EL ESTADO CRISTALINO

1. SOLIDOS CRISTALINOS Y SOLIDOS AMORFOSLos slidos presentan un volumen constante como los lquidos. Presentan adems una forma determinada y tienen una resistencia y rigidez considerables, debido a las fuerzas que mantiene a sus partculas fundamentales unidas entre s.Los polmeros son en parte cristalinos y en parte amorfos. Su grado de cristalinidad depende de la estructura del polmero y del procesamiento para prepararlo. Los cristales de polmero de cadena larga como el polietileno pueden considerarse como solidos covalentes con redes monodimensionales.La mayora de las sustancias slidas y un pequeo grupo de lquidos, poseen una estructura denominada estructura cristalina. Frecuentemente ocurre que una sustancia solida posee estructura cristalina, pero los cristales son tan pequeos que son visibles mediante el microscopio.Las mencionadas sustancias muestran as, en adicin de su punto de fusin usual, otra temperatura de transicin a la que asumen las propiedades de los lquidos comunes. En el estado intermedio presentan el fenmeno de la doble refraccin. De aqu que este estado intermedio es uno en el cual las propiedades del lquido no son las mismas en todas las direcciones. Los cristales lquidos tienden a presentarse en los compuestos cuyas molculas son de forma marcadamente asimtricas.El estado para-cristalino indudablemente existe en las clulas vivientes. Es el ms conveniente en las funciones biolgicas, pues combina la fluidez y la difusivibilidad con la conservacin de las posibilidades de simetra interna caracterstico de los slidos cristalinos.Los slidos amorfos tienen sus molculas distribuidas sin orden alguno. Se les considera como cuerpos intermedios entre los lquidos y los cristales.

2. CARACTERISTICAS GENERALES DEL ESTADO CRISTALINOLos cristales poseen una constitucin vectorial, es decir sus propiedades son en funciona la direccin. La dependencia entre las propiedades de un cristal y la direccin est influenciada por la simetra del mismo. Se llaman sustancias anistropas, a aquellas que presentan sus propiedades variando con la direccin. En los cristales cbicos y en los slidos amorfos, sus propiedades fsicas son las mismas en todas las direcciones, a estas sustancias se les llama istropas. En los cristales anistropos, la refraccin de la luz, la exfobiabilidad, la conductividad trmica, en general su capacidad para resistencias fsicas, no son las mismas en todas las direcciones.3. FUERZA DE ENLACE EN LOS CRISTALESLas fuerzas que ordenan y fijan las partculas de un cristal pueden ser: Fuerzas inicasConstituidas por fuerzas electrostticas entre iones de signo opuesto que constituyen las partculas del cristal inico. El cristal inico tiene la estructura de empaquetamiento de dos clases de esferas de diferente tamao cargadas elctricamente. Como el cloruro de sodio fundido conduce la electricidad. Fuerzas de Van Der WaalsLas fuerzas de unin entre las molculas son las mismas que se observan como origen del comportamiento no ideal de los gases. Son fuerzas dbiles por lo cual los cristales son blandos y de bajo punto de fusin. En laces CovalentesEl diamante es un ejemplo de los cristales que mantienen unidas sus partculas por enlaces covalentemente. Cada tomo de carbono est unido a 4 tomos ms por un modelo tetradrico. Tiene la resistencia de agentes mecnicos y qumicos y se sublima a 3500 c0

Enlaces de HidrogenoEs un enlace de valor intermedio entre el enlace covalente y el van der Waals. Enlace MetlicoEn los metales, los iones positivos se mantienen unidos con un mnimo de espacio libre entre ellos, dentro de una nube de electrones que posee bastante libertad de movimiento en el cristal, por lo cual los metales son conductores de electricidad.4. PRINCIPIO DE CRISTALOGRAFIAEstos primeros cristalgrafos utilizaban la geometra para estudiar la forma de los cristales en el mundo natural. A principios del siglo XX, se descubri que los rayos X podan ser utilizados para ver la estructura de la materia de una manera no destructiva. Esto marca el comienzo de la cristalografa moderna. Los rayos X fueron descubiertos en 1895. Son haces de luz que no son visibles para el ojo humano. Cuando los rayos X impactan sobre un objeto, los tomos del objeto dispersan los rayos. Los cristalgrafos descubrieron que los cristales, debido a la disposicin regular de sus tomos, dispersan los rayos solo en algunas direcciones especficas. Mediante la determinacin de estas direcciones y de la intensidad de los haces dispersados, los cientficos fueron capaces de producir una imagen tridimensional de la estructura atmica del cristal. Los cristales son materiales ideales para el estudio de la estructura de la materia a nivel atmico o molecular, debido a tres caractersticas principales: son slidos, son tridimensionales y estn construidos a partir de un arreglo de tomos muy regular y en general altamente simtrico. Gracias a la cristalografa de rayos X, los cientficos pueden estudiar los enlaces qumicos que unen un tomo a otro.Analizando al grafito (a la izquierda) y al diamante (a la derecha), por ejemplo, puede apreciarse que estos minerales apenas se parecen: uno es opaco y blando (el grafito constituye el corazn de los lpices), mientras que el otro es transparente y duro. Sin embargo, el grafito y el diamante son parientes cercanos, qumicamente hablando, ambos estn compuestos de tomos de carbono. La capacidad de dispersar la luz, debido a la estructura de sus enlaces qumicos, es la responsable del brillo del diamante. Esto lo sabemos gracias a la cristalografa de rayos X. Al principio, la cristalografa de rayos X slo poda estudiar cristales slidos con una disposicin regular de los tomos. Se podan estudiar, por ejemplo, minerales y muchos otros compuestos, tales como la sal o el azcar. Tambin se poda estudiar el hielo, pero hasta antes de derretirse.

