Cristales Moleculares 42432f

CRISTALES MOLECULARES

Moléculas simples Agua Yodo Metano y Amoniaco Telurio Talco y Caolinita Cristales Líquidos Formas moleculares del carbono Grafeno y grafito Fullerenos Nanotubo

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CRISTALES MOLECULARES

Los materiales moleculares están formados por moléculas individuales (grupos de átomos unidos mediante enlaces primarios) que se unen entre sí por fuerzas de atracción débiles (secundarias). A la presión y temperatura ambiente, muchos de ellos son gases como, por ejemplo, el oxígeno (O2), el dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4); otros son líquidos, como el agua (H2O), el bromo (Br2) y el etanol (C2H6O); mientras que algunos otros, formados por moléculas de elevada masa molecular, como el yodo (I2), la sacarosa (C12H22O11) y el naftaleno (C12H10), se presentan en estado sólido. Moleculas simples - Agua - Yodo - Metano y Amoniaco - Telurio y Arsénico - Talco y Caolinita

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Agua.- ¿Cómo se organizan las moléculas de un material molecular en estado sólido? La respuesta es previsible, pues, en general, adoptan un ordenamiento cristalino. El agua puede servirnos de ejemplo. En el agua las fuerzas secundarias entre moléculas son originadas por la gran diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno. Cuando un átomo de hidrógeno se une a un átomo mucho más electronegativo que él (como el oxígeno, el flúor o el nitrógeno), el par de electrones que forman el enlace se desplaza hacia el átomo con mayor electronegatividad.

El resultado es la aparición de una carga parcial positiva sobre el átomo de hidrógeno y una carga parcial negativa sobre el otro átomo. En virtud de estas cargas se establece una atracción electrostática entre los hidrógenos de una molécula y los oxígenos, en el caso del agua, de la molécula vecina. En esta situación específica, las fuerzas secundarias suelen denominarse puentes de hidrógeno.

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(izq) Modelo de alambres de la estructura cristalina hexagonal del hielo, mostrándose en la imagen central una vista superior de la misma. (dcha) Modelo de esferas de la estructura cristalina hexagonal del hielo.

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Yodo.- El yodo (I2) cristaliza en una celdilla ortorrómbica

Metano y Amoniaco.- El metano (CH4) cristaliza siguiendo un patrón CCC por debajo de -182.5 ºC, mientras que el amoniaco (NH3) cristaliza, también siguiendo este patrón, cuando su temperatura desciende por debajo de -77.7 ºC. CH4

NH3

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Telurio.- Los átomos de los elementos S, Se y Te (grupo VI) forman moléculas en forma de cadena o de anillos, de manera que cada átomo tiene solamente dos vecinos inmediatos (acorde con su valencia 2) en posiciones dictadas por la direccionalidad del enlace covalente.

Estructura cristalina del telurio, mostrando (izq) una cadena en espiral de átomos de Te enmarcada en un prima de base triangular, y (dcha) los primas triangulares se ordenan a su vez dando lugar a una celdilla hexagonal. Las fuerzas que mantienen unidas las distintas espirales son de tipo secundario.

Por otro lado, los átomos de P, As, Sb y Bi (grupo V) tienen una tendencia a cristalizar en capas plegadas, débilmente unidas entre sí. Con esta ordenación cada átomo se une covalentemente a otros tres vecinos (acorde con su valencia 3), situados en las posiciones marcadas por la direccionalidad de los enlaces.

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Estructura cristalina del arsénico, mostrando las capas plegadas de átomos agrupadas apiladas formando un prisma hexagonal (la celdilla romboédrica se ha señalado con línea más gruesa).

Talco y Caolinita.- El talco y la caolinita son también cristales moleculares. Las unidades básicas de estos materiales son filosilicatos con todos sus enlaces completamente saturados. Cada una de estas láminas constituye una molécula; la fuerza que las mantiene unidas a las distintas láminas es estrictamente de naturaleza secundaria.

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En el talco, Mg3(OH)2(Si2O5)2, las cargas dentro de una lámina se encuentran simétricamente distribuidas respecto al plano central de la misma, de ahí que si se añaden a este material moléculas polares como las del agua no se produzca interacción con ellas.

