El estado sólido

En estado sólido, las partículas elementales que componen la sustancia considerada están unidas entre si por fuerzas relativamente intensas, formando un todo compacto. La mayor proximidad entre sus partículas que lo componen es una característica de los sólidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto dando lugar a una red cristalina.En ella as partículas ocupan posiciones definidas y sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vértices de la red donde se sitúan, d esta manera, los sólidos poseen forma y volumen propios.

Los sólidos cristalinos

La mayor parte de los sólidos presentes en la naturaleza son cristalinos aún cuando en ocasiones esa estructura ordenada no se refleje en una forma geométrica regular apreciable a simple vista. Ello es debido a que con frecuencia están formados por un conjunto de pequeños cristales orientados de diferentes maneras, en una estructura policristalina. Componentes red cristalina: átomos, moléculas o iones, por eso se habla de un retículo elemental o celdilla unidad, que se repite una y otra vez en una estructura periódica o red cristalina.
Las propiedades físicas de los sólidos tales como temperatura de fusión, capacidad para conducirla corriente, resistencia a la deformación, dureza, etc., dependen de las características de las fuerzas de enlace que unen las entidades elementales.

Tipos de sólidos

Están los sólidos iónicos (sales) los cuales son duros y frágiles, tienen puntos de fusión altos, son malos conductores de la electricidad pero, sus disoluciones presentan una conductividad elevada.
Sólidos formados por moléculas apolares son blandos como corresponde a la debilidad de las fuerzas de interacción entre ellas (fuerzas de Van der Waals), presentan un punto de fusión bajo, su conductividad eléctrica es extremadamente baja como corresponde a la ausencia de cargas libres.
Sólidos formados por moléculas polares presentan características intermedias entre ambos tipos de sólidos (iónicos y apolares).Las características de un enlace metálico con un gas de electrones externos compartidos hace que los sólidos metálicos sean buenos conductores de electricidad y calor, son dúctiles, maleables y con altos puntos de fusión.

Sólidos covalentes (sólidos con propiedades extremas) están formados por una red tridimensional de enlaces atómicos fuertes dándole propiedades de altos puntos de fusión, escasa conductividad y mucha dureza (como el diamante).

los minerales

¿Qué es un mineral?
Es un sólido homogéneo, inorgánico que se presenta de manera natural y que posee una estructura atómica ordenada y una composición química definida o que varia dentro de ciertos limites , lo que le da una serie de propiedades físicas y características determinadas.Esta definición excluye productos obtenidos artificialmente y ciertas sustancias que algunos autores consideran verdaderos minerales (mineraloides).
Esta definición es también ambigua en el sentido de que existen algunos minerales, como la calcita, que puede ser producida por organismos vivos y que en nada difiere de la calcita formada por procesos naturales en donde no hay organismos implicados. Como no se llegado a un significado exacto del término mineral, utilizaremos este termino según la definición dada al comienzo ya que engloba la mayoría de los 3000 minerales reconocidos hasta ahora.

¿Qué es una roca?
Se puede considerar simplemente con un agregado o asociación de uno o más minerales que conservan individualmente sus propiedades.Una roca estará caracterizada por la presencia de determinados minerales, en proporciones distintas dentro de cada tipo de roca, además, puede estar formada por un solo mineral o por varios minerales.

¿Cómo se forma un mineral?
Pueden formarse por cristalización a partir de fluidos o por transformaciones en estado sólido. En el primer caso tenemos a) enfriamiento de materiales fundidos de origen magmático b) evaporización a partir de una disolución acuosa c) por sublimación de vapores. En el segundo caso, las transformaciones se producen por cambios en las condiciones ambientales como presión (P) y temperatura (T).

¿Cuál es la importancia del estudio de los minerales?
La importancia radica, además del valor económico que puedan tener, constituyen un criterio de clasificación de las rocas y, sobre todo, proporcionan información sobre las condiciones en las que los minerales, y las rocas que los contienen, se han formado.

