Laboratorio de Qumica BsicaPrctica No. 2Estado slido
(cristales)
Objetivo:El Alumno Identificar los diferentes sistemas de
cristalizacin. Consideraciones Tericas:Ha y Miller (1839), Bravais
(1848) y otros investigadores alcanzaron en el siglo XIX un cierto
nmero de conclusiones acerca de las estructuras de los slidos
cristalinos, pariendo de consideraciones de sus formas externas.
Las modernas investigaciones de la estructura de los slidos
comenzaron en 1912 cuando Max Von Lave sugiri que los rayos X
descubiertos por Roentgen en 1895 podan ser radiaciones de una
longitud de onda adecuada para ser difractados por los cristales,
lo que fue confirmado por W. Friedrich en Mnich.GeneralidadesHay
dos tipos de slidos los amorfos y los cristalinos. Si la
temperatura a la cual se forma el slido se alcanza lentamente, de
manera que permite el arreglo de las partculas quede bien ordenado,
el resultado es un slido cristalino. Si, por el contrario, la
temperatura disminuye muy rpidamente, hay oportunidad de que las
partculas se congelen en un estado catico. En este caso, las
partculas se acomodan desordenadamente y se dice que el slido
resultante es amorfo, (esto es, sin forma).La superficie de un
slido cristalino bien formado revela, al ser examinado, planos
lisos que se interceptan en ngulos que son caractersticos de la
sustancia particular que se investiga. Estos planos lisos se llaman
caras y los ngulos caractersticos se llaman ngulos interfaciales.
Estas caras y ngulos interfaciales estn presentes
independientemente de cmo se form el cristal y no tienen relacin
alguna con el tamao de este. Ms an, si un cristal esta partido o
molido hasta formar un polvo, cada partcula resultante poseer
ngulos interfaciales idnticos. Los slidos cristalinos difieren de
los amorfos en varios aspectos ya que un material cristalino puro
tienen un punto de fusin definido, mientras que un slido amorfo
cuando se calienta se ablanda gradualmente y se vuelve fluido en un
rango de temperatura, adems, las superficies de una sustancia
amorfa no exhiben en general caras ni ngulos definidos como los que
aparecen en los slidos cristalinos.
PropiedadesCristalografa: Rama de la ciencia que trata de la
geometra, propiedades y estructura de sustancias cristalinas. La
cristalografa geomtrica estudia los agrupamientos especiales
externos de los planos cristalinos y la forma geomtrica de estos,
se basa en: Ley de constancia de los ngulos interfaciales
Para cada sustancia dada, las caras correspondientes a los
planos que forman la superficie externa de un cristal interceptan
en una ngulo definido y este permanece constante sin importar como
se desarrollan las caras del cristal que comnmente lo hacen en
forma desigual en tamao y forma, pero el ngulo de interseccin de
caras correspondiente es siempre el mismo para cualquier cristal de
la misma sustancia.
Ley de racionalidad de los ndices
Para un cristal se pueden escoger varios ejes coordenados de tal
forma que las caras de un cristal los interceptan a una distancia
definida del origen, o sean paralelos a ello, siendo su interseccin
en el infinito.
Ley de simetra
Los cristales de la misma sustancia poseen los mismos elementos
de simetra, como:
Plano de simetra: el cristal se divide por un plano imaginario
que pasa por su centro en dos mitades iguales, una es la imagen de
la otra.
Centro de simetra: es un punto dentro de la celda que, al unirlo
con cualquiera de la superficie, repite al otro lado del centro y a
la misma distancia un punto similar.
Celda unitariaUna celda unitaria es la unidad estructural
repetida de un slido cristalino. En muchos cristales el punto
reticular en realidad no contiene tal partcula; en su lugar, puede
haber varios de tomos, iones o molculas distribuidos en forma
idntica alrededor de cada punto reticular. Sn embargo, para
simplificar se supone que cada punto reticular est ocupado por un
solo tomo. Este es el caso para la mayora de los metales. Cada
solido cristalino se representa con uno de los siete tipos de
celdas unitarias, estos pueden ser Cubico Simple, Tetragonal,
Ortorrmbica, Rombodrica, Monoclnica, Triclnica y Hexagonal. La
geometra de la celda unitaria cubica es particularmente simple
porque todos los lados y ngulos son iguales. Cualquiera de las
celdas unitarias que se repiten en el espacio tridimensional forma
una estructura reticular caracterstica de un slido cristalino.Redes
de BravaisEn 1848 Bravais demostr que el nmero total de redes
cristalinas posibles, es 14. Pertenecen a siete sistemas
cristalogrficos bsicos:
15
Cubico Tetragonal Hexagonal Rmbico Rombodrico Monoclnico
Triclnico
Unslidocristalinose construye a partir de la repeticin en el
espacio de una estructura elementalparalelepipdica denominadacelda
unitaria. En funcin de los parmetros de red, es decir, de las
longitudes de los lados o ejes del paraleleppedo elemental y de los
ngulos que forman, se distinguen sietesistemas cristalinosCbicoEn
el sistema cbico los ejes del cristal son perpendiculares entre s;
los lados de las caras miden lo mismo y las redes cbicas pueden ser
simples, centradas en el cuerpo o centradas en las caras. El 12% de
los minerales cristalizan en este sistema cbico, como el cobre, la
plata o el oro.
