¿Qué tienen en común los enlaces iónicos, covalentes y metálicos? Una respuesta es que todos ellos pueden formar estructuras cristalinas. Dado que cada red tiene una estructura y un enlace diferente, cuentan con diferentes propiedades físicas —desigualdades en la solubilidad, el punto de fusión y la conductividad, por nombrar algunas—.
- En primer lugar, veremos la definición de red cristalina.
- A continuación, estudiaremos los tipos de estructuras cristalinas: iónica, covalente y metálica.
- Posteriormente, veremos las características de las diferentes redes.
- Finalmente, practicaremos lo aprendido con algunos ejemplos de redes cristalinas.
¿Qué es una red cristalina?
Una red Cristalina es una disposición tridimensional de iones o átomos en un cristal.
Tipos de estructuras o redes cristalinas
Los átomos o iones de una red pueden adoptar diferentes geometrías tridimensionales (o 3D).
Estructura de red cúbica centrada en las caras (FCC)
Se trata de una red cúbica con un átomo o ion en cada una de las 4 esquinas del cubo, más un átomo en el centro de cada una de las 6 caras del cubo. De ahí el nombre de estructura de red cúbica centrada en las caras.
Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BBC)
Como se puede deducir por el nombre, esta red es una red cúbica con un átomo o ion en el centro del cubo. Todas las esquinas tienen un átomo o ion, pero no las caras.
Estructura hexagonal compacta (HCP)
Es posible que el nombre de esta estructura no te resulte tan explícito en un comienzo. Esto es porque esta red no es cúbica como las dos anteriores: puede dividirse en tres capas, con las capas superior e inferior con átomos dispuestos de forma hexagonal. La capa intermedia tiene 3 átomos que se intercalan entre las capas, y los átomos encajan perfectamente en los huecos de los átomos de las otras capas.
Imagina que colocas 7 manzanas como la capa superior o inferior de esta red cristalina. Ahora, intenta apilar 3 manzanas encima de estas manzanas: ¿Cómo lo harías?: Las pondrías en los espacios disponible —que es, exactamente, como están dispuestos los átomos en esta red—.
La estructura cristalina que forman los átomos de un compuesto afecta a sus propiedades físicas, como la ductilidad y la maleabilidad:
- Cuando los átomos están dispuestos en una estructura cristalina cúbica centrada en las caras, el compuesto presenta una gran ductilidad.
- Los compuestos con una estructura cristalina HCP presentan la menor deformabilidad.
- Los compuestos con estructura cristalina BCC se sitúan entre los de FCC y HCP, en términos de ductilidad y maleabilidad.
Ejemplos de estructuras cristalinas
Ahora que conocemos la disposición que pueden tener los átomos de un compuesto, veamos algunos ejemplos de estas estructuras cristalinas.
Redes cristalinas iónicas gigantes
Tal vez recuerdes, de nuestros artículos sobre enlace, que el enlace iónico se produce mediante la transferencia de electrones de los metales a los no metales. Esto hace que los metales se carguen al perder electrones, formando iones con carga positiva (cationes). Los no metales, en cambio, se cargan negativamente al ganar electrones. El enlace iónico, por tanto, implica la formación de fuertes fuerzas electrostáticas entre iones de carga opuesta en una estructura cristalina.
Estos compuestos, llamados cristales iónicos, pueden organizarse en redes cristalinas iónicas gigantes. Se denominan gigantes porque están formadas por un gran número de iones iguales, dispuestos en un patrón repetitivo.
Red cristalina del cloruro de sodio
Un ejemplo de red iónica gigante es el cloruro de sodio, NaCl. En la red de cloruro de sodio, los iones Na+ y Cl- se atraen entre sí en direcciones opuestas. Los iones están empaquetados en forma cúbica, y los negativos son de mayor tamaño que los positivos.
