Forces de van der Waals, ponts d'hidrogen i estructures cristal·lines
La polaritat determina moltes propietats físiques i químiques de les substàncies, incloent-hi les forces intermoleculars que s'estableixen entre molècules.
Polaritat d'enllaç
Resulta de la diferència d'electronegativitat entre dos àtoms enllaçats
Crea un dipol amb càrrega parcial positiva (δ+) i negativa (δ-)
Exemple: H-Cl (H δ+ ― Cl δ-)
Polaritat molecular
Depèn tant de la polaritat dels enllaços com de la geometria molecular
Molècula polar: moments dipolars NO es cancel·len (exemple: H₂O)
Molècula apolar: moments dipolars es cancel·len (exemple: CO₂, CH₄)
Les forces intermoleculars (FIM) són forces d'atracció entre molècules. Són més febles que els enllaços iònics o covalents però determinen propietats com el punt de fusió, punt d'ebullició i solubilitat.
Forces de van der Waals
Nom general per forces intermoleculars febles
Inclouen forces de London i dipol-dipol
Característiques:
Les més febles de totes les FIM
Presents en TOTES les molècules (polars i apolars)
Resulten de dipols instantanis i induïts
Intensitat augmenta amb la massa molar i superfície de contacte
Característiques:
Només en molècules polars
Atracció entre el pol positiu d'una molècula i el negatiu d'una altra
Més intenses que les forces de London
Exemple: HCl, CH₃Cl, acetona
Tipus especial de força dipol-dipol, la més intensa de les forces intermoleculars.
Condicions per formar ponts d'hidrogen:
1. H enllaçat a F, O o N (elements molt electronegatius)
2. Parell d'electrons solitari en F, O o N d'una altra molècula
Força: 10-40 kJ/mol (més intensa que dipol-dipol normal)
Ordre de força de les FIM:
Pont d'hidrogen > Dipol-dipol > Forces de London
Els sòlids cristal·lins tenen una estructura ordenada i periòdica on les partícules (àtoms, ions o molècules) estan organitzades en un patró regular tridimensional anomenat xarxa cristal·lina.
Característiques dels sòlids cristal·lins:
Estructura ordenada i repetitiva
Punt de fusió definit
Anisotropia (propietats depenen de la direcció)
Plans de fractura definits
Hi ha 7 sistemes cristal·lins basats en les longituds dels eixos (a, b, c) i els angles entre ells (α, β, γ):
1. Cúbic - a = b = c; α = β = γ = 90°
Exemple: NaCl, diamant
2. Tetragonal - a = b ≠ c; α = β = γ = 90°
Exemple: SnO₂, TiO₂
3. Ortoròmbic - a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90°
Exemple: Sofre α, aragonit
4. Monoclínic - a ≠ b ≠ c; α = γ = 90° ≠ β
Exemple: Guix, monazita
5. Triclínic - a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
Exemple: CuSO₄·5H₂O
6. Romboèdric (Trigonal) - a = b = c; α = β = γ ≠ 90°
Exemple: Calcita, quars
7. Hexagonal - a = b ≠ c; α = β = 90°, γ = 120°
Exemple: Grafit, ZnO
El sistema cúbic és el més senzill i el més comú. Hi ha tres tipus principals de cel·les unitàries cúbiques:
CS - Cúbic Simple (Simple Cubic)
Àtoms només als vèrtexs del cub
Nombre de coordinació: 6
Factor d'empaquetament: 52%
Àtoms per cel·la: 1
Poc comú (exemple: Po)
CCC - Cúbic Centrat al Cos (Body-Centered Cubic, BCC)
Àtoms als vèrtexs + 1 àtom al centre del cub
Nombre de coordinació: 8
Factor d'empaquetament: 68%
Àtoms per cel·la: 2
Exemple: Fe, Cr, W, Na, K
FCC - Cúbic Centrat a les Cares (Face-Centered Cubic)
Àtoms als vèrtexs + 1 àtom al centre de cada cara
Nombre de coordinació: 12
Factor d'empaquetament: 74%
Àtoms per cel·la: 4
Exemple: Cu, Ag, Au, Al, Ni, Pb
L'empaquetament compacte maximitza l'ocupació de l'espai (74%). Hi ha dues estructures principals:
HCP - Hexagonal Compacte (Hexagonal Close-Packed)
Seqüència d'apilament: ABAB...
Nombre de coordinació: 12
Factor d'empaquetament: 74%
Exemple: Mg, Zn, Ti, Co
CCP - Cúbic Compacte (Cubic Close-Packed) = FCC
Seqüència d'apilament: ABCABC...
Nombre de coordinació: 12
Factor d'empaquetament: 74%
Equivalent a l'estructura FCC
L'enllaç metàl·lic consisteix en un mar d'electrons deslocalitzats que envolten cations metàl·lics.
