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Química del estado sólido

La química del estado sólido es el estudio de los materiales sólidos, sean de base molecular, metálica, cristalina o cerámica del estado sólido inorgánico, y ha sido impulsada fuertemente por la tecnología. Los avances en el campo se han visto alimentados con frecuencia por las exigencias de la industria, muy por delante de la simple curiosidad académica. Aplicaciones descubiertas en el siglo XX incluyen zeolita y catalizadores para el procesamiento de petróleo, basados en platino en la década de 1950, silicio de alta pureza como un componente básico de los dispositivos de microelectrónica en la década de 1960 y la superconductividad de alta temperatura en la década de 1980. La invención de la cristalografía de rayos X en 1900 por parte de William Lawrence Bragg permitió futuras innovaciones. La comprensión de cómo proceden las reacciones a nivel atómico en el estado sólido evolucionó considerablemente gracias al trabajo de Carl Wagner en la teoría de la tasa de oxidación y la contradifusión de iones, entre otros, por lo que a este investigador se le considera el padre de la química del estado sólido.[1]

Métodos sintéticos

Dada la diversidad de compuestos en estado sólido, una serie igualmente diversa de métodos[2]​ se utilizan para su preparación. Para los materiales orgánicos, tales como sales de transferencia de carga, los métodos operan cerca de la temperatura ambiente y con frecuencia son similares a las técnicas de síntesis orgánica. Las reacciones redox a veces son conducidas por electrocristalización, como se ilustra en la preparación de las sales de Bechgaard de tetratiafulvaleno.

Técnicas de horno

Para materiales térmicamente robustos, los métodos de alta temperatura son los que se emplean a menudo. Por ejemplo, los sólidos a granel se preparan usando hornos de tubo, lo que permite llevar a cabo reacciones de hasta aprox. 1100 °C. Equipos especiales, como por ejemplo hornos consistentes en un tubo de tántalo a través del cual se hace pasar una corriente eléctrica, pueden ser utilizados para temperaturas incluso más altas de hasta 2000 °C. Tales altas temperaturas son a veces necesarias para inducir la difusión de los reactivos, pero esto depende en gran medida del sistema estudiado. Algunas reacciones en estado sólido ya proceden a temperaturas tan bajas como 100 °C.

Métodos de fusión

Un método frecuentemente empleado es el de fundir los reactantes en conjunto y luego recocer la masa fundida solidificada. Si los reactivos volátiles están involucrados, los reactivos se ponen a menudo en una ampolla que es regularmente evacuada mientras se mantiene la mezcla fría, por ejemplo manteniendo el fondo de la ampolla en nitrógeno líquido y posteriormente sellándola. La ampolla sellada se pone entonces en un horno y se somete a un determinado tratamiento térmico.

Métodos de solución

Es posible utilizar disolventes para preparar los sólidos por precipitación o por evaporación. A veces, el disolvente se utiliza hidrotérmicamente, es decir, bajo presión a temperaturas superiores al punto de ebullición normal. Una variación de este tema es el uso de métodos de flujo, donde se añade a la mezcla una sal con punto de fusión relativamente bajo para actuar como un disolvente de alta temperatura en el que la reacción deseada pueda tener lugar.

Reacciones de gas

Muchos sólidos reaccionan fácilmente con tipos de gases reactivos como el cloro, el yodo, el oxígeno, etc. Otros forman aductos con otros gases, por ejemplo el CO o el etileno. Tales reacciones se realizan a menudo en un tubo abierto por ambos lados y a través del cual se hace pasar el gas. Una variante de esto es permitir que la reacción tenga lugar dentro de un dispositivo de medición, como el ATG. En ese caso la información estequiométrica puede obtenerse durante la reacción, lo que ayuda a identificar los productos.

Un caso especial de una reacción de gas es una reacción de transporte químico. Estos son a menudo llevados a cabo en una ampolla sellada a la cual una pequeña cantidad de un agente de transporte, por ejemplo yodo, se añade. La ampolla se coloca entonces en un horno de zona. Se trata esencialmente de dos hornos de tubos unidos entre sí que permiten imponer un gradiente de temperatura. Tal método puede ser utilizado para obtener el producto en forma de cristales simples adecuados para la determinación estructural por difracción de rayos X.

La deposición química de vapor es un método de alta temperatura que es ampliamente empleado para la preparación de revestimientos y semiconductores a partir de precursores moleculares.