Red cristalina del óxido de magnesio
Otro ejemplo de red iónica gigante es el óxido de magnesio, MgO: al igual que la red del NaCl, los iones Mg2+ y los iones O2- se atraen entre, porque están empaquetados juntos en una red cúbica. Los iones negativos del oxígeno son más grandes que los positivos del magnesio.
Redes cristalinas covalentes
Otro tipo importante de enlace es el enlace covalente, que tiene lugar solamente entre los no metales.
El enlace covalente es la fuerte atracción electrostática entre dos núcleos positivos y el par de electrones compartido entre ellos.
Hay dos tipos de estructuras que pueden contener enlaces covalentes: las estructuras covalentes gigantes y las estructuras covalentes simples. La diferencia entre ellas es que la atracción electrostática que mantiene unidas las estructuras gigantes es más fuerte que la atracción electrostática que mantiene las estructuras simples.
Moléculas simples
Algunos ejemplos de redes cristalinas moleculares simples serían el yodo, el buckminsterfullereno (C60) y el hielo.
El buckminsterfullereno (C60) es un alótropo del carbono, lo que significa que sus moléculas solo están formadas por átomos de carbono. Hay un total de 60 átomos de carbono en el buckminsterfullereno (C60), que están dispuestos en 20 anillos hexagonales y 12 pentagonales. Estos anillos forman una estructura esférica.
Cuando el agua se congela, las moléculas de H2O se organizan en una estructura de red cristalina. ¿Sabías que el agua se expande cuando se congela? Esto se debe a que las moléculas de agua tienen más espacio entre ellas cuando se disponen en una estructura cristalina que en estado líquido. Los círculos rojos son átomos de oxígeno y los amarillos, de hidrógeno.
El yodo es otra molécula simple con sus moléculas dispuestas en una red cristalina. Las moléculas de yodo se organizan en una red cúbica centrada en las caras, que es un cubo de moléculas con otras moléculas en el centro de las caras del cubo.
La red de yodo puede ser un poco difícil de visualizar, incluso con una imagen. Mira la red desde arriba: verás que las moléculas de la derecha y de la izquierda del cubo están alineadas de la misma manera, mientras que las del centro están alineadas al revés.
Estructuras covalentes gigantes
Ejemplos de redes cristalinas moleculares gigantes son el grafito, el diamante y el dióxido de silicio (IV).
El grafito es un alótropo del carbono; es decir, que está completamente formado por átomos de carbono. El grafito es una estructura covalente gigante porque pueden existir millones de átomos de carbono en una sola molécula. Los átomos de carbono se disponen en anillos hexagonales y varios anillos se unen para formar una capa. El grafito está formado por varias de estas capas apiladas unas sobre otras.
El grafito es un material único con algunas propiedades y usos muy interesantes. Los enlaces que comparten los átomos de carbono en una capa son enlaces covalentes fuertes. Cada átomo de carbono hace 3 enlaces covalentes simples con otros 3 átomos de carbono. Hay fuerzas intermoleculares débiles entre las capas (mostradas por las líneas punteadas en la figura).
El diamante es otro alótropo del carbono y una estructura covalente gigante. Tanto el diamante como el grafito están hechos completamente de carbono, pero tienen propiedades completamente diferentes. Esto se debe a la diferencia en la estructura cristalina de los dos compuestos. En el diamante, los átomos de carbono están dispuestos en una estructura tetraédrica. Cada átomo de carbono establece 4 enlaces covalentes simples con otros 4 átomos de carbono. Esta geometría tetraédrica hace que el diamante sea el material más duro del mundo.
Puedes leer más sobre el grafito y el diamante en un artículo dedicado a los Enlaces de carbono.
Otro ejemplo de estructura covalente gigante es el dióxido de silicio (IV), también conocido como sílice. El sílice es el principal componente de la arena y, también, se utiliza en la formación de vidrio. La fórmula química de la sílice es SiO2. Al igual que el diamante, los átomos de la sílice están dispuestos en una geometría tetraédrica, que hace que el óxido de silicio (IV) sea muy duro.
