CRISTALOGRAFÍA Y TERMOQUÍMICA

CRISTALOGRAFÍA Y TERMOQUÍMICA

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Resumen—En el presente trabajo de investigación se abordarán cuestionamientos sobre los aspectos estructurales de los minerales, conociendo parámetros que se utilizan para caracterizarlos. Conoceremos elementos de simetría, las operaciones que con ellos se realizan, con el objetivo de avanzar en la descripción de los minerales y reconocer sus formas. Conoceremos, también, el modo de disposición de las caras de los cristales y las leyes que describen sus relaciones. La actividad será realizar modelos representacionales, macroscópicos, de minerales compuestos por las representaciones de sus celdas unitarias. A su vez se detallará también el concepto de Termoquímica (parte de la Química que se encarga del estudio del intercambio energético de un sistema químico con el exterior.) y todos sus matices, describiendo a detalle sus conceptos base para así poder desarrollar y comprender mejor su campo de acción, con respecto a la química.  

Palabras clave—Calor, Celdas, Cristales, Entalpia, Formula, Geométrico, Molécula, Sustancia y Térmico  

1. CRISTALES

1. Cristal (estado sólido)

La palabra cristal proviene de la raíz griega “kryos” que significa frio, haciendo referencia el agua en estado sólido, pues el cristal es un solido bien definido con un patrón de difracción claro. Los cristales cuentan con su propia rama de estudio dentro de la química, la cristalografía (ciencia encargada de estudiar la organización de la materia dentro de los cristales) por lo tanto la cristalografía es a los cristales como lo que la geografía es a la tierra.[pic 1]

1. Procesos para determinar la estructura de los cristales

En 1912, William Henry Bragg (1862-1942) y su hijo William Lawrence Bragg (1890-1971), se dieron cuenta de que era posible desandar el camino de la difracción, es decir, deducir la estructura interna de los cristales a partir del estudio de su patrón de difracción. Ellos pensaron que si los rayos X que pasan por el interior de un cristal interfieren al pasar por las rendijas que dejan los átomos y dan lugar a un patrón de difracción, este patrón debe de contener información sobre la posición relativa de los átomos.

Fue así que se dio paso a representar la difracción por medio de una ley geométrica, muy sencilla, que suponía que los átomos en los cristales ocupaban planos virtuales que se comportaban como espejos que reflejaban los rayos X sólo para determinadas posiciones angulares de incidencia (ley de Bragg). Padre e hijo compartieron el Premio Nobel de Física en 1915 al demostrar la utilidad del fenómeno descubierto por van Laue para determinar la estructura interna de los cristales.[pic 2]

Dicho descubrimiento supuso en aquellos años una revolución científica, pues poder conocer la estructura íntima de la materia conducía a desvelar los misterios del mundo que nos rodea. Para demostrar su teoría fueron capaces de averiguar la estructura atómica de materiales sencillos como el cloruro sódico (sal común) o la mineral blenda (sulfuro de cinc).[pic 3]

[pic 4]

Y aunque aquellos investigadores no fueron capaces de abordar la resolución de la estructura de materiales más complejos que los mencionados, con el paso de los años aquella aventura de la Cristalografía ha permitido responder a una infinidad de preguntas fundamentales sobre la materia viva o inanimada.  

1. Celdas Unitarias y Planos cristalográficos.

Dentro de la cristalografía se define como la porción más simple de la estructura cristalina, la cual al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal.

Cabe resaltar que todos los materiales cristalinos adoptan una distribución regular de átomos o iones en el espacio.

Un plano cristalográfico de encuentra definido por tres átomos no alineados, en una red cristalina, uniendo tres nudos de una celdilla, determinados por los índices de Miller (Figura 1). En el sistema hexagonal, los planos reticulares están definidos de manera ligeramente diferente. Se toman cuatro e/es de referencia que pasan por el centro del hexágono de la base, tres dirigidos según las diagonales de este hexágono forman entre ellos un ángulo de 120º y el cuarto es el eje del prisma. Esta nomenclatura de cuatro índices tiene la ventaja de hacer aparecer las simetrías.  

D. Celdas compuestas

En 1913 no se sabía el tamaño del último de los poliedros fundamentales. Era evidente que la forma de estas moléculas integrantes era una abstracción geométrica. Rápidamente el interés se centró en las propiedades geométricas de las redes formadas por la repetición en las tres dimensiones de estos volúmenes fundamentales. Es ahí que el maestro Auguste Bravais demostró que podían existir catorce tipos de redes divididos en 7 sistemas cristalinos (TABLA 1).

Para construir dichas redes se empieza con un arreglo unidimensional de puntos llamado eje y se identifica con solo especificar su parámetro a de repeticiones entre dos puntos adyacentes. El sistema cristalino más general es el llamado triclínico, donde los seis parámetros tiene valores cualesquiera y diferentes entre sí.

TABLA I

Ejemplos Sistemas cristalinos y redes de BRAVAIS. (R significa una red primitiva romboédrica)

E. Empaquetamiento Compuesto

El factor de empaquetamiento atómico (FEA), en inglés: atomic packing factor, APF, es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos. es la disposicion de un número infinito de celdas de esferas de forma que las mismas ocupen la mayor fracción posible de un espacio infinito tridimensional. El cientifico Carl Friedrich Gauss demostró que la mayor densidad media que puede obtenerse con una disposición periódica la cual es: phi sobre tres veces la raiz de dos Mediante procedimientos similares se pueden calcular los factores de empaquetamiento atómico ideales de todas las estructuras cristalinas. [pic 5]

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