Model del mar d'electrons:
Els electrons de valència es deslocalitzen per tota l'estructura
Els electrons actuen com a "cola" que manté units els cations
Explica la conductivitat elèctrica i tèrmica
Explica la mal·leabilitat i ductilitat
Aliatges:
Aliatge de substitució - Àtoms similars en mida substitueixen posicions
Exemple: Llautó (Cu-Zn), Bronze (Cu-Sn)
Aliatge intersticial - Àtoms petits ocupen espais entre àtoms grans
Exemple: Acer (Fe-C)
Els compostos iònics formen xarxes cristal·lines on cations i anions s'alternen per maximitzar l'atracció electrostàtica.
Estructura NaCl (Halita)
FCC amb ions de diferent càrrega alternats
Nombre de coordinació: 6 (octaèdric)
Exemple: NaCl, KCl, MgO
Estructura CsCl
Cúbic simple amb ions alternats
Nombre de coordinació: 8
Exemple: CsCl, CsBr
Estructura ZnS (Blenda)
FCC amb ions més petits en forats tetraèdrics
Nombre de coordinació: 4 (tetraèdric)
Exemple: ZnS, CuCl
Estructura CaF₂ (Fluorita)
FCC de cations amb anions en forats tetraèdrics
Nombre de coordinació: 8 (Ca²⁺) i 4 (F⁻)
Exemple: CaF₂, BaCl₂
En les estructures d'empaquetament compacte (FCC/CCP), hi ha espais buits entre els àtoms anomenats forats intersticals on poden encaixar ions o àtoms més petits.
Comparació de forats intersticals:
Forats tetraèdrics:
- Coordinació: 4
- Radi relatiu: 0.225r
- Quantitat per FCC: 8
- Més petits
Forats octaèdrics:
- Coordinació: 6
- Radi relatiu: 0.414r
- Quantitat per FCC: 4
- Més grans
Alguns sòlids consisteixen en xarxes tridimensionals d'àtoms units per enllaços covalents.
Diamant
Estructura tetraèdrica (sp³)
Cada C enllaçat a 4 altres C
Molt dur, aïllant elèctric
Punt de fusió altíssim (>3500°C)
Grafit
Estructura de capes (sp²)
Cada C enllaçat a 3 altres C
Conductor elèctric (electrons π deslocalitzats)
Lubricant (capes llisquen fàcilment)
Grafè
Una sola capa de grafit
Material 2D més resistent conegut
Excel·lent conductor elèctric i tèrmic
Propietats electròniques úniques
Nanotubs de Carboni
Grafit enrotllat en forma de tub
Resistència mecànica excepcional
Conductivitat elèctrica variable
Aplicacions en nanotecnologia
Ful·lerens
Esferes/elipsoides de carboni
C₆₀ (buckminsterfulllerè) - forma de pilota de futbol
Propietats químiques úniques
Aplicacions en medicina i materials
SiO₂ (Sílice/Quars)
Xarxa tridimensional de Si-O
Cada Si enllaçat a 4 O, cada O a 2 Si
Molt dur, punt de fusió alt (1710°C)
SiC (Carbur de silici)
Estructura tipus diamant
Extremadament dur (usat com abraiu)
Semiconductor d'alta temperatura
BN (Nitrur de bor)
Anàleg del carboni (isoelectrònic)
Forma hexagonal (similar a grafit) - lubricant
Forma cúbica (similar a diamant) - molt dur
El model de bandes explica la conductivitat elèctrica dels sòlids basant-se en la teoria d'orbitals moleculars estesa a tot el cristall.
Banda de valència - Nivells energètics ocupats per electrons
Banda de conducció - Nivells energètics buits disponibles
Gap energètic (Eg) - Diferència d'energia entre bandes
Banda de valència i conducció se superposen o estan parcialment plenes
Gap energètic: Eg = 0
Electrons es mouen lliurement
Excel·lent conductivitat elèctrica
Exemple: Metalls (Cu, Ag, Au, Al)
Gap energètic molt gran (Eg > 5 eV)
Electrons NO poden saltar a la banda de conducció
Pràcticament no condueixen electricitat
Exemple: Diamant (Eg ≈ 5.5 eV), SiO₂, polímers
Gap energètic moderat (Eg ≈ 0.1-3 eV)
A temperatura ambient, alguns electrons passen a banda de conducció
Conductivitat augmenta amb la temperatura
Exemple: Si (Eg ≈ 1.1 eV), Ge (Eg ≈ 0.7 eV), GaAs
1. Polaritat - La geometria molecular és clau per determinar si una molècula és polar
2. Forces intermoleculars - Determinen propietats com punts d'ebullició i solubilitat
3. Ponts d'hidrogen - Només possibles amb F, O, N enllaçats a H
4. Estructures cristal·lines - FCC té el major empaquetament dels cúbics (74%)
5. Semiconductors - La conductivitat depèn del gap energètic i del dopatge