Materiales sensibles al aire y a la humedad

Muchos sólidos son higroscópicos y/o sensibles al oxígeno. Muchos haluros por ejemplo, son muy 'sedientos' y sólo pueden ser estudiados en su forma anhidra si se manejan en una guantera llena de gas seco (y/o libre de oxígeno), por lo general nitrógeno.

Caracterización

Nuevas fases, diagramas de fase, estructuras

La metodología sintética y la caracterización del producto a menudo van de la mano en el sentido de que no una, sino una serie de mezclas de reacción son preparadas y sometidas a un tratamiento térmico. La estequiometría es normalmente variada de una manera sistemática para encontrar qué estequiometrías darán lugar a nuevos compuestos sólidos o soluciones sólidas entre las ya conocidas. Un primer método para caracterizar los productos de reacción es la difracción de polvo, porque muchas reacciones en estado sólido producirán lingotes policristalinos o polvos. La difracción de polvo facilitará la identificación de las fases conocidas en la mezcla. Si un patrón encontrado no se conoce en las bibliotecas de datos de difracción, se puede hacer un intento para indexar dicho patrón, es decir, para identificar la simetría y el tamaño de la celda unitaria. (Si el producto no es cristalino la caracterización es típicamente mucho más difícil.)

Una vez que se conoce la celda unitaria de una nueva fase, el siguiente paso es establecer la estequiometría de la fase. Esto puede hacerse en un determinado número de maneras.

A menudo se requiere un esfuerzo considerable en el perfeccionamiento de la metodología sintética para obtener una muestra pura del nuevo material.

Si es posible separar el producto del resto de la mezcla de reacción, se puede utilizar un análisis elemental. Otras formas implican el SEM y la generación de rayos X característicos en el haz de electrones. La forma más sencilla para resolver la estructura es mediante el uso de difracción de rayos X de cristal único.

Esta última requiere a menudo revisar y perfeccionar los procedimientos de preparación y está vinculado a la cuestión de qué fases son estables a qué composición y qué estequiometría. En otras palabras, cómo luce el diagrama de fase.[3]​ Una herramienta importante para establecer esto son las técnicas de análisis térmico como la DSC o el DTA, y también cada vez más , gracias a la llegada de la difracción de polvo dependiente de la temperatura del sincrotrón. Un mayor conocimiento de las relaciones de fase a menudo conduce a un mayor refinamiento de los procedimientos sintéticos de forma iterativa. Así pues, nuevas fases son caracterizadas mediante sus puntos de fusión y sus dominios estequiométricos. Esto último es importante para los sólidos que son compuestos no estequiométricos. Los parámetros de las celdas obtenidas a partir de difracción de rayos X (DRX) son particularmente útiles para caracterizar los rangos de homogeneidad de este último.

Otras caracterizaciones

En muchos -pero ciertamente no todos- los casos, los nuevos compuestos sólidos se caracterizan además por una variedad de técnicas que se sitúan en la fina línea que (casi) separa la química del estado sólido de la física del estado sólido.

Propiedades ópticas

Para materiales no metálicos a menudo es posible obtener espectros UV/VIS. En el caso de los semiconductores, esto dará una idea de la banda prohibida.

Propiedades eléctricas

Los métodos de sonda de cuatro puntos (o de cinco puntos) se aplican a menudo ya sea a lingotes, cristales o gránulos presionados para medir la resistividad y el tamaño del efecto Hall. Esto da información sobre si el compuesto es un aislante, semiconductor, semimetal o metal y del tipo de dopaje y la movilidad en las bandas deslocalizadas (si existe). Así, la información importante se obtiene en la unión química en el material.

Propiedades magnéticas

La susceptibilidad magnética se puede medir como función de la temperatura para establecer si el material es un imán para magnético, ferromagnético o anti ferromagnético. De nuevo la información obtenida se refiere a la unión en el material. Esto es particularmente importante para loS ZHECOS compuestos de metales de transición. En el caso del orden magnético, la difracción de neutrones se puede utilizar para determinar la estructura magnética.

