas no tienen una estructura ordenada. Estos sólidos carecen de caras y formas bien definidas. Muchos sólidos amorfos son mezclas de moléculas que no se empacan bien entre sí. Otros están compuestos de moléculas grandes y complicadas. Entre los sólidos amorfos que nos son familiares están el caucho y el vidrio. Es posible que una misma sustancia pueda existir en estas dos formas. Así el SiO2 amorfo es el vidrio común y en cambio el SiO2 cristalino se conoce como cuarzo.

PROPIEDADES DE LOS SOLIDOS

-ELASTICIDAD: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un resorte es un objeto en que podemos observar esta propiedad.
-FRAGILIDAD: Un sólido puede romperse en muchos pedazos (quebradizo).
-DUREZA: Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El diamante es un sólido con dureza elevada.
-FORMA DEFINIDA: Tienen forma definida, son relativamente rígidos y no fluyen como lo hacen los gases y los líquidos, excepto a bajas presiones extremas.
-VOLUMENDEFINIDO: Debido a que tienen una forma definida, su volumen también es constante.
-ALTA DENSIDAD: Los sólidos tienen densidades relativamente altas debido a la cercanía de sus moléculas por eso se dice que son más “pesados”
-FLOTACION: Algunos sólidos cumplen con esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del líquido en el cual se coloca.
-INERCIA: Es la dificultad o resistencia que opone un sistema físico o un sistema social a posibles cambios, en el caso de los sólidos pone resistencia a cambiar su estado de reposo.
-TENACIDAD: En ciencia de los Materiales la tenacidad es la resistencia que opone un material a que se propaguen fisuras o grietas.
-MALEABILIDAD: Es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. La maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas.
-DUCTIBILIDAD: La ductilidad se refiere a la propiedad de los sólidos de poder obtener hilos de ellos.
-PUNTO DE FUSIÓN: El punto de fusión de un sólido (que es el mismo que el punto de congelación de un líquido) es la temperatura a la que la velocidad de fusión de un sólido es la misma que la velocidad de congelación de un líquido bajo una presión determinada. Es decir, la temperatura a la que el sólido y el líquido están en equilibrio.
El punto de fusión normal de una sustancia es su punto de fusión a una atmósfera de presión. Las variaciones de los puntos de fusión y ebullición de las sustancias suelen ser paralelas, ya que son similares las fuerzas intermoleculares de las que dependen. Para el agua sólida (hielo) el punto de fusión normal es 0ºC.
-SUBLIMACIÓN Y PRESIÓN DE VAPOR DE SÓLIDOS: Algunos sólidos, como el yodo y el hielo seco (anhídrido carbónico sólido), se vaporizan sin pasar por el estado líquido a presión atmosférica. Se dice que SUBLIMAN. Al igual que los líquidos, los sólidos tienen presiones de vapor, pero son muy inferiores a las de aquéllos. Los sólidos con presión de vapor elevada subliman fácilmente. Los olores característicos de algunos sólidos caseros como el naftaleno (bolas de naftalina) se deben a la sublimación. El proceso inverso, o sea, aquel mediante el cual el vapor solidifica sin pasar por el estado líquido, se denomina DEPOSICIÓN.
Algunos sólidos impuros pueden purificarse por sublimación y posterior deposición del vapor (como sólido) sobre una superficie fría.
-TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE SÓLIDOS: Cuando se suministra calor a un sólido, por debajo de un punto de fusión, su temperatura aumenta. El número de calorías necesarias para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de sólido es su calor específico (cal/gramo · ºC). La capacidad calorífica molar (kcal/ mol · ºC) es el número de kilocalorías que elevan en un grado Celsius la temperatura de un mol de sólido. Cuando se suministra suficiente calor para alcanzar el punto de fusión del sólido, la temperatura no varía aunque se siga dando calor mientras coexistan la fase líquida y sólida en equilibrio, pero el sólido licúa. El número de calorías necesarias para fundir un gramo de sólido en su punto de fusión es el calor de fusión (cal/g). El término fusión significa literalmente “derretimiento”. El calor molar de fusión, es el número de kilocalorías que debe absorber un mol de sólido en su punto de fusión para fundir.
El CALOR DE SOLIDIFICACIÓN : Es igual en magnitud al calor de fusión. Representa la cantidad de calor que debe eliminarse de una cantidad dada de líquido en su punto de congelación para que solidifique. Para el agua este calor es:

http://www.youtube.com/watch?v=5YzB8yKtcRA