TetragonalAl igual que en el sistema cbico, los ejes del
cristal, en el sistema tetragonal, son perpendiculares entre s, slo
que ahora nicamente dos de los lados de las caras miden lo mismo,
siendo el tercero diferente. Estas redes del sistema tetragonal
pueden ser simples o centradas en el cuerpo. Al sistema tetragonal
pertenecen el 10% de los minerales, entre ellos, el circn, el
rutilo y la calcopirita.
RmbicoEn el sistema ortorrmbico los tres ejes cristalinos tambin
son perpendiculares entre s, pero los tres lados de cada caralargo,
ancho y alto, tienen valores diferentes. En el sistema ortorrmbico
cristalizan el azufre, el topacio y otros. Las redes ortorrmbicas
pueden ser simples, centradas en la base, centradas en el cuerpo o
centradas en las caras.
MonoclnicoA diferencia de los tres sistemas anteriores, en el
monoclnico dos de los ejes cristalinos no son perpendiculares entre
s; pero el tercero es perpendicular a los primeros dos, y los tres
lados de cada cara son distintos. Las redes monoclnicas pueden ser
simples o centradas en la base.Al sistema monoclnico pertenece el
mayor porcentaje de los minerales (32%), entre ellos, el yeso, la
malaquita, las micas y la ortoclasa.
TriclnicoEn el sistema triclnico ninguno de los ejes del cristal
es perpendicular a los otros y ninguno de sus lados mide lo mismo.
Las turquesas pertenecen a este sistema.
Trigonal Los ngulos entre los ejes del cristal, en el sistema
trigonal o rombodrico, son idnticos, pero diferentes de, y las tres
dimensiones del cristal unitario son idnticas. Cerca del 9% de los
minerales conocidos cristaliza en este sistema: la calcita, el
cuarzo, el cinabrio y la turmalina.
HexagonalFinalmente, en el sistema hexagonal dos de los ejes del
cristal tienen un ngulo entre s de 120; el tercero es perpendicular
a estos dos, siendo las dimensiones del cristal a lo largo de los
primeros dos ejes iguales, y la tercera, a lo largo del eje
perpendicular, diferente. Entre los minerales que cristalizan en
este sistema (entre 7 y 8%), se encuentran la molibdenita, el
apatito, la piromorfita y el berilo. Este sistema recibe el nombre
de hexagonal porque una estructura hexagonal sencilla puede
formarse a partir de tales celdas unitarias
En la siguiente tabla se muestran las caractersticas de los
sistemas cristalinos:
Caractersticas de los Sistemas Cristalinos
SistemangulosEjesSimetra Mxima
Cubico = = = 90a = b = cNueve planosTrece planos
Tetragonal = = = 90a = b cCinco planosCinco ejes
Hexagonal = = 90; = 120a = b cSiete planosSiete ejes
Rombodrico = = = 90a b cTres planosTres ejes
Rmbico = = 90a = b = c
Monoclnico = = 90; = 90a b cUn plano Un eje
Triclnico 90a b cSin planosSin ejes
La celda unitaria para cada red puede describirse especificando
las cantidades a, b, c, que corresponden a las longitudes de las
aristas de la celda y los ngulos , , y , que son los ngulos con los
que estas aristas se interceptan entre s. Todos los cristales que
pertenecen a un sistema particular se caracterizan por el hecho de
que aunque a veces carecen de algn elemento de simetra, se hayan
referidos a un conjunto particular de ejes cristalogrficos que
difieren de un sistema de otro en longitud e inclinacin entre
s.PolimorfismoSe presenta en sustancias que pueden poseer
estructuras diferentes aun cuando sus composiciones sean iguales.
