Química del estado sólido para niños

La química del estado sólido es una rama de la química que se dedica a estudiar los materiales en su forma sólida. Esto incluye materiales muy diferentes, como los que están hechos de moléculas, los metales, los cristales y las cerámicas inorgánicas.

Esta área de la química ha crecido mucho gracias a la tecnología. A menudo, los descubrimientos en este campo han sido impulsados por lo que la industria necesita, más que por simple curiosidad. Por ejemplo, en el siglo XX se descubrieron aplicaciones importantes como:

• Las zeolitas y los catalizadores (sustancias que aceleran reacciones químicas) para procesar petróleo en los años 50.
• El silicio de alta pureza, que es fundamental para los aparatos de microelectrónica desde los años 60.
• Los materiales que permiten la superconductividad de alta temperatura en los años 80.

Un gran avance fue la invención de la cristalografía de rayos X a principios del siglo XX por William Lawrence Bragg. Esto permitió entender cómo están organizados los átomos en los sólidos. Además, el trabajo de Carl Wagner sobre cómo ocurren las reacciones a nivel atómico en los sólidos fue muy importante, por lo que se le considera el padre de la química del estado sólido.

¿Cómo se preparan los materiales sólidos?

Como hay muchos tipos de materiales sólidos, también hay muchas formas de prepararlos. Para los materiales orgánicos (los que tienen carbono), los métodos suelen ser a temperatura ambiente y se parecen a las técnicas de síntesis orgánica. A veces, se usan reacciones donde se intercambian electrones (reacciones redox) mediante un proceso llamado electrocristalización.

Técnicas de alta temperatura

Para los materiales que soportan bien el calor, se usan métodos que requieren temperaturas muy altas.

Métodos de fusión: ¿Cómo se funden los materiales?

Una forma común es fundir los materiales que queremos que reaccionen y luego dejar que la mezcla se enfríe y se endurezca. Si los materiales se evaporan fácilmente, se suelen colocar en un recipiente especial llamado ampolla. Esta ampolla se sella después de quitarle el aire y se calienta en un horno.

Métodos con disolventes: ¿Se pueden disolver los sólidos?

Sí, a veces se usan disolventes para preparar sólidos, ya sea haciendo que se separen de la solución (precipitación) o dejando que el disolvente se evapore. En ocasiones, el disolvente se usa bajo presión y a temperaturas más altas de lo normal, lo que se conoce como método hidrotérmico. Otra variación es usar una sal con un punto de fusión bajo que actúe como disolvente a altas temperaturas.

Reacciones con gases: ¿Los sólidos reaccionan con gases?

Muchos sólidos reaccionan fácilmente con gases como el cloro, el yodo o el oxígeno. Otros forman combinaciones con gases como el monóxido de carbono o el etileno. Estas reacciones suelen hacerse en un tubo por donde pasa el gas. Un método especial es la reacción de transporte químico, que se usa para obtener cristales puros.

La deposición química de vapor (CVD) es otro método de alta temperatura que se usa mucho para crear recubrimientos y semiconductores a partir de sustancias en forma de gas.

Materiales sensibles al aire y la humedad

Muchos sólidos absorben humedad del aire (son higroscópicos) o reaccionan con el oxígeno. Por ejemplo, muchos haluros (compuestos con halógenos) son muy sensibles a la humedad y solo pueden estudiarse si se manipulan en una caja especial llamada guantera, que está llena de un gas seco y sin oxígeno, como el nitrógeno.

¿Cómo se estudian los materiales sólidos?

La preparación y el estudio de los materiales sólidos suelen ir de la mano. Se preparan varias mezclas y se les aplica calor para ver qué combinaciones forman nuevos compuestos o mezclas sólidas.

Descubriendo nuevas fases y estructuras

Un primer paso para estudiar los productos de una reacción es usar la difracción de polvo. Esta técnica ayuda a identificar los materiales conocidos en la mezcla. Si se encuentra un patrón nuevo, se intenta identificar la forma y el tamaño de la unidad más pequeña que se repite en el material (celda unitaria). Si el material no es cristalino, su estudio es mucho más difícil.

Una vez que se conoce la celda unitaria de un nuevo material, el siguiente paso es saber de qué está hecho y en qué proporciones. Esto se puede hacer de varias maneras. A menudo, se necesita mucho esfuerzo para mejorar la forma de preparar el material y obtener una muestra pura.

Si se puede separar el material nuevo de la mezcla, se puede hacer un análisis para saber qué elementos lo componen. Otras formas incluyen usar un microscopio electrónico de barrido (SEM) que genera rayos X característicos. La forma más sencilla de conocer la estructura es usando la difracción de rayos X en un solo cristal.

Este último método a menudo requiere ajustar los procedimientos de preparación y está relacionado con saber qué materiales son estables en qué composiciones. En otras palabras, cómo se ve el diagrama de fase (un mapa que muestra las condiciones en las que un material es estable). Una herramienta importante para esto son las técnicas de análisis térmico como la DSC o el DTA.

Otras formas de estudiar los sólidos

Además de lo anterior, los nuevos compuestos sólidos se estudian con otras técnicas que están en la frontera entre la química del estado sólido y la física del estado sólido.

Propiedades ópticas: ¿Cómo interactúan con la luz?

Para los materiales que no son metales, a menudo se pueden obtener espectros de luz ultravioleta y visible. En el caso de los semiconductores, esto da información sobre su "banda prohibida", que es importante para su funcionamiento.

Propiedades eléctricas: ¿Conducen electricidad?

Se usan métodos especiales, como las sondas de cuatro puntos, para medir qué tan bien conduce la electricidad un material (su resistividad) y el tamaño del efecto Hall. Esto nos dice si el material es un aislante, un semiconductor, un semimetal o un metal. También da información sobre cómo se mueven los electrones en el material.

Propiedades magnéticas: ¿Son imanes?

Se puede medir la susceptibilidad magnética de un material según la temperatura para saber si es paramagnético (atraído débilmente por un imán), ferromagnético (como un imán común) o antiferromagnético. Esta información también nos ayuda a entender cómo están unidos los átomos en el material, especialmente en los compuestos de metales de transición. Si hay un orden magnético, se puede usar la difracción de neutrones para determinar la estructura magnética.

Véase también

En inglés: Solid-state chemistry Facts for Kids