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Un caso parecido, pero no idéntico, se presenta con las arcillas como la caolinita, Al2(OH)4Si2O5. Está constituida por filosilicatos completamente saturados, de modo que cada lámina constituye una auténtica molécula. El resultado es que estas arcillas son blandas, fácilmente hidratables y pueden intercambiar iones orgánicos e inorgánicos. El motivo para la hidratación de estas sustancias radica en la polaridad de cada una de las láminas, entre las que pueden entrar moléculas polares como las del agua. Las arcillas son materiales moleculares, pero tras el proceso cocción se altera su enlace, se convierten en materiales cerámicos

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Cristales líquidos.- Los cristales líquidos son materiales moleculares en los que incluso en estado líquido, sus moléculas constituyentes presentan cierto grado de ordenamiento. Debido a ello, ocupan una posición intermedia entre los sólidos monocristalinos (anisótropos) y los líquidos comunes (isótropos). Los cristales líquidos son fluidos como los líquidos, pero, por otro lado, exhiben propiedades anisótropas como los cristales.

Cianobifenilo

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Basándonos en la estructura, los cristales líquidos pueden clasificarse en tres grupos: nemáticos, esmécticos y colestéricos.

Formas moleculares del carbono - Grafeno y Grafíto - Fullerenos - Nanotubos

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Grafeno y grafito.- A diferencia del diamante, en el grafito los átomos de carbono forman anillos de seis lados, que se unen entre sí como si fuesen baldosas hexagonales, dando lugar a láminas planas. Cada una de estas láminas se denomina grafeno. Cada átomo de carbono tiene entonces tres vecinos cercanos, dispuestos en ángulos de 120º, y con los que comparte un par de electrones con cada uno de ellos. El cuarto electrón de valencia de cada átomo se encuentra también enlazado, pero de forma más débil y no localizada, dando lugar a estructuras de enlaces resonantes. Son estos electrones deslocalizados los que permiten la conducción eléctrica a lo largo de una lámina, y los responsables del color negro, con brillo metálico, característico del grafito.

Las distintas láminas se mantienen unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals. Estas fuerzas de atracción son sólo ligeramente superiores a las fuerzas de cohesión de los líquidos, de lo que resulta que la distancia entre lámina y lámina sea más del doble de la distancia de enlace entre átomos de carbono en la lámina.

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Fullerenos.- Los fullerenos son un conjunto de formas alotrópicas del carbono, diferentes del diamante y del grafito. Fueron descubiertos por primera vez en 1985 por los investigadores R. Curl, H. Kroto y R. Smalley, aunque su existencia ya fue predicha en 1965. Los fullerenos son moléculas con formas esferoidales que contienen desde 32 hasta 960 átomos de carbono sólidos moleculares, muy estables, ya que no poseen enlaces libres, y que dan lugar a sólidos moleculares blandos. El arquetipo de estas moléculas es la denominada buckminsterfullereno, buckybola o futboleno, de fórmula C60.

Otras moléculas esferoidales (pero no esferas perfectas) son la C32, la C40, C50, C58 y C70 y los fullerenos gigantes, C240, C540 y C960. El futboleno tiene 20 hexágonos y el C70 tiene 25, pero ambos tienen 12 pentágonos.

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Mas la importancia de los fullerenos no reside exclusivamente en sus curiosas estructuras, sino en las propiedades de los materiales macroscópicos a que pueden dar lugar. En este sentido, el futboleno cristaliza según una red de Bravais CCC denominada fullerita.

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Las fulleritas puras son aislantes; ahora bien, impurificadas con átomos de metales alcalinos se comportan como semiconductores y hasta como superconductores. Un ejemplo lo constituye el K3C60, que puede obtenerse disponiendo las moléculas de C60 en las posiciones propias de una red CCC y situando átomos de K en los intersticios tetraédricos como en los octaédricos. El potasio puede ser reemplazado por rubidio o talio. En cualquiera de estos casos, el material exhibe, a muy bajas temperaturas, propiedades superconductoras.

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Nanotubo.- Para construir fullerenos esferoides son necesarias combinaciones de pentágonos y hexágonos. Si se prescinde de los pentágonos, se obtienen también moléculas estables en forma de cilindros huecos que se denominan nanotubos de carbono.

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