Redes cristalinas metálicas
Cuando los átomos de los metales están estrechamente empaquetados, crean una forma regular que llamamos red metálica gigante.
Dentro de esta red, hay electrones libres en la capa exterior de los átomos metálicos. Estos electrones libres también se conocen como electrones deslocalizados; son libres de desplazarse por la estructura, lo que permite la formación de iones positivos. Esto, a su vez, hace que se produzca un enlace metálico.
El enlace metálico es la fuerte atracción electrostática entre los electrones deslocalizados y los iones metálicos positivos.
Un ejemplo de red cristalina metálica es el cobre, cuyos iones tienen una carga 2+. El cobre forma una red cúbica centrada en las caras (FCC). En una red FCC, hay un átomo en cada vértice del cubo, y hay un átomo en el centro de cada cara del cubo. Los metales forman estructuras metálicas gigantes, ya que están formados por millones de átomos.
Características de las redes cristalinas
Redes cristalinas iónicas
Las redes iónicas gigantes tienen puntos de fusión y ebullición muy altos, debido a la fuerte atracción que mantiene unidos a los iones.
Conducen la electricidad, pero solo cuando están disueltas o fundidas. Cuando las redes iónicas se encuentran en estado sólido, sus iones están fijos en su posición y no pueden moverse, por lo que la electricidad no se conduce.
Las redes iónicas gigantes son solubles en agua y en disolventes polares, pero son insolubles en disolventes no polares:
- Los disolventes polares tienen átomos con una gran diferencia de electronegatividad.
- Los disolventes no polares contienen átomos con una diferencia de electronegatividad relativamente pequeña.
Redes cristalinas covalentes
Redes cristalinas covalentes simples:
Las redes cristalinas covalentes simples tienen puntos de fusión y ebullición bajos, porque tienen fuerzas intermoleculares débiles entre las moléculas. Por lo tanto, solo se necesita una pequeña cantidad de energía para romper la red.
No conducen la electricidad en ninguno de los estados (sólido, líquido o gaseoso), ya que no hay iones ni electrones deslocalizados que se desplacen por la estructura y transporten una carga.
Las redes covalentes simples son más solubles en disolventes no polares y son insolubles en agua.
Redes cristalinas covalentes gigantes:
Las redes cristalinas covalentes gigantes tienen puntos de fusión y ebullición elevados, ya que se necesita una gran cantidad de energía para romper los fuertes enlaces entre las moléculas.
La mayoría de estos compuestos no pueden conducir la electricidad porque no hay electrones libres disponibles para transportar una carga. Sin embargo, el grafito puede conducir la electricidad, porque tiene electrones deslocalizados.
Estos tipos de redes cristalinas son insolubles en agua, ya que no contienen iones.
Redes cristalinas metálicas
Las redes metálicas gigantes tienen puntos de fusión y ebullición moderadamente altos, debido al fuerte enlace metálico.
Estas estructuras pueden conducir la electricidad cuando son sólidas o líquidas, ya que los electrones libres están disponibles en ambos estados y pueden desplazarse por la estructura llevando una carga eléctrica.
Son insolubles en agua porque los enlaces metálicos son muy fuertes. Sin embargo, pueden ser solubles solo en metales líquidos.
Redes Cristalinas - Puntos clave
- Una red es una disposición tridimensional de iones o átomos en un cristal.
- Las redes cristalinas iónicas gigantes se denominan gigantes porque están formadas por un gran número de iones iguales dispuestos en un patrón repetido.
- Los iones de una red iónica gigante se atraen entre sí en direcciones opuestas.
- Existen dos tipos de redes cristalinas covalentes: las gigantes y las simples.
- La atracción electrostática que mantiene unidas las estructuras gigantes es más fuerte que la atracción electrostática que mantiene las estructuras simples.
- Los metales forman estructuras metálicas gigantes, que consisten en átomos estrechamente empaquetados en una forma regular.
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