Los sólidos se pueden clasificar según la naturaleza de los enlaces entre sus componentes atómicos o moleculares. La clasificación tradicional distingue cuatro tipos de enlaces: [1]
Los miembros típicos de estas clases tienen distribuciones electrónicas distintivas, [2] propiedades termodinámicas, electrónicas y mecánicas. En particular, las energías de enlace de estas interacciones varían ampliamente. Sin embargo, el enlace en sólidos puede ser de tipo mixto o intermedio, por lo que no todos los sólidos tienen las propiedades típicas de una clase particular y algunos pueden describirse como formas intermedias.
Un sólido covalente en red está formado por átomos unidos por una red de enlaces covalentes (pares de electrones compartidos entre átomos de electronegatividad similar ) y, por lo tanto, puede considerarse como una única molécula grande. El ejemplo clásico es el diamante ; otros ejemplos incluyen el silicio , [3] el cuarzo y el grafito .
Su resistencia, rigidez y altos puntos de fusión son consecuencia de la fuerza y rigidez de los enlaces covalentes que los mantienen unidos. También son característicamente frágiles porque la naturaleza direccional de los enlaces covalentes resiste fuertemente los movimientos de cizallamiento asociados con el flujo plástico y, en efecto, se rompen cuando se produce el cizallamiento. Esta propiedad da como resultado fragilidad por razones estudiadas en el campo de la mecánica de fracturas . Los sólidos covalentes de red varían de aislantes a semiconductores en su comportamiento, dependiendo de la brecha de banda del material.
Un sólido iónico estándar está formado por átomos unidos por enlaces iónicos , es decir, por la atracción electrostática de cargas opuestas (resultado de la transferencia de electrones desde átomos con menor electronegatividad a átomos con mayor electronegatividad). Entre los sólidos iónicos se encuentran compuestos formados por metales alcalinos y alcalinotérreos en combinación con halógenos; un ejemplo clásico es la sal de mesa, el cloruro de sodio .
Los sólidos iónicos suelen tener una resistencia intermedia y son extremadamente frágiles. Los puntos de fusión suelen ser moderadamente altos, pero algunas combinaciones de cationes y aniones moleculares dan lugar a un líquido iónico con un punto de congelación inferior a la temperatura ambiente. Las presiones de vapor en todos los casos son extraordinariamente bajas; esto es consecuencia de la gran energía necesaria para mover una carga desnuda (o un par de cargas) desde un medio iónico al espacio libre.
Los sólidos metálicos se mantienen unidos por una alta densidad de electrones compartidos y deslocalizados, lo que da lugar a un enlace metálico . Ejemplos clásicos son los metales, como el cobre y el aluminio , pero algunos materiales son metales en un sentido electrónico, pero tienen un enlace metálico insignificante en un sentido mecánico o termodinámico (ver formas intermedias). Los sólidos metálicos no tienen, por definición, ninguna banda prohibida en el nivel de Fermi y, por lo tanto, son conductores.
Los sólidos con enlaces puramente metálicos son característicamente dúctiles y, en sus formas puras, tienen baja resistencia; los puntos de fusión pueden [ inconsistent ] ser muy bajos (por ejemplo, el mercurio se funde a 234 K (−39 °C). Estas propiedades son consecuencias de la naturaleza no direccional y no polar del enlace metálico, que permite que los átomos (y los planos de átomos en una red cristalina) se muevan uno sobre el otro sin interrumpir sus interacciones de enlace. Los metales se pueden fortalecer introduciendo defectos cristalinos (por ejemplo, mediante aleación ) que interfieren con el movimiento de las dislocaciones que median la deformación plástica. Además, algunos metales de transición exhiben enlace direccional además del enlace metálico; esto aumenta la resistencia al corte y reduce la ductilidad, impartiendo algunas de las características de un sólido covalente (un caso intermedio a continuación).