Bibliografía

  1. Para una perspectiva histórica, véase Pierre Teissier, L'émergence de la Chimie du solide en France (1950-2000). De la formación de Communauté d'une una dispersión SA (París X:. Tesis doctoral de 2007, 651 p). Disponible en versión electrónica: [1]
  2. el capítulo 2 de la química de estado sólido y sus aplicaciones. Anthony R. West. John Wiley & Sons 2003 ISBN 981-253-003-7
  3. Cf. Capítulo 12 de elementos de difracción de rayos X, B.D. Cullity, Addison-Wesley, 2 ª ed. 1977 ISBN 0-201-01174-3


  •   Datos: Q908684
  •   Multimedia: Solid state chemistry

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La quimica del estado solido es el estudio de los materiales solidos sean de base molecular metalica cristalina o ceramica del estado solido inorganico y ha sido impulsada fuertemente por la tecnologia Los avances en el campo se han visto alimentados con frecuencia por las exigencias de la industria muy por delante de la simple curiosidad academica Aplicaciones descubiertas en el siglo XX incluyen zeolita y catalizadores para el procesamiento de petroleo basados en platino en la decada de 1950 silicio de alta pureza como un componente basico de los dispositivos de microelectronica en la decada de 1960 y la superconductividad de alta temperatura en la decada de 1980 La invencion de la cristalografia de rayos X en 1900 por parte de William Lawrence Bragg permitio futuras innovaciones La comprension de como proceden las reacciones a nivel atomico en el estado solido evoluciono considerablemente gracias al trabajo de Carl Wagner en la teoria de la tasa de oxidacion y la contradifusion de iones entre otros por lo que a este investigador se le considera el padre de la quimica del estado solido 1 Indice 1 Metodos sinteticos 1 1 Tecnicas de horno 1 1 1 Metodos de fusion 1 1 2 Metodos de solucion 1 1 3 Reacciones de gas 1 2 Materiales sensibles al aire y a la humedad 2 Caracterizacion 2 1 Nuevas fases diagramas de fase estructuras 2 2 Otras caracterizaciones 2 2 1 Propiedades opticas 2 2 2 Propiedades electricas 2 2 3 Propiedades magneticas 3 BibliografiaMetodos sinteticos EditarDada la diversidad de compuestos en estado solido una serie igualmente diversa de metodos 2 se utilizan para su preparacion Para los materiales organicos tales como sales de transferencia de carga los metodos operan cerca de la temperatura ambiente y con frecuencia son similares a las tecnicas de sintesis organica Las reacciones redox a veces son conducidas por electrocristalizacion como se ilustra en la preparacion de las sales de Bechgaard de tetratiafulvaleno Tecnicas de horno Editar Para materiales termicamente robustos los metodos de alta temperatura son los que se emplean a menudo Por ejemplo los solidos a granel se preparan usando hornos de tubo lo que permite llevar a cabo reacciones de hasta aprox 1100 C Equipos especiales como por ejemplo hornos consistentes en un tubo de tantalo a traves del cual se hace pasar una corriente electrica pueden ser utilizados para temperaturas incluso mas altas de hasta 2000 C Tales altas temperaturas son a veces necesarias para inducir la difusion de los reactivos pero esto depende en gran medida del sistema estudiado Algunas reacciones en estado solido ya proceden a temperaturas tan bajas como 100 C Metodos de fusion Editar Un metodo frecuentemente empleado es el de fundir los reactantes en conjunto y luego recocer la masa fundida solidificada Si los reactivos volatiles estan involucrados los reactivos se ponen a menudo en una ampolla que es regularmente evacuada mientras se mantiene la mezcla fria por ejemplo manteniendo el fondo de la ampolla en nitrogeno liquido y posteriormente sellandola La ampolla sellada se pone entonces en un horno y se somete a un determinado tratamiento termico Metodos de solucion Editar Es posible utilizar disolventes para preparar los solidos por precipitacion o por evaporacion A veces el disolvente se utiliza hidrotermicamente es decir bajo presion a temperaturas superiores al punto de ebullicion normal Una variacion de este tema es el uso de metodos de flujo donde se anade a la mezcla una sal con punto de fusion relativamente bajo para actuar como un disolvente de alta temperatura en el que la reaccion deseada pueda tener lugar Reacciones de gas Editar Muchos solidos reaccionan facilmente con tipos de gases reactivos como el cloro el yodo el oxigeno etc Otros forman aductos con otros gases por ejemplo el CO o el etileno Tales reacciones se realizan a menudo en un tubo abierto por ambos lados y a traves del cual se hace pasar el gas Una variante de esto es permitir que la reaccion tenga lugar dentro de un dispositivo de medicion como el ATG En ese caso la informacion estequiometrica puede obtenerse durante la reaccion lo que ayuda a