1.2.4 ESTRUCTURAS CRISTALINAS

TÍPICASVerónica Guadalupe Jiménez Becerra

La estructura cristalina, formada por la distribución de átomos, iones o moléculas, es la que constituye la base material que forma el cristal.

Mientras que la red cristalina refleja el hecho de que el cristal es periódico y por ello, determina la simetría tratada hasta el momento, la estructura del cristal no sólo determina su periodicidad marcada por la red y por la celda unidad de la misma, sino…

determina el motivo, la parte material constituida por átomos, iones y moléculas que llenan la citada celda unidad. 

   Un cristal viene definido, en primer lugar, por su composición química y, es la relación estequiométrica el factor dominante en una estructura.

La influencia de la estequiometría es evidente, por ejemplo, un cristal de ClNa, no puede tener, en modo alguno, la misma estructura que la anhidrita (SO4Ca) o que la calcita (CO3Ca) o que un silicato cualquiera, puesto que no sólo los átomos que forman estos cristales son diferentes química y físicamente, sino que sus componentes entran en la fórmula química en relaciones muy distintas.

Cuando las estructuras están formadas por dos o más tipos de átomos unidos por enlace iónico, puro o combinado con otros (que es lo más frecuente), los poliedros de coordinación estarán en función de la relación de sus radios. Además, existen ciertos principios generales que regulan esta coordinación entre iones que son las denominadas Reglas de Pauling.

Los cristales compuestos de moléculas no puede esperarse que tengan estas simetrías elevadas, puesto que las propias moléculas tienen baja simetría.

TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS  EMPAQUETADO CÚBICO COMPACTO (ECC):

Se trata de un empaquetado ABC en el que la tercera capa cubre los huecos de la primera que no han sido cubiertos por la segunda

La red basada en el ECC es una red cúbica centrada en las caras.

EMPAQUETADO HEXAGONAL COMPACTO (EHC) Se trata de un empaquetado ABA en el que la tercera capa ocupa exactamente la misma posición que la primera, constituyendo las estructuras más compactas o densas posibles. Es una estructura característica de muchos metales como el oro, plata, plomo, etc.

Empaquetado hexagonal compacto

Empaquetado hexagonal compacto y empaquetado cúbico compacto

EMPAQUETADO HEXAGONAL COMPACTO (EHC)

La red basada en el EHC es una red hexagonal múltiple con un nudo adicional en su interior.

Existen empaquetados de orden superior que darían lugar a estructuras con alternancias de empaquetados cúbicos y hexagonales compactos. 

COORDINACIÓN DE LUGARES INTERATÓMICOS EN EMPAQUETADOS DENSOS  Los empaquetados cúbicos y hexagonal poseen una

característica muy importante:

 "La disposición regular de sus posiciones atómicas determina la existencia de posiciones interatómicas con un número de coordinación fijo y determinado“

Así, según los intersticios que surgen de las secuencias compactas de empaquetamiento, que aparecen, fundamentalmente, en coordinación tetraédrica (coordinación 4) y octaédrica (coordinación 6), estén ocupados total o parcialmente por cationes, se originarán diferentes tipos de estructuras básicas.

En una red cúbica de caras centradas originada por un  empaquetado cúbico compacto, las posiciones interatómicas pueden ser: Posición octaédrica: La posición central de la celda, al igual que las posiciones medias en las aristas del cubo, está rodeada por seis átomos que forman los vértices de un octaedro. (figura a)

Posición tetraédrica. (Existen ocho posiciones tetraédricas en la celda). (figura b)

Posición triangular (NC=3): Cada tres átomos contiguos determinan un triángulo equilátero cuyo centro es una posición de coordinación 3. (figura c)

Por su parte, en la red hexagonaloriginada por un  empaquetado hexagonal compacto, las posiciones interatómicas pueden ser:

Posición octaédrica: Los lugares octaédricos están situados entre dos triángulos de direcciones opuestas, cada uno formado por tres átomos situados en uno de los pisos del empaquetado. (figura a)

Posición tetraédrica: Las posiciones tetraédricas existen entre dos pares de átomos en direcciones perpendiculares entre sí y situados cada par en un piso del empaquetado. También aparecen estas posiciones en el centro del tetraedro regular formado por tres átomos de un piso y el tangente a ellos situado en el piso inmediato. (figura b)

Posición triangular: Cada tres átomos contiguos determinan un triángulo equilátero cuyo centro es una posición de coordinación 3. (figura c)

ESTRUCTURA DE LOS CARBONATOS 

Los carbonatos tienen al grupo [CO3]2- como unidad estructural básica, teniendo dicho grupo forma de triángulo equilátero con el carbono en el centro y los oxígenos en los vértices.

Como la valencia electrostática del carbono supera la mitad de la carga de los oxígenos,

los radicales CO3 van a quedar independientes, manteniéndose unidos

mediante otros cationes de carga más débil.

ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS Teniendo en cuenta que la valencia electrostática (cociente entre la valencia de unión y su número de coordinación) del silicio es exactamente la mitad de la carga del oxígeno, en las estructuras de los silicatos dominan los polímeros, formados por dos radicales, anillos de radicales, cadenas infinitas, láminas y, por último, armazones tridimensionales.

 Estructura de los silicatosArmazón tridimensional de tetraedros: Estructura del tectosilicato cuarzo

ESTRUCTURA DE SULFURO DE ZINC La estructura del sulfuro de zinc tiene la misma red espacial que la del diamante, es decir fcc (cubica de cara centrada), diagonal del cubo. La diferencia radica en que si la estructura diamante todos eran iguales (átomos de carbono), en el sulfuro de zinc el primer fcc contiene únicamente átomos de Zn y el segundo fcc contiene solo átomos de S. Hay cuatro moléculas de ZnS por cada celda primitiva. Cada átomo tiene cuatro átomos vecino de la clase opuesta dispuestos en las esquinas de un tetraedro regular, tal como:

La estructura de sulfuro de Zinc o Zinc Blenda resulta cuando los átomos de azufre son colocados en una red cubica cara centrada y los átomos de zinc en otra combinando estas dos redes resulta la estructura que apreciamos

Azul Representa el zinc ocupa posiciones de cara centrada

Blanco azufre que ocupa los sitio intersticiales entre los átomos de azufre

Si los átomos fueran iguales esa sería la estructura del diamante donde la figura inferior apreciamos con mayor claridad que cada átomo de ZnS está rodeado de un tetraedro regular de átomos de tipo opuesto

  Ala izquierda encontramos la proyección de un plano adimensional de la estructura del diamante que es la misma en el sulfuro de Zinc ZnS

La modificación hexagonal compacta del ZnS, wurtzita, tiene en la base un empaquetamiento hexagonal de aniones S2 -. La wurtzita solo tiene un eje polar, el único eje ternario, dirigido a lo largo del eje c de la celdilla hexagonal.

Se puede observar que algunas sustancias (ZnS y SiC) tienen ambas estructuras, que es lo que se denomina formas polimorficas. La estructura cúbica del SiC y del ZnS es la estable a temperaturas bajas y la hexagonal a temperaturas altas.

Puede verse una comparación entre las estructuras de la blenda y de la wurzita

ESTRUCTURA CRISTALINA TIPO FLUORITA

La fórmula química AX2 incluye un gran número de cerámicas estructurales. Un ejemplo es la estructura cristalina del mineral natural fluorita (CaF2), del cual recibe el nombre. El cociente de radios iónicos (rC/rA) para el CaF2 es alrededor de 0.8, lo cual corresponde a un numero de coordinación de 8. Los iones de calcio de gran tamaño están colocados en los centros de los cubos, con iones fluoruro en los vértices, estos últimos forman una estructura cúbica simple.

 

ESTRUCTURA TIPO HALITA, NACL:  En la estructura de NaCl los aniones de mayores dimensiones Cl forman un empaquetamiento cúbico denso, en el cual todos los huecos octaédricos están ocupados por los cationes Na, en tanto que los huecos tetraédricos están totalmente desocupados.

Estructura cristalina del cloruro de sodio, ClNa

La red de NaCl puede considerarse como el conjunto de dos estructuras centradas en las caras, cada una de las cuales contiene únicamente iones de un solo signo. La estructura consiste de una alternancia de cationes y aniones a lo largo de cada uno de los ejes de la celda unitaria

PREGUNTAS ¿En que constituye y que determina la estructura Cristalina?

La estructura Cristalina constituye la base material que forma el cristal y determina su periocidad, marcada por la red y la celda unidad, la parte material que esta constituida por átomos iones, moléculas, etc..

¿Por qué es evidente la influencia estequiometrica en un cristal?

Por que es el factor dominante de la estructura y por que no solo los átomos que forman los cristales son diferentes química y físicamente, si no que sus componentes entran en la formula química en relaciones muy distintas.

¿Cuál es la característica que poseen los empaquetados cúbicos y hexagonal?

La disposición regular de sus posiciones atómicas determina la existencia de posiciones interatómicas con un número fijo y determinado.

¿Cual es la diferencia entre la estructura del sulfuro de zinc y la estructura diamante ? La diferencia radica en que si la estructura diamante todos eran iguales (átomos de carbono), en el sulfuro de zinc el primer fcc contiene únicamente átomos de Zn y el segundo fcc contiene solo átomos de S. ¿Como puede considerarse la red del ClNa y en que conciste la estructura? Puede considerarse como el conjunto de dos estructuras centradas en las caras, cada una de las cuales contiene únicamente iones de un solo signo. La estructura consiste de una alternancia de cationes y aniones a lo largo de cada uno de los ejes de la celda unitaria