Materiales de estado sólido
La química de materiales de estado sólido estudia la estructura, síntesis y propiedades de sólidos inorgánicos extendidos, en los que los átomos se unen en marcos tridimensionales periódicos en lugar de moléculas discretas.
Definition
La química de materiales de estado sólido es el estudio de la composición, el arreglo atómico, la preparación y las propiedades dependientes de la estructura de sólidos no moleculares, vinculando la estructura cristalina y el enlace con el comportamiento físico de los materiales a granel.
Scope
Esta área cubre los sólidos inorgánicos cristalinos y amorfos tratados desde un punto de vista químico: cómo los átomos se empaquetan en estructuras cristalinas y cómo los defectos se desvían de ese ideal; cómo se fabrican los sólidos mediante rutas de alta temperatura, de flujo y químicas suaves; cómo la composición y la temperatura determinan las fases a través de diagramas de fase y transformaciones; y cómo la estructura electrónica colectiva de un sólido da lugar a un comportamiento metálico, semiconductor o aislante. Es el fundamento químico sobre el que se construyen las cerámicas, los materiales electrónicos y los materiales energéticos.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo se empaquetan los átomos e iones en las estructuras cristalinas de los sólidos inorgánicos?
- ¿Cómo controlan los defectos puntuales, lineales y planares las propiedades de los sólidos reales?
- ¿Qué rutas sintéticas dan acceso a una fase sólida deseada?
- ¿Cómo determina la estructura electrónica de un sólido si es un metal, un semiconductor o un aislante?
Key concepts
- Celda unitaria y red de Bravais
- Empaquetamiento compacto y sitios intersticiales
- Defectos puntuales y extendidos
- No estequiometría
- Diagramas de fase
- Bandas de energía y banda prohibida
Key theories
- Estructura cristalina y empaquetamiento compacto
- Las estructuras de muchos sólidos inorgánicos se pueden racionalizar como arreglos compactos de un tipo de ion con el otro ocupando huecos tetraédricos u octaédricos, dando un pequeño conjunto de tipos de estructura (sal de roca, fluorita, espinela, perovskita) cuya estabilidad se deriva de los radios iónicos y el enlace.
- Química de defectos de sólidos
- Los cristales reales contienen defectos puntuales (vacantes, intersticiales, sustitucionales) cuyas concentraciones de equilibrio están determinadas por la termodinámica; la no estequiometría y los equilibrios de defectos rigen la conductividad iónica, el color y la difusión en los sólidos.
- Teoría de bandas de sólidos
- El solapamiento de los orbitales atómicos a través de una red periódica amplía los niveles discretos en bandas de energía; el llenado de estas bandas y el tamaño de la brecha entre ellas distinguen metales, semiconductores y aislantes.
Clinical relevance
La química del estado sólido sustenta los materiales de la tecnología moderna: los tipos de estructura y la química de defectos que se estudian aquí determinan el rendimiento de los electrodos de batería, los electrolitos sólidos, los catalizadores, los pigmentos y los dispositivos semiconductores, y la síntesis racional de nuevas fases sólidas es fundamental para el descubrimiento de materiales funcionales.
History
La comprensión sistemática de los sólidos cristalinos siguió al desarrollo de la difracción de rayos X por los Braggs en la década de 1910, lo que hizo que los arreglos atómicos en los sólidos fueran directamente determinables. Las reglas de Pauling racionalizaron las estructuras de los cristales iónicos en la década de 1920, mientras que el trabajo de Wagner y Schottky sobre los equilibrios de defectos en la década de 1930 estableció que los sólidos reales están termodinámicamente obligados a contener defectos, fundando la química moderna del estado sólido.
Key figures
- Linus Pauling
- William Lawrence Bragg
- Carl Wagner
Related topics
Seminal works
- west2014
- smartmoore2012
- kittel2005
Frequently asked questions
- ¿En qué se diferencia la química del estado sólido de la física del estado sólido?
- Se superponen en gran medida, pero la química del estado sólido enfatiza la composición, el enlace, la síntesis y las relaciones estructura-propiedad de compuestos (a menudo nuevos), mientras que la física del estado sólido enfatiza la teoría física de electrones y fonones en redes idealizadas. En la práctica, ambas disciplinas comparten métodos y, con frecuencia, los mismos materiales.
- ¿Por qué son inevitables los defectos en un cristal?
- La introducción de una pequeña concentración de defectos puntuales aumenta la entropía configuracional de un cristal, disminuyendo su energía libre por encima del cero absoluto. Por lo tanto, la termodinámica requiere una concentración finita de defectos en equilibrio en cualquier cristal real a una temperatura distinta de cero.