Las cuatro clases de sólidos permiten seis formas intermedias por pares:
Los enlaces covalentes e iónicos forman un continuo, en el que el carácter iónico aumenta con la diferencia creciente en la electronegatividad de los átomos participantes. El enlace covalente corresponde a compartir un par de electrones entre dos átomos de electronegatividad esencialmente igual (por ejemplo, enlaces C–C y C–H en hidrocarburos alifáticos). A medida que los enlaces se vuelven más polares, adquieren un carácter cada vez más iónico. Los óxidos metálicos varían a lo largo del espectro iono-covalente. [4] Los enlaces Si–O en el cuarzo, por ejemplo, son polares pero en gran medida covalentes, y se considera que tienen un carácter mixto. [5]
Lo que en la mayoría de los aspectos es una estructura puramente covalente puede soportar la deslocalización metálica de electrones; los nanotubos de carbono metálicos son un ejemplo. Los metales de transición y los compuestos intermetálicos basados en metales de transición pueden exhibir enlaces metálicos y covalentes mixtos, [6] lo que resulta en una alta resistencia al corte, baja ductilidad y puntos de fusión elevados; un ejemplo clásico es el tungsteno .
Los materiales pueden ser intermedios entre los sólidos covalentes moleculares y de red, ya sea por la organización intermedia de sus enlaces covalentes o porque los enlaces en sí son de tipo intermedio.
Organización intermedia de los enlaces covalentes:
En cuanto a la organización de los enlaces covalentes, recordemos que los sólidos moleculares clásicos, como se ha indicado anteriormente, consisten en pequeñas moléculas covalentes no polares. El ejemplo dado, la cera de parafina , es miembro de una familia de moléculas de hidrocarburos de diferentes longitudes de cadena, con polietileno de alta densidad en el extremo de cadena larga de la serie. El polietileno de alta densidad puede ser un material fuerte: cuando las cadenas de hidrocarburos están bien alineadas, las fibras resultantes rivalizan con la resistencia del acero. Los enlaces covalentes en este material forman estructuras extendidas, pero no forman una red continua. Sin embargo, con la reticulación, las redes de polímeros pueden volverse continuas, y una serie de materiales abarca el rango desde el polietileno reticulado , hasta las resinas termoendurecibles rígidas, pasando por los sólidos amorfos ricos en hidrógeno, el carbono vítreo, los carbonos similares al diamante y, en última instancia, el propio diamante. Como muestra este ejemplo, no puede haber un límite claro entre los sólidos covalentes moleculares y de red.
Tipos intermedios de enlace:
Un sólido con una gran cantidad de enlaces de hidrógeno se considerará un sólido molecular, aunque los enlaces de hidrógeno fuertes pueden tener un grado significativo de carácter covalente. Como se señaló anteriormente, los enlaces covalentes e iónicos forman un continuo entre los electrones compartidos y transferidos; los enlaces covalentes y débiles forman un continuo entre los electrones compartidos y no compartidos. Además, las moléculas pueden ser polares o tener grupos polares, y las regiones resultantes de carga positiva y negativa pueden interactuar para producir un enlace electrostático similar al de los sólidos iónicos.
Una molécula grande con un grupo ionizado es técnicamente un ion, pero su comportamiento puede ser en gran medida el resultado de interacciones no iónicas. Por ejemplo, el estearato de sodio (el componente principal de los jabones tradicionales) está compuesto enteramente de iones, pero es un material blando, muy diferente de un sólido iónico típico. Existe un continuo entre los sólidos iónicos y los sólidos moleculares con poco carácter iónico en sus enlaces.
Los sólidos metálicos están unidos por una alta densidad de electrones compartidos y deslocalizados. Aunque los componentes moleculares débilmente unidos son incompatibles con un fuerte enlace metálico, las bajas densidades de electrones compartidos y deslocalizados pueden impartir diversos grados de enlace metálico y conductividad superpuestos a unidades moleculares discretas unidas covalentemente, especialmente en sistemas de dimensión reducida. Algunos ejemplos incluyen complejos de transferencia de carga .
Los componentes cargados que forman los sólidos iónicos no pueden existir en el mar de alta densidad de electrones deslocalizados característico de los fuertes enlaces metálicos. Sin embargo, algunas sales moleculares presentan enlaces iónicos entre moléculas y una conductividad unidimensional sustancial , lo que indica un grado de enlace metálico entre los componentes estructurales a lo largo del eje de conductividad. Algunos ejemplos incluyen las sales de tetratiafulvaleno .