Figura1. Grafito

Figura 2. Diamante5. OBTENCION DE LOS CRISTALESLos minerales estn compuestos por tomos, iones o molculas ordenados en una red cristalina que llamamos red espacial.La cristalizacin es un proceso por el cual esos tomos, iones o molculas se ordenan de tal forma que llegan a constituir cristales (formas geomtricas que podemos apreciar a simple vista), manifestacin visible de la estructura cristalina de sus componentes.La formacin de cristales minerales tiene lugar en la naturaleza, fundamentalmente, segn alguno de estos procesos:a) Precipitacin: por evaporacin del agua de una disolucin (es el caso de los cristales de sal gema).b) Sublimacin: paso de gas a slido (algunos cristales de rocas magmticas formados a partir de los gases del magma). Realmente se llama sublimacin al paso de slido a gas, y sublimacin inversa al proceso contrario. Pero como tambin se utiliza el trmino sublimacin para ste, nosotros lo haremos.c) Solidificacin: paso de lquido denso a slido por enfriamiento (tambin se da en la formacin de rocas magmticas).Pero en todos los casos se requieren las adecuadas condiciones de espacio (dnde cristalizar), tiempo (que transcurra cierto tiempo) y reposo (que no se perturbe el medio durante el proceso de cristalizacin). Cuanto mejores sean las condiciones, mayores sern los cristales que se obtengan.6. CAPACIDADES CALORIFICAS ATOMICAS Y MOLECULARESLey de Dulong PetitEl calor especfico de los slidos (igual que el de los gases y lquidos) es funcin creciente de la temperatura, tendiendo a cero cuando sta se aproxima a los 0 K. El crecimiento de este calor a partir de 0 K es inicialmente muy rpido, hacindose despus ms lento hasta que se alcanza una temperatura que puede corresponder a la de fusin, a la de descomposicin o a un cambio de estructura.En 1819, los fsicos y qumicos franceses Pierre Louis Dulong (1785-1835) y Alexis Thrse Petit (1791-1820) establecieron la ley que lleva sus nombres.Ley de Dulong y Petit

El calor especfico atmico de todos los elementos en estado slido (con pocas excepciones) presenta valores prximos a 25 J/ (molK) (o sea, 6 cal/(molK), cuando aumenta considerablemente su temperatura.Entendemos por calor atmico el calor intercambiado por un tomo-gramo de sustancia cuando su temperatura vara un 1 K y es igual al producto de la masa atmica del elemento por su calor especfico. Como el nmero de tomos contenido en un tomo-gramo de sustancia es el mismo (nmero de Avogadro) para todos los elementos, se infiere que se requiere aproximadamente la misma cantidad de calor por tomo para producir el mismo aumento de temperatura en todos los slidos. En otras palabras, el calor necesario para elevar la temperatura de una cierta masa de slido depende solamente del nmero de tomos contenidos en ella, siendo independiente de la masa de cada uno de ellos.El resultado es extremadamente simple; sin importar el tipo de slido cristalino, el calor especfico (medido en joule por kelvin y por kilogramo) es 3R/M, donde R es la constante universal de los gases ideales (medida en joule por kelvin y por mol) y M es la masa molar (medida en kilogramo por mol). Lo que es equivalente a decir que la capacidad calorfica adimensional es igual a 3.La ley de Dulong y Petit se cumple tanto mejor cuanto ms elevada es la temperatura, acentundose la discrepancia con los resultados experimentales a medida que disminuye la temperatura; estas discrepancias slo pueden explicarse en el marco de la Fsica Cuntica. As pues, la ley de Dulong y Petit constituye realmente una ley lmite, en el sentido de que el valor de 25 J/(molK) es el valor a que tienden los calores atmicos de los slidos a medida que aumenta la temperatura; no obstante, a la temperatura ordinaria ya se alcanza un valor prximo a las 6 cal/(molK) para la mayora de los elementos. Por el contrario, hay elementos (v.g., el carbono) que requieren temperaturas muy altas para acercarse a ese valor (para el carbono, el calor atmico vale 5.3 cal/(molK) a la temperatura de 1170 C).Podemos conseguir que los calores atmicos de los diferentes slidos vengan expresados por una misma funcin c=c(T) sin ms que reajustar la escala de temperaturas. Para ello, expresaremos el calor atmico en funcin del cociente T/TD, donde TD es una temperatura caracterstica de cada sustancia slida, denominada temperatura de Debye. Esta temperatura est relacionada con la frecuencia de vibracin caracterstica de los tomos del slido en su red cristalina. El excelente acuerdo conseguido en muchos casos entre la teora de Debye y los resultados experimentales constituy, en su da, un xito de la Mecnica Cuntica.