Los polimorfos son 2 o ms tipos de cristales que tienen la misma
composicin.Mtodo de Laue de Anlisis por Rayos XMax von Laue sealo
en 1912 que un cristal podra servir como una rejilla de difraccin
tridimensionalmente si la longitud de onda de la radiacin incidente
fuera del mismo orden de magnitud que la distancia entre las
partculas en el slido. Esta condicin se verifica con los rayos X,
cuya longitud de onda es aproximadamente 1 (0.1 nm).Cuando un
cristal es saturado con rayos X, cada tomo del cristal dentro de la
trayectoria de un rayo X absorbe un poco de su energa y luego la
remite en todas sus direcciones. De este modo, cada tomo es una
fuente de ondas pequeas y se dice que los rayos X son dispersados
por los tomos. Estas pequeas ondas secundarias, de las diferentes
fuentes, interfieren unas con otras, ya sea reforzndose o anulndose
entre s. En algunas direcciones, las ondas que emanan de casi todos
los tomos en cualquier conjunto ordenado, estn en fase y en esas
direcciones se observan haces intensos de rayos X. En todas las
dems direcciones, las ondas de varios tomos estn fuera de fase y se
anulan unas a otras; por lo tanto no se detecta una intensidad.
Mtodo de Bragg de Anlisis CristalinoWilliam Bragg y su hijo
Lawrence, trataron la difraccin de rayos X como si el proceso fuera
de reflexin. En el estudio de Bragg, se piensa que los rayos X que
penetran en un cristal son reflejados, por las capas sucesivas de
partculas dentro de la sustancia. Para que exista una intensidad en
el detector, estas ondas tienen que estar en fase, lo que debe
significar que la distancia suplementaria recorrida por el haz ms
penetrante tiene que ser un mltiplo entero de la longitud de onda
de rayos x.Bragg demostr que para observar alguna intensidad en los
rayos X emergentes, debera cumplirse una relacin simple. Esta
relacin que se conoce como la ecuacin de Bragg, es:
n: orden de reflexin: Longitud de onda de los rayos X (cm, )d:
distancia del interplanar (cm,): ngulo de reflexin mximoLa ecuacin
de Bragg sirve como base para el estudio de la estructura
cristalina por difraccin de rayos X.
MaterialReactivos
1 Lupa 5 Vidrios de reloj 1 Esptula 1 Microscopio Sulfato de
Cobre pentahidratado () Cloruro de Sodio (NaCl) Permanganato de
Potasio () Dicromato de Potasio () Yoduro de Potasio (KI)
Desarrollo de la prctica1. En vidrios de reloj se coloca una
pequea muestra de las siguientes sustancias: Cloruro de Sodio
(NaCl) Permanganato de Potasio () Sulfato de Cobre pentahidratado
() Dicromato de Potasio () Yoduro de Potasio (KI)
Observar cada una de las muestras a simple vista.
Observar cada una de las muestras con ayuda de una lupa.
Observar cada una de las muestras en el microscopio.
Investigar cada uno de los compuestos en el manual del Ing.
Qumico Perry.
Cuestionario:1. De acuerdo a las observaciones realizadas en el
experimento, indique la forma de los cristales y el sistema de
cristalizacin al que usted considere que pertenecen.SustanciaSimple
vistaLupaMicroscopio
RmbicoRmbicoTriclnico
NaClCbicoCbicoCbico
OrtorrmbicoOrtorrmbicoOrtorrmbico
MonoclnicoMonoclnicoTetragonal
KIHexagonalHexagonalTriclnico
2. Consultando la bibliografa, indique los sistemas de
cristalizacin a que pertenece cada sustancia.SustanciaSistema de
cristalizacin terico
Triclnico
NaClCbico
Ortorrmbico
Monoclnico
KICbico
3. Compare los resultados experimentales con los tericos y
establezca sus conclusiones. A pesar de desconocer las definiciones
exactas de las formas de un compuesto cristalino, pero con ayuda de
la tabla con las estructuras al final de la prctica en el
cuadernillo de prcticas de laboratorio, se ha podido determinar las
estructuras de una forma muy parecida a lo dicho en el Manual del
Ingeniero Perry. Las observaciones y conclusiones ms precisas al
respecto, se muestran a continuacin. ObservacionesAndrade Gorjoux
Luis EnriqueEn esta prctica cabe mencionar que las observaciones
anotadas en el cuestionario hechas por el equipo, son plenamente
basadas en la tabla con las estructuras cristalinas al final del
cuadernillo de prcticas.As mismo para determinar la estructura del
Sulfato de Cobre Pentahidratado lo subimos que romper un pequeo
trozo en pequeos trocitos ms para lograr apreciar de una manera ms
clara la estructura que mantiene ya que los cristales
proporcionados eras demasiado grandes y al momento de llevarlos a
la observacin por el microscopio, estos tapaban la luz o
simplemente no se alcanzaba a observar, ms a detalle, su
estructura.Existieron diferencias respecto a lo experimental y a lo
analtico como lo es con:
NaClExperimentalmenteConsulta de Bibliografas
Al realizar el experimento observe un sistema de cristalizacin
cubico.