La Cristalografía

El estudio del crecimiento, la forma y la geometría de los cristales se denomina cristalografía. Cuando las condiciones son favorables, cada elemento o compuesto químico tiende a cristalizarse en una forma definida y característica. En teoría son posibles 32 clases cristalinas; pero sólo una docena de clases incluyen a casi todos los minerales comunes, y algunas clases nunca se han observado. Las 32 clases se agrupan en 6 sistemas cristalinos, caracterizados por la longitud y posición de sus ejes. Los minerales de cada sistema comparten algunas características de simetría y forma cristalina, así como muchas propiedades ópticas importantes.

En la mayoría de los sólidos las partículas elementales que los forman tienen una disposición interna ordenada lo cual caracteriza al sólido cristalino. La forma externa ideal de un sólido cristalino es un cristal, que es un sólido geométrico regular, limitado por superficies planas(caras), que se cortan a lo largo de líneas rectas (aristas) que convergen unas con otras formando ángulos determinados.
Los cristales desarrollan su forma externa durante el proceso de cristalización, en donde las partículas elementales se van integrando y encajando dentro de un armazón tridimensional o edificio cristalino.Una vez nucleado el cristal y asumiendo de que se han alcanzado las condiciones adecuadas de quimismo, presión y temperatura, el grado de crecimiento dependerá básicamente del tiempo y espacio disponible para su desarrollo.

Elementos de simetría

La disposición ordenada hace que aparezcan elementos geométricos de simetría como ejes, planos y centros de simetría. Los cristales tienen ejes de simetría, que son líneas imaginarias que atraviesan el cristal en una posición tal que al girar el cristal alrededor del eje se repite un mismo motivo un número determinado de veces en cada rotación de 360º. También existe un plano de simetría y un centro de simetría.En los cristales estos elementos regulan la disposición de las caras, aristas y vértices, de forma que el estudio detallado de los mismos permite determinarla simetría que posee el cristal. Los elementos de simetría que aparecen en los cristales son siete: 5 ejes de simetría de orden binario, ternario, cuaternario y senario, plano de simetría y centro de simetría.

Red espacial cristalina

El ordenamiento de las tres direcciones del espacio de los distintos átomos, iones o grupos iónicos, considerados puntos geométricos o nudos, forma una red espacial cristalina la cual es el resultado de la repetición, por traslación en las tres direcciones del espacio de una unidad estructural llamada poliedro fundamental el cual está definido por tres vectores fundamentales de traslación a,b,c , formando tres ángulos alfa, beta y gamma. En función de estas tres vectores y de los ángulos que forman se puede definir 7 tipos de poliedros fundamentales. La combinación de estos poliedros con la distinta distribución o disposición de los nudos permite definir 14 redes cristalinas llamadas redes de Bravais , agrupadas en 7 sistemas cristalinos que poseen ejes de simetría del mismo orden.

La Cristaloquímica

Se ha considerado el cristal como una red tridimensional de nudos ocupando posiciones fijas…En la realidad, cada nudo de la red está ocupado por un átomo, Ion, grupo iónico o molécula que se mantienen unidos mediante distintos tipos de enlaces químicos mas o menos resistentes .Cada nudo de la red representa la posición de equilibrio que se alcanza a temperatura cero. De hecho, estas partículas oscilan constantemente de forma que al aumentar la temperatura aumenta la agitación de las partículas, pudiendo producir distorsiones de la red o incluso llegar a romperla totalmente. Cuando esto ocurre, se rompen los enlaces químicos que mantenían unido el edificio cristalino y se produce, el paso del estado sólido al liquido.

Los edificios iónicos

En estos, los átomos se mantienen en sus posiciones gracias a la atracción electroestática que se establece entre iones de carga opuesta, entre aniones y cationes.
¿Por qué se caracteriza el enlace iónico?
Se caracteriza por la transferencia de uno o más electrones de un átomo a otro, que deja iones de carga opuesta en contacto, produciendo un enlace químico muy fuerte. Este tipo de enlace aparece en un gran numero de minerales como carbonatos, sulfatos, sulfuros, etc.Un ejemplo típico es la sal común o halita.