identificar los productos Un caso especial de una reaccion de gas es una reaccion de transporte quimico Estos son a menudo llevados a cabo en una ampolla sellada a la cual una pequena cantidad de un agente de transporte por ejemplo yodo se anade La ampolla se coloca entonces en un horno de zona Se trata esencialmente de dos hornos de tubos unidos entre si que permiten imponer un gradiente de temperatura Tal metodo puede ser utilizado para obtener el producto en forma de cristales simples adecuados para la determinacion estructural por difraccion de rayos X La deposicion quimica de vapor es un metodo de alta temperatura que es ampliamente empleado para la preparacion de revestimientos y semiconductores a partir de precursores moleculares Materiales sensibles al aire y a la humedad Editar Muchos solidos son higroscopicos y o sensibles al oxigeno Muchos haluros por ejemplo son muy sedientos y solo pueden ser estudiados en su forma anhidra si se manejan en una guantera llena de gas seco y o libre de oxigeno por lo general nitrogeno Caracterizacion EditarNuevas fases diagramas de fase estructuras Editar La metodologia sintetica y la caracterizacion del producto a menudo van de la mano en el sentido de que no una sino una serie de mezclas de reaccion son preparadas y sometidas a un tratamiento termico La estequiometria es normalmente variada de una manera sistematica para encontrar que estequiometrias daran lugar a nuevos compuestos solidos o soluciones solidas entre las ya conocidas Un primer metodo para caracterizar los productos de reaccion es la difraccion de polvo porque muchas reacciones en estado solido produciran lingotes policristalinos o polvos La difraccion de polvo facilitara la identificacion de las fases conocidas en la mezcla Si un patron encontrado no se conoce en las bibliotecas de datos de difraccion se puede hacer un intento para indexar dicho patron es decir para identificar la simetria y el tamano de la celda unitaria Si el producto no es cristalino la caracterizacion es tipicamente mucho mas dificil Una vez que se conoce la celda unitaria de una nueva fase el siguiente paso es establecer la estequiometria de la fase Esto puede hacerse en un determinado numero de maneras A menudo se requiere un esfuerzo considerable en el perfeccionamiento de la metodologia sintetica para obtener una muestra pura del nuevo material Si es posible separar el producto del resto de la mezcla de reaccion se puede utilizar un analisis elemental Otras formas implican el SEM y la generacion de rayos X caracteristicos en el haz de electrones La forma mas sencilla para resolver la estructura es mediante el uso de difraccion de rayos X de cristal unico Esta ultima requiere a menudo revisar y perfeccionar los procedimientos de preparacion y esta vinculado a la cuestion de que fases son estables a que 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la quimica del estado solido de la fisica del estado solido Propiedades opticas Editar Para materiales no metalicos a menudo es posible obtener espectros UV VIS En el caso de los semiconductores esto dara una idea de la banda prohibida Propiedades electricas Editar Los metodos de sonda de cuatro puntos o de cinco puntos se aplican a menudo ya sea a lingotes cristales o granulos presionados para medir la resistividad y el tamano del efecto Hall Esto da informacion sobre si el compuesto es un aislante semiconductor semimetal o metal y del tipo de dopaje y la movilidad en las bandas deslocalizadas si existe Asi la informacion importante se obtiene en la union quimica en el material Propiedades magneticas Editar La susceptibilidad magnetica se puede medir como funcion de la temperatura para establecer si el material es un iman para magnetico ferromagnetico o anti ferromagnetico De nuevo la informacion obtenida se refiere a la union en el material Esto es particularmente importante para loS ZHECOS compuestos de metales de transicion En el caso del orden magnetico la difraccion de neutrones se puede utilizar para determinar la estructura magnetica Bibliografia Editar Para una perspectiva historica vease Pierre Teissier L emergence de la Chimie du solide en France 1950 2000 De la formacion de Communaute d une una dispersion SA Paris X Tesis doctoral de 2007 651 p Disponible en version electronica 1 el capitulo 2 de la quimicade estado solido y sus aplicaciones Anthony R West John Wiley amp Sons 2003 ISBN 981 253 003 7 Cf Capitulo 12 de elementos de difraccion de rayos X B D Cullity Addison Wesley 2 ª ed 1977 ISBN 0 201 01174 3 Datos Q908684 Multimedia Solid state chemistryObtenido de https es wikipedia org w index php title Quimica del estado solido amp oldid 132504828, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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