Al investigar encontr que se trata de un sistema de
cristalizacin cubico centrado en las caras.
ExperimentalmenteConsulta de Bibliografas
Al realizar el experimento observe un sistema de cristalizacin
ortorrmbico.
Al investigar encontr que se trata de un sistema de
cristalizacin rmbico.
ExperimentalmenteConsulta de Bibliografas
Al realizar el experimento determine que se trata de un sistema
cristalino triclnico.
Al investigar encontr que se trata de un sistema de
cristalizacin triclnico.
ExperimentalmenteConsulta de Bibliografas
Al realizar el experimento observe que el sistema al que
pertenece es el tetragonal.
Al investigar encontr que se trata de un sistema de
cristalizacin monoclnico.
KIExperimentalmenteConsulta de Bibliografas
Al realizar el experimento conclu que el sistema del yoduro de
potasio es el triclnico.
Al investigar encontr que se trata de un sistema de
cristalizacin cubico simple.
ConclusionesEn esta prctica pudimos conocer la forma cristalina
de los compuestos solidos conocidos como cristales, siendo estos,
en su interior, que forman estructuras donde la fuerza de cohesin
llega a producir diversas formas en sus molculas debido a las
fuerzas de unin entre los tomos que los
componen.Desafortunadamente, no a todos los compuestos se les puede
determinar la forma cristalina que los conforma desde simple vista,
como por ejemplo, desde esta observacin se pudo percatar que el
NaCl presentaba una forma cubica y se comprob con el uso de la lupa
y el microscopio; mientras que en los dems compuestos si fue
necesario el aumento de visin llegando hasta el microscopio ya que
en las observaciones previas no se lograr definir con exactitud y
con fundamentos ms correctos en el concepto de visin.La
implementacin de los microscopios siempre es interesantes, y ahora
no fue la excepcin para lograr conocer y tener un mejor panorama
para determinar, un poco ms a precisin, las estructuras cristalinas
de los compuestos que pueden tener diversas formas, as como
diversos colores.Las formas cristalinas de la mayora de las
sustancias compuestas aqu en la prctica no las pudimos definir
observndolas a simple vista, en cambio con el microscopio fue un
poco ms fcil identificar la forma de los cristales, pero aun as
para definir las formas de los cristales es necesario hacer una
observacin ms detallada, aun as no se pudieron definir las formas
cristalinas por lo mismo fue anexada la investigacin donde se
mencionan cules son las formas cristalinas de las sustancias
presentadas. Con esta prctica se observ las formas cristalinas de
algunos compuestos y tambin que es muy difcil deducir que tipo de
cristal es un compuesto con solo verlo a simple vista al igual que
con la lupa, en cambio con el microscopio se puede observar ms
detalladamente pero aun as no se puede decir con exactitud qu forma
tiene esto se debe a que no conocemos tanto de este tema y no
tenemos cierta experiencia con los sistemas cristalinos.Este
reactivo fue el nico que al observarlo se pudo definir de manera
rpida y clara el tipo de sistema de cristalizacin al que pertenece,
es decir lo experimentalmente observado y al comprobarlo con la
teora analizada los datos tiene similitud, con la nica diferencia
de que al investigar se especifica que es un sistema cubico
centrado en las caras.
Este reactivo al ser observado se defini que pertenece al
sistema ortorrmbico y al ser investigado en libros se encontr que
pertenece al sistema rmbico, en este caso lo experimental coincidi
con lo investigado ya que el sistema de cristalizacin rmbico puede
ser llamado tambin ortorrmbico.
Este reactivo al ser observado se trataba de un sistema de
cristalizacin triclnico, al investigar sobre su sistema de
cristalizacin encontr que se trata de un sistema triclnico,
consideramos observar algunos cristales que estuviesen rotos,
pulverizados para observarle con mayor precisin.
Este reactivo al observarlo defin que pertenece al sistema
tetragonal, pero al ser comparado con lo investigado nos percatamos
que era errneo lo observado, ya que pertenece al sistema
monoclnico.
KIEste reactivo al ser experimentado fue el ms difcil de
definir, ya que prcticamente al observarlo no pareca tener alguna
estructura definida y por ende logramos definirle un sistema de
cristalizacin correcto a acercado, pues al observarlo dedujimos que
perteneca al sistema triclnico y al investigar encontramos que se
debe a un sistema Cubico Simple.
Bibliografa
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