En estos edificios, los cationes que ocupan una posición central, están rodeados por un número determinado de aniones que define la coordinación o número de coordinación de ese camión.
Se observa una tendencia clara a que los iones se agrupen en estructuras lo mas densas posibles; en cualquier caso, el tamaño relativo de los ione3s influye en la disposición espacial que adopten. El número de coordinación depende de la relación del radio del camión y los aniones que lo rodean, siendo el radio iónico la distancia desde el centro del núcleo del átomo hasta el orbital más externo. Un camión central grande puede estar rodeado de un mayor número de aniones que un camión de radio pequeño.

Edificios covalentes

En ellos, los átomos se enlazan compartiendo uno o varios pares d electrones, cuyos orbitales comunes ejercen la acción de enlace. Es frecuente entre los elementos electronegativos, que ceden con dificultad sus electrones; como los átomos comparten parte de de sus envolturas externas de electrones, el enlace covalente es el mas fuerte que existe y suele estar dirigido en determinadas direcciones. El diamante es un mineral típico con enlace covalente.

Edificios metálicos

Los nudos de la red cristalina están ocupados por núcleos atómicos rodeados por una nube de electrones, con gran movilidad, que no pertenecen a ningún átomo en concreto, pero que son comunes a todos ellos.Son propios de los elementos poco electronegativos, que liberan con facilidad los electrones de sus orbitales más externos. Se suelen dar en metales, aleaciones naturales y algunos sulfuros y arseniuros. La gran movilidad de los electrones les confiere gran conductividad eléctrica y térmica.

Los edificios moleculares

Característicos de las sustancias orgánicas, aunque pueden darse en algunas inorgánicas (como el azufre). Los nudos de la red cristalina están ocupados por moléculas eléctricamente neutras, las cuales se mantienen unidas por cargas eléctricas residuales muy débiles.

Los edificios mixtos

Es frecuente que en un mismo edificio cristalino las partículas elementales estén unidas por distintos tipos d enlaces, como el grafito. Este mineral contiene únicamente átomos de carbono dispuestos en una estructura laminar. En cada lamina, los átomos de carbono se unen mediante enlaces covalentes de forma que las láminas son muy fuertes y flexibles, mientras que el enlace que prevalece entre las laminas es débil el cual facilita el desalojamiento o escamacion de estas laminas, de ahí que la exfoliación sea perfecta.
El tipo de enlace que prevalece en un edificio cristalino determina, en gran medida, algunas propiedades de los minerales: dureza, conductividad eléctrica, punto de fusión, solubilidad, etc.

Los sólidos amorfos

No poseen estructura ordenada ni bien definida. Ej.: plásticos, la goma y el azufre amorfo. Algunos de estos sólidos amorfos se llaman vidrios y pueden difundir como lo9s líquidos pero muy lentamente. La distribución interna de sus partículas es irregular y sus fuerzas de atracción interna son variables, debido a esto no tienen puntos de fusión definidos; al romperse lo hacen en forma irregular sin las características que la muestra original.

Son todos aquellos sólidos en los cuales sus partículas presentan atracciones lo suficientemente eficaces como para impedir que la sustancia fluya, resultando una estructura rígida y más o menos dura. No presentan una disposición ordenada por lo tanto no tienen ningún patrón determinado.

A altas temperaturas los amorfos se convierten en líquidos y la partículas que los componen tienen libertad de movimiento, al disminuir la temperatura, la energía cinética de las partículas se va haciendo tan baja que se produce un acomodamiento de ellas; si el enfriamiento se produce rápidamente y por debajo del punto de fusión, como resultado de las menores vibraciones, una contracción térmica el cual no permite el ordenamiento de las partículas aumentando la viscosidad ya que no se aprecia flujo y la sustancia adquiere características de un sólido (rigidez, dureza, forma y volumen definidos).
Cuando un sólido amorfo se quiebra produce caras y bordes irregulares y al fundirse lo hace en un rango de temperaturas cambiando del estado sólido al líquido.