Figura 3. Calor atmico y temperatura de algunos elementos

Figura 4. Curva representativa del calor atmico de los slidos cristalinos.7. EL FENOMENO DE LA FUSIONEl fenmeno de la fusin se produce cuando una sustancia recibe calor de una fuente. Una sustancia se dice que es cristalina cuando se funde bruscamente a una cierta temperatura, mientras que la no cristalina gradualmente se ablanda durante la fusin, convirtindose en pastosa y, despus, liquidificada totalmente. Durante la fusin, una sustancia cristalina obedece a las siguientes leyes: Primera Ley: a presin constante, la fusin de una sustancia cristalina tiene lugar a temperatura constante. La fusin o solidificacin de una sustancia cristalina es aquella en que aparecen, en presencia una de otra, las fases slida y lquida. Segunda Ley: para una presin dada, cada sustancia tiene su temperatura de fusin. Esto significa que la temperatura de fusin de cada sustancia vara con el cambio de presin. La mayora de las sustancias, durante la fusin, se someten a un aumento de volumen. Sin embargo, existen sustancias que se comportan de manera inversa, como es el caso del agua, del bismuto, del hierro y del antimonio. Las sustancias que aumentan en volumen durante la fusin, al sufrir aumento de presin, tienen sus temperaturas aumentadas. Por otro lado, aquellas que disminuyen de volumen, tienen sus temperaturas disminuidas.

8. FENOMENO DE LA SUBLIMACIONLos slidos tienen tensiones de vapor caractersticos, que varan con la temperatura como suceda con los lquidos. En el caso del equilibrio de un slido con su vapor saturado, varia su presin con su temperatura, la curva se llama curva de sublimacin. El termino de sublimacin se usa para indicar la conversin directa de solido a vapor, sin la intervencin del lquido.El cambio de solido a vapor va acompaado por una absorcin de calor que se llama calor latente de sublimacin s, con los cuales est relacionado con los calores latentes de fusin y vaporizacin segn lo siguiente:

s = f v (1)

9. EL PUNTO TRIPLEEl punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado slido, el estado lquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presin de vapor.El punto triple del agua, por ejemplo, est a 273,16 K (0,01 C) y a una presin de 611,73 Pa ITS90. Esta temperatura, debido a que es un valor constante, sirve para calibrar las escalas Kelvin y Celsius de los termmetros de mayor precisin.Es la combinacin de presin y temperatura a la que el agua, hielo y vapor de agua pueden coexistir en un equilibrio estable, se produce exactamente a una temperatura de 273,16 K (0,0098 C) y a una presin parcial de vapor de agua de 611,73 pascales (6,1173 milibares; 0,0060373057 atm). En esas condiciones, es posible cambiar el estado de toda la masa de agua a hielo, agua lquida o vapor arbitrariamente haciendo pequeos cambios en la presin y la temperatura. Se debe tener en cuenta que incluso si la presin total de un sistema est muy por encima de 611,73 pascales (es decir, un sistema con una presin atmosfrica normal), si la presin parcial del vapor de agua es 611,73 pascales, entonces el sistema puede encontrarse an en el punto triple del agua. Estrictamente hablando, las superficies que separan las distintas fases tambin deben ser perfectamente planas, para evitar los efectos de las tensiones de superficie.El agua tiene un inusual y complejo diagrama de fase (aunque esto no afecta a las consideraciones generales expuestas sobre el punto triple). A altas temperaturas, incrementando la presin, primero se obtiene agua lquida y, a continuacin, agua slida. Por encima de 109 Pa aproximadamente se obtiene una forma cristalina de hielo que es ms denso que el agua lquida. A temperaturas ms bajas en virtud de la compresin, el estado lquido deja de aparecer y el agua pasa directamente de slido a gas.A presiones constantes por encima del punto triple, calentar hielo hace que se pase de slido a lquido y de ste a gas (o vapor). A presiones por debajo del punto triple, como las encontradas en el espacio exterior, donde la presin es cercana a cero, el agua lquida no puede existir y, al calentarse, el hielo se convierte directamente en vapor de agua sin pasar por el estado lquido, proceso conocido como sublimacin.La presin del punto triple del agua fue utilizada durante la misin Mariner 9 a Marte como un punto de referencia para definir "el nivel del mar". Misiones ms recientes hacen uso de altimetra lser y gravimetra en lugar de la presin atmosfrica para medir la elevacin en Marte.

Grafica 